基于NI仪器的模态测试系统开发以及在教学中应用

孙鑫晖, 董翔文, 左海强， 张 兰, 郝木明

(中国石油大学(华东) 新能源学院，山东 青岛 266580)

0 引 言

试验模态分析是结构动力学的一个重要分支， 是研究结构动力特征的一种近代方法[1-2]， 是工程力学专业、车辆工程专业学生一门重要的专业课程。试验模态分析通过测得激励和响应的时间历程，运用数字信号处理技术求得频响函数，然后运用参数识别方法求得结构的模态参数[1-3]。模态试验的测试系统由传感器、 动态分析仪、信号发生器、 信号处理分析以及模态参数识别这几部分组成[4-6]。

目前主流的模态测试系统包括比利时LMS公司的TEST.LAB、丹麦BK公司PULSE，也有新兴如美国Crystal Instruments公司的EDM Modal，奥地利DEWESoft公司的SIRIUS。这些厂商的模态测试系统具有较好的性能，尤其是LMS的产品。但是如果用于教学实验，一个面临问题就是测试系统的价格昂贵，很难同时购买多套仪器供学生进行实验。

在过去，由于模态测试的动态分析仪由以上各个公司独有，不对外单独发售仪器以及接口程序，这使得自行设计模态测试系统具有较高难度。随着美国NI公司推出了多款动态分析仪产品，使得这种局面出现改变，由于NI公司生产的动态分析仪具有开放的接口，因此使得自行开发模态测试系统成为可能。本文在Matlab GUI环境下开发一套模态测试系统，并进行了实验测试，能够满足实验教学的要求。

1 模态测试原理

1.1 测试方法

试验模态分析根据激励方式的不同主要分为两类方法：一种方法是采用一个或多个激振器对结构进行激励，在被测结构上布置多个加速度传感器测量响应，然后进行频响函数估计，该方法需要激振器与较多的传感器以及多通道动态分析仪，一般适用于大型结构;另一方法是多参考锤击法(Muti-Reference Impact Technology,MRIT)，该方法不需要激振器，只需要一把力锤与几只加速度传感器就能完成测试，一般4通道的动态分析仪就能满足要求，如果只采用一个加速传感器，那么双通道分析仪即可，非常适合实验教学。该测试方法首先在结构上固定几个加速度传感器，称为参考点，然后通过力锤逐次敲击所有的测点，获得频响函数。该方法具有一个特别的优点：虽然是采用一个力锤进行激励，属于单输入情况，但是存在多个参考点时可以获得MIMO(Multi Input Multi Output)频响函数矩阵。因此该方法测得的频响函数能够获得重频模态[1]。根据激励与响应之间关系：

Xo(jω)=H(jω)Fi(jω)

(1)

式中:频响函数矩阵H(jω)的列数等于激励力的数目，H(jω)的行数等于响应的数目，对于力锤激励，输入力的个数为1，响应的数目为参考点的数目Nr，因此在一个测点敲击可以获得维数为(Nr，1)一列频响函数矩阵，根据频响函数的互异性原理[1]，该列频响函数矩阵可以转换成一行，因此如果进行No个测试点的敲击，便可以获得维数H(jω)∈No×Nr的频响函数矩阵。转换关系如图1所示。

图1 锤击法的测试过程

1.2 频响函数的估计

在获得被测结构的激励与响应之后，如果采用频域模态参数识别方法，需要对频响函数进行估计。常用的估计方法有H1、H2、H3估计，计算分别为：

(2)

(3)

(4)

式中:X(jω)、Y(jω)分别为输入与输出的谱;Gxy(jω)为输入、输出的互功率谱;Gxx(jω)为输入自功率谱;Gyy(jω)为输出的自功率谱。

相干函数γxy(jω)为:

(5)

2 动态分析仪的选择

目前NI公司速所提供的动态分析仪中[7-8]，根据其接口形式，主要包含PCI、USB、CompactDAQ与PXI 4类。每类接口包含的产品如表1所示。这些产品都支持IPEP传感器，能够满足声音振动方面分析的需要。主要区别在于输入通道个数、是否具有输出通道、高通滤波器截止频率，增益设置。根据教学实验的要求，选择了USB接口的USB4431动态分析仪。该仪器具有24位分辨率，4个模拟输入通道，102.4 kS/s同步采样率，0.8 Hz AC/DC 耦合，因此可以连接1个力锤与3个加速度传感器，很好地满足锤击法的需要，仪器见图2。

表1 NI公司动态分析仪产品列表

图2 USB4431动态分析仪

由于NI的产品通过NI-DAQmx进行驱动，具有统一的接口函数，因此在模态测试软件的开发过程中，选择不同的仪器，程序基本不用变动，这也为选择不同的仪器提供了便利。

3 模态测试软件的设计

模态测试软件的编写工具为Matlab GUI[9-12]，在此环境下开发了基于NI仪器的模态测试软件ModalSmith，软件的总体框架如图3所示，软件的操作界面如图4所示。

图3 软件的总体框架

图4 软件的操作界面

3.1 动态分析仪的连接

在Matlab环境下操作USB4431动态分析仪，需要用到Matlab的Data Acquisition Toolbox工具箱，该工具箱对NI的仪器提供支持。工具箱中对仪器的操作有两种接口，一种基于会话接口(Session Based Interface)，另一种为遗留接口(Legacy Interface)。后一种接口形式已经过时，Matlab 2016后的版本不再支持。因此本文采用基于会话的接口形式。使用会话模式进行采集，首先需要建立一个会话，按以下步骤完成。

(1) 创建一个关于NI仪器的会话：

s = daq.createSession('ni')

(2) 设置会话的属性，如采样速率属性s.Rate，是否连续采集属性s.IsContinuous，采集点数超过一定数目时属性s.NotifyWhenDataAvailableExceeds等。

(3) 向会话中添加采集通道：s.addAnalogInput-Channel('Dev1',[ 0 1 2 3],'IEPE')

3.2 锤击法的数据采集

当建立会话之后，数据采集有两种方式，一种为前台采集方式(Matlab中StartForeground)，另一种为后台采集方式(StartBackground)。当执行前台方式命令后，按照设定的采样频率采样指定长度的数据，期间无法接受其他的命令，该方式需要确定采集的时刻，由于模态测试中，力锤激励的时刻无法确定，因此该方式不适合用于锤击法测试。本文采用后台方式，后台方式命令执行后，程序不停地进行数据采集，当采集的数据长度超过设定的值后，就会发出提示，然后通过预先设定的监听程序进行数据处理。锤击数据采集的流程如图5所示。

图5 锤击法数据采集流程图

由于后台采集模式下数据每隔一定时间由监听器获取，获取之后必须在下一次的数据到来之前进行处理，否则数据就会丢掉。监听器每次获取的数据长度由属性NotifyWhenDataAvailableExceeds来指定。在后台处理部分，根据力锤是否达到触发量级，决定是否开始采集，以及采集的数据块数Nb，数据块数需要根据采集数据长度Ns与数据块长度属性NotifyWhenData-AvailableExceeds确定。为了保证采集到足够的数据，采集数据块数应满足Nb=fix(Ns/NotifyWhenData-AvailableExceeds)+2，触发采集的过程如图6所示。

3.3 数据的管理

数据的管理包含两个方面：一是用户界面操作中数据管理，这里采用树控件进行管理，在树中每个节点对应于锤击的一个测点，每个节点中包含4个子节点Input、Output、FRF、COHE，分别为力锤激励、响应、频响函数与相干函数。采用该方式管理数据，符合实验的操作习惯以及便于查看数据。数据管理的另一个方面是软件设计中的数据管理，软件采用Matlab中cell数据类型管理主要数据，相对于其他编程语言，可以在cell类型的变量中添加任意数据类型，且可以添加多级，方便了程序设计。软件中主要数据保存在全局变量appData中，其中包含硬件相关、几何模型、锤击实验等若干个属性，每个属性又包含多个子属性，其组织结构如图7所示。

图6 触发采集的过程

图7 数据的组织结构

4 实验验证

采用一个平板结构对设计的模态测试软件进行验证，该结构尺寸为60 cm×30 cm×1 cm，共包含25个测点，1个参考点。力锤型号YMC512F02,加速度传感器型号为YMC122A，如图8所示。

图8 测试实物照片

在测试之前需要用力锤敲击试件查看力谱图，以便确定分析频率的范围。力谱图如图9所示，最终确定分析范围 0～1.200 kHz，谱线数为800，在频响函数的估计中，激励信号与响应信号的窗函数分别采用力窗与指数窗。

图10为测试数据得到频响函数，当所有测点测试完成之后，对频响函数矩阵进行奇异值分解得到复模态指示函数曲线(Complex Modal Indicate Function,CMIF)，如图11所示，该曲线非常清晰地指示出测量频率范围内模态，进行参数识别，获得结构的模态参数如图12所示，为了验证结果的可靠性，图13给出了振型的模态置信度(MAC)，图中不同阶次的模态基本正交，说明所开发的测试系统是可靠的。

图9 力锤信号的力谱图

(a) 相频

(b) 相频

图11 复模态指示函数曲线

(a) 1阶153.63 Hz (b) 2阶346.75 Hz

(c) 3阶428.61 Hz (d) 4阶473.94 Hz

(e) 5阶636.57 Hz (f) 6阶624.05 Hz

图13 振型相关系数

5 结 语

采用自行开发的模态测试系统用于教学的尝试，不但能节省设备购置费用，而且还为后续的功能扩展提供便利。如果采用10套本文设计的系统，就能保证一个班级的学生在实验中3人1组时。人人都能参与，有助于学生加深在模态分析课程中所学知识的理解，发挥学生的主观能动性，增强学生的动手能力，培养学生创新探索的能力，具有较强的应用价值。