振动测试和分析技术综述

1振动测试和分析技术综述黄盼（西华大学，成都四川610039）摘要:振动测试和分析对结构和系统动态特性分析及其故障诊断是一种有效的手段。综述了当前振动测试和分析技术，包括振动测试与信号分析的国内外发展概况、振动信号数据采集技术、振动测试技术、以及振动测试与信号分析的工程应用，最后对振动测试与分析技术的未来发展方向进行了展望。关键词:振动测试;信号分析;动态特性;综述SummaryofVibrationTestingandAnalysisHuangPan(XihuaUniversity，Chengdu610039，China)Abstract:Vibrationtestingandanalysisisaneffectivetoolinanalyzingstructureandsystemdynamiccharacteristicanddetectingthefailuresofstructures,systemsandfacilities.Thepresentpaperreviewsthecurrentvibrationtestingandanalysistechniques，includingthedevelopmentofvibrationmeasurementandanalysisofdomesticandforeign，vibrationsignaldataacquisition,vibrationtestingtechnology,vibrationmeasurementandanalysisinengineeringapplication.Finally,thefuturedevelopmentinthefieldofvibrationtestingandanalysisispredicted.Keywords:vibrationtesting;signalanalysis;dynamiccharacteristic;overview20引言随着科学技术的发展，振动及设备动态特性引起的问题受到各行各业的高度关注。例如:导弹、飞机和火箭在飞行中，由于发动机和气流扰动及结构动态特性所造成的振动直接影响到飞行安全和控制精度;车辆在凹凸不平的路面上行驶时的振动直接关系到驾驶性能与乘坐的舒适性;机械加工设备的振动直接影响到加工的精度和有效性;大型旋转机械的振动信号直接反映了设备运转的主要信息;高层建筑、桥梁由于风载和地震所产生的振动直接关系到这些结构的安全。要解决各种各样的振动及动态特性问题，研究系统的动力学特性，分析产生振动的原因，考核设备适应振动与环境的关系，除了理论分析外，对结构、系统和设备进行振动测试与信号分析是必不可少的重要手段。振动测试与信号分析技术是机械动力学学科的重要分支之一，是机械动力学工程应用的一个极为普遍的方面。随着设备朝着大型化、高速化的发展，振动引起的问题更为突出，需要解决的问题更为迫切，也对振动测试与振动信号分析技术的研究提出了越来越高的要求［1］，对于航空航天、动力机械、交通运输、军械兵器、能源工业、土木建筑、电子工业以及环境保护等尤为重要。可以说，振动测试与分析技术已广泛应用在产品研究、设计、生产和运行的全过程。1振动测试与信号分析的国内外发展概况1.1信号测试与分析技术发展概述信号分析技术已经被广泛地应用于许多学科与领域[4]，诸如：通信、雷达、声纳、地震、遥感、生物医学、机械振动等。特别是近代电子技术、数字计算机及微型机的发展和应用，使信号分析技术得到了迅速的发展，目前，它已成为信息科学技术中一种必不可少的手段。50年代以前，信号分析技术主要使模拟分析方法。进入50年代，大型通用数字计算机在信号分析中有了实际的应用，当时曾经争论过模拟与数字分析方法的优缺点，争论的焦点是运算速度，精度与经济性。进入60年代，人造卫星、宇航探测以及通信、雷达技术的发展，对信号分析的速度，分辨能力提出了更高的要求，1965年，美国库列[5]（J.W.Cooley）和图基（J.W.Tukey）提出了快速傅立叶变换（FFT）的计算方法，使计算离散傅立叶变化（DFT）的复数乘法次数从N2减少到Nlog2N次，从而大大节省了计算量。这一方法大大促进了数字信号处理的发展，使其获得了更广泛的应用。因为卷积可以利用DFT来计算，故FFT算法也可以用正比于Nlog2N的运算次数来计算卷积，而卷积运算在计算机科学和其他领域有广泛的应用。70年代以后，大规模集成电路的发展以及微型计算机的应用，使信号分析技术具备了广阔的发展远景，许多新的算法不断出现。例如，1968年美国C.M.Rrader提出的NFFT算法，DFT可用循环卷积算法；1976年美国S.winograd提出了WFTA算法，用它计算DFT所需要的乘法次数仅为FFT算法乘法次数的1/3；1977年法国H.J.Nussbaumer提出了PFTA算法，结合使用FFT和WFTA方法，在采样点数较大时，较之FFT算法快3倍左右。上许几种方法与DFT方法比较；当采样点N＝1000时，DFT算法为200万次；FFT为1.4万次；NFFT为0.8次；WFTA为0.3万次；PFTA为0.3万次。此外，信号处理芯片是近年来出现的一种用于快速处理信号的器件，它的出现，对简化信号处理系统的接受，提高运算精度，加快信号处理的实时能力等有很大作用。例如TMS320C25芯片，运算速度达1000万次每妙，用其进行1024复数点FFT运算，只需14ms便可完成。这一进展，在图像处理、语言处理、谱分析、振动噪声和生物医学信息处理方面，展示了宽阔的应用前景。目前信号分析技术的发展目标是：3①在线实时能力的进一步提高；②分辨能力和精度的进一步提高；③扩大和发展新的专用功能；④专用机结构小型化，性能标准化，价格低廉。1.2模态分析与试验技术的发展概况由于信号测试技术的发展，促进了机械振动研究领域的一些新技术和新学科的诞生和发展，如机械阻抗与导纳[6]，模态分析与参数识别，结构的动态修改与动态设计，旋转机械的转速跟踪分析，机械的动态监测与控制，振动诊断，故障预报等。在振动领域中，测试技术、分析技术以及计算机技术的逐步完善，加之先进的电子数字计算机的发展，使人们对于振动的测试和分析进入了一个全新的使用阶段。特别是试验模态分析技术，作为振动分析的一个分支，尤其得到了发展。试验模态分析技术是人们为了了解和寻求产品的最佳性能而找到的另一种更经济、更有效的方法。它通过对样机或结构形式相同的原准样机的测试，将采集的测试数据应用于相应的识别技术，识别系统模态参数。具体如下：首先，根据已有的经验和知识，在老产品的基础上试制一台新的样机；其次，对样机做全面的测试和分析并获得产品的动态特性，由此识别出系统的模态参数，建立数学模型，进而了解产品在使用中的振动、噪声、疲劳等问题；再次，在计算机上改变产品的结构参数，了解动态性能可能获得的改善程度，或者反过来，设计者事先指定好动态特性，由计算机来回答所需的结构参数（质量、刚度、阻尼）的改变量。另外，设计者也可以在计算机上模拟各种实际的外部激励，求得参数改变前后的任何部位的响应。随着电子计算机朝着大容量、高速度和小型廉价化的方向飞速发展，和试验技术也得到了快速的发展。特别是近十余年来，模态分析吸取了振动理论、信号分析、数据处理、数理统计以及自动控制理论中的有关营养，结合自身内容的发展，形成了一套独特的理论基础。2振动数据采集技术测量振动信号的物理量常有:位移、速度、加速度、应变和力。与之对应的传感器分别为:位移传感器、速度传感器、加速度传感器、动态应变仪和力传感器。振动数据采集设备将传感器拾取的模拟信号转换为数字信号。经过多年的发展，振动数据采集设备形成了现在高中低端各种数据采集设备都有的格局。从模数转化精度来说，已经由早期的12bit发展到现在的16bit和24bit，动态范围从70dB左右到110dB左右。国外现在的主流数据采集设备几乎都是24bitAD精度了。采样频率从几十ks/s到几百ks/s，甚至高达几MS/s。一般结构振动测量用的采样频率最高到256ks/s就足够了，但有些特殊场合需要更高的采样频率，比如高采样频率在石油勘探研究等领域有着特殊的应用。Delta－Sigma模数转换技术是近年来国外著名厂家广泛使用的一种高精度高速数据采集技术。该技术的工作原理思路是在数据采集中对应最高采样频率设计一固定截止频率的抗混滤波器，采用高采样频率加数字滤波实现高速高精度数据采集。采集通道数从单通道到上千个通道并行采集都有。数据采集设备的总线类型有:PCI，VXI，PXI和其他总线类型。PCI是由英特尔(Intel)公司1991年推出的用于定义局部总线的标准。此标准允许在计算机内安装多达10个遵从PCI标准的扩展卡。VXI总线规范是一个开放的体系结构标准，其主要目标是使VXI总线器件之间、VXI总线器件与其他标准的器件(计算机)之间能够以明确的方式开放地通信;使系统体积更小;通过使用高带宽的吞吐量，为开发者提供高性能的测试设备;采用通用的接口来实现相似的4仪器功能，使系统集成软件成本进一步降低。PXI是一种由美国NI公司发布的基于PC的测量和自动化平台。PXI结合了PCI的电气总线特性与CompactPCI的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范。制订PXI规范的目的是为了将台式PC的性能价格比优势与PCI总线面向仪器领域的必要扩展完美地结合起来，形成一种主流的虚拟仪器测试平台。这使它成为测量和自动化系统的高性能、低成本运载平台。PXI是以PCI(peripheralcomponentinterconnect)及CompactPCI为基础再加上一些PXI特有的信号组合而成的一个架构。PXI继承了PCI的电气信号，使得PXI拥有如PCIbus的极高传输数据的能力，因此能够有高达132Mbyte/s到528Mbyte/s的传输性能，在软件上是完全兼容的。另一方面，PXI采用和CompactPCI一样的机械外型结构，因此也能同样享有高密度、坚固外壳及高性能连接器的特性。VXI和PXI总线都适合构建多通道数据采集系统。PCI只适合小型的测试系统。将相对独立的数据采集设备与计算机相连或数据采集器相互之间的连接通常的接口技术规范有IEEE1394、LAN和USB等。现在涌现出了越来越多的USB接口的数据采集设备，这些USB接口的数据采集设备真正实现了高性能和便携性。给小型现场测试带来了极大的方便。3振动测试技术一般振动测试技术大致可分为两类［2，3］:一类是测量设备和结构工作或实验时所存在的振动，这种测量可以利用振动信号对设备和结构的运行状态进行监测评估和故障诊断;另一类是系统特征参数的测试，包括系统的频响函数、脉冲响应函数、模态参数和物理参数等。这类测试往往要对设备或结构施加某种激励或利用环境自然激励，使其产生振动，然后测量其振动，此类测振的目的是研究设备或结构的力学动态特性。要研究设备或结构的动力学特性，通常需要通过模态实验获得结构的模态参数即固有频率、阻尼比和振型。模态实验的方法可以分为两大类:一类是经典的纯模态实验方法，该方法是通过多个激振器对结构进行激励，当激振频率等于结构的某阶固有频率，激振力抵消结构内部阻尼力时，结构处于共振状态，这是一种物理分离模态的方法。这种技术要求配备复杂昂贵的仪器设备，测试周期也比较长;另一类是数学上分离模态的方法，最常见的方法是对结构施加激励，测量系统频率响应函数矩阵，然后再进行模态参数的识别。2004年由LMS公司推出的多参考点最小二乘频域模态参数识别法(PolyMAX)已经被证明对大阻尼和密集模态的识别较传统方法好。是近年来发展起来的比较好的频域模态参数识别法。在有些情况下，无法施加人工激励，比如大型桥梁，这时利用自然激励，比如风载、地震等自然激励来识别模态参数的方法就显得重要了。为获得系统动态特性，常需要测量系统频响函数。目前频响函数测试技术可以分为单点激励单点测量(SIS