基于压电陶瓷激振器的薄壁结构件振动测试装置及方法

摘要

本发明属于振动测试技术领域，具体是一种基于压电陶瓷激振器的薄壁结构件振动测试装置及方法，该装置包括：信号发生器、压电陶瓷驱动电源、压电陶瓷激振器、反馈衰减器、激光测振仪、数据采集分析仪和上位机；该方法包括对薄壁结构件进行模态测试、确定信号发生器的激励电压与临界激励频率之间的线性关系、基于悬臂梁理论对压电陶瓷激振器激振力进行标定。本发明能有效采集激励信号，明确压电陶瓷激振器激励结构件时的激振力的大小，且可以产生稳定的、指定激振力和激励频率的线性激励信号，有效排除了压电陶瓷非线性激励的影响因素，采用压电陶瓷激振器来实现高频激振，附加质量低，装置使用方便。

主权项

一种基于压电陶瓷激振器的薄壁结构件振动测试方法，采用基于压电陶瓷激振器的薄壁结构件振动测试装置，包括：信号发生器、压电陶瓷驱动电源、压电陶瓷激振器、反馈衰减器、激光测振仪、数据采集分析仪和上位机；所述信号发生器的输出端连接压电陶瓷驱动电源的输入端，压电陶瓷驱动电源的输出端连接压电陶瓷激振器的两端电极，压电陶瓷激振器布置于薄壁结构件待测表面上，压电陶瓷激振器的输出端连接反馈衰减器的输入端，反馈衰减器的输出端连接数据采集分析仪的输入端，激光测振仪的两端电极还连接数据采集分析仪的输入端，数据采集分析仪的输出端连接上位机；其特征在于：包括如下步骤：步骤1：将压电陶瓷激振器固定在薄壁结构件的表面，对薄壁结构件进行模态测试，得到薄壁结构件的固有频率、阻尼比和模态振型；步骤1.1：设定压电陶瓷驱动电源的功率放大倍数；在上位机中设定振动分析频段和振动采样频率；在信号发生器中设定激励电压值；步骤1.2：信号发生器发出随机信号至压电陶瓷驱动电源进行信号放大，得到高电压激励信号，并加载到压电陶瓷激振器上使其产生振动；步骤1.3：压电陶瓷激振器激励薄壁结构件产生振动；同时，反馈衰减器将压电陶瓷激振器的高电压激励信号进行衰减，得到低电压激励信号；步骤1.4：低电压激励信号输出至数据采集分析仪，同时，激光测振仪获得薄壁结构件的某一测点的振动响应信号，该振动响应信号与低电压激励信号通过数据采集分析仪传送给上位机；步骤1.5：上位机根据当前测点的振动响应信号和低电压激励信号，得到该测点的振动响应信号相对于低电压激励信号的频响函数；步骤1.6：对多个测点执行步骤1.4~步骤1.5，得到各个测点的振动响应信号相对于低电压激励信号的频响函数，进而得到薄壁结构件的固有频率、阻尼比和模态振型；步骤2：将压电陶瓷激振器固定在薄壁结构件外侧，且不与薄壁结构件的表面接触，在不同激励电压下获得临界激励频率，进而得到信号发生器的激励电压与临界激励频率之间的线性关系；步骤2.1：在上位机中设定振动分析频段和振动采样频率；在信号发生器中设定激励电压初始值和激励频率初始值，并设激励信号类型为正弦信号；步骤2.2：信号发生器发出正弦信号至压电陶瓷驱动电源进行信号放大，得到高电压正弦激励信号，并加载到压电陶瓷激振器上使压电陶瓷激振器产生正弦振动；同时，反馈衰减器将压电陶瓷激振器上的高电压正弦激励信号衰减为低电压正弦激励信号，并经过数据采集分析仪将该低电压正弦激励信号发送给上位机；步骤2.3：上位机对低电压正弦激励信号进行频谱分析，分别获得低电压正弦激励信号的基频频率、各倍频频率及该基频频率对应的激励幅度和倍频频率对应的激励幅度的最大值；步骤2.4：上位机计算倍频频率激励幅度的最大值与基频频率对应的激励幅度之间的比值，将该比值作为评价压电陶瓷激振器的正弦激励信号线性度的指标，判断压电陶瓷激振器的线性激振能力：若该比值小于或等于1%时，判定压电陶瓷激振器具有线性激振能力，执行   步骤2.5；若该比值大于1%，则判定压电陶瓷激振器不具有线性激振能力，此时，设定一个小于当前激励电压初始值的新的激励电压初始值，返回步骤2.1；步骤2.5：若比值等于1%，则将当前基频频率作为激励电压初始值作用下的临界激励频率，若该比值小于1%，则执行步骤2.6；步骤2.6：当前激励电压初始值保持初始值不变，按照线性递增的规律在信号发生器中改变正弦信号的激励频率初始值并重复步骤2.1至步骤2.5，直到上位机确定出当前激励电压初始值作用下的临界激励频率；步骤2.7：按照线性递增的规律在信号发生器中设定多个激励电压值，并针对每一个激励电压值，重复步骤2.1至步骤2.5，上位机确定出每个激励电压值及其对应的临界激励频率值；步骤2.8：上位机根据每个激励电压值及其对应的临界激励频率值，采用最小二乘法建立激励电压值与临界激励频率值间的线性关系，同时得到压电陶瓷激振器进行线性激振时的激励频率的置信区间；步骤3：选取悬臂梁试件，压电陶瓷激振器布置在悬臂梁试件的约束端，将激光测振仪的激光光束投射到悬臂梁试件的自由端，上位机基于悬臂梁理论对压电陶瓷激振器激振力进行标定，得到要标定的激励频率下的激振力与激励电压的线性关系；步骤3.1：在上位机中设定振动分析频段和振动采样频率，在信号发生器中设定激励电压值；步骤3.2：信号发生器发出随机信号至压电陶瓷驱动电源进行信号放大，得到高电压激励信号，并加载到压电陶瓷激振器上使其产生振动；步骤3.3：压电陶瓷驱动电源将所述的随机信号放大为高电压随机激励信号并加载到压电陶瓷激振器上；步骤3.4：压电陶瓷激振器激励悬臂梁试件产生振动；同时，反馈衰减器将压电陶瓷激振器的高电压激励信号进行衰减，得到低电压激励信号；步骤3.5：低电压激励信号输出至数据采集分析仪，同时，激光测振仪获得悬臂梁试件的振动响应信号，该振动响应信号与低电压激励信号通过数据采集分析仪传送给上位机；步骤3.6：根据悬臂梁试件的振动响应信号和低电压激励信号，得到悬臂梁试件的振动响应信号相对于低电压激励信号的频响函数，进而得到薄壁结构件的固有频率和阻尼比；步骤3.7：将要标定的激励频率值作为临界激励频率，根据信号发生器的激励电压与临界激励频率之间的线性关系，得到临界激励频率所对应的激励电压，进而确定激励电压的取值范围，在该取值范围内按照线性递增的规律选取多个激励电压；步骤3.8：设定信号发生器的输出信号类型为正弦信号及要标定的激励频率值，在不同激励电压下，信号发生器发出正弦信号至压电陶瓷驱动电源进行信号放大，得到高电压正弦激励信号，并加载到压电陶瓷激振器上使压电陶瓷激振器产生正弦振动；步骤3.9：反馈衰减器将压电陶瓷激振器上的高电压正弦激励信号衰减为低电压正弦激励信号，并经过数据采集分析仪将该低电压正弦激励信号发送给上位机；同时，激光测振仪将获得的不同激励电压值下的悬臂梁试件的振动响应信号并通过数据采集分析仪传送给上位机，获取不同激励电压值下的悬臂梁试件的振动响应信号的幅值；步骤3.10：根据悬臂梁试件的固有频率、阻尼比及悬臂梁试件的尺寸参数、材料参数，在同一激励位置和同一响应位置利用悬臂梁理论计算不同激振力下的振动响应的幅值；步骤3.10.1：分别测得压电陶瓷激振器的几何中心与悬臂梁试件约束端间的距离、激光测振仪的激光束投射到悬臂梁试件的激光点位置与悬臂梁试件的自由端间的距离；步骤3.10.2： 修正悬臂梁试件的材料参数及几何参数，使得利用悬臂梁理论计算的固有频率与步骤3.6中获得的固有频率之差在误差允许范围内；步骤3.10.3：根据步骤3.6获得阻尼比和悬臂梁理论，调整激振力理论值的大小得到不同激振力理论值下的振动响应的幅值的理论值，直到该振动响应的幅值的理论值与步骤3.9获取的相应激励电压下的振动响应信号的幅值之差在误差允许范围内，当前激振力理论值等效为实际激振力；步骤3.10.4：建立当前激振力理论值及其相应激励电压的线性关系，从而完成压电陶瓷激振器激振力的标定。