[發明專利]基于壓電陶瓷激振器的薄壁結構件振動測試裝置及方法

有效

• 申請號: 201310509149.8
• 申請日: 2013-10-23
• 公開（公告）號: CN103528782A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 孫偉;韓清凱;李暉;羅忠;翟敬宇;王嬌
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G01M7/02
• 分類號: G01M7/02;G01H9/00
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

技術領域

本發明屬于振動測試技術領域，具體是一種基于壓電陶瓷激振器的薄壁結構件振動測試裝置及方法。

背景技術

在工程裝備中存在大量的薄壁結構件，例如各種殼體件、套筒件、環形件、盤形件、平板件等。這些薄壁結構件在高頻激勵環境下，經常誘發高周疲勞而發生失效。為了了解這些薄壁結構件的振動失效機理以及更好地加以控制，迫切地需要對這些薄壁結構件的模態性能以及振動響應行為進行準確測量。

與普通結構系統相比，上述薄壁結構件的固有頻率通常較高，如考慮的模態階次較多，則測試中需要較大的頻率范圍。例如，一些動力裝備中的葉片，其6階以上的固有頻率已達7000Hz以上。在這種情況下，傳統的用于振動測試的激勵裝置，例如模態力錘、柔性桿激振器、電磁振動臺等，均無法有效激勵并測試出這類薄壁結構件的高階模態及響應特性。

壓電陶瓷是實現機械能與電能相互轉化和耦合的一類重要功能材料，由于逆壓電效應，在變化的電場作用下，壓電陶瓷產生振動從而對薄壁結構件進行激勵。尤其是可以實現10000Hz以上的高頻激勵。

但是，現有振動測試中應用的壓電陶瓷激勵系統通常是一個開環系統，即加載在壓電陶瓷上的高電壓激勵信號難以被數據采集分析儀采集，這樣壓電陶瓷激勵結構時的激振力和激勵頻率就不能被記錄和控制。上述傳統的壓電陶瓷激勵模式，無法滿足有效獲取薄壁結構件的固有特性以及振動響應特性的測試需求，因而限制了壓電陶瓷激振器的進一步應用。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種基于壓電陶瓷激振器的薄壁結構件振動測試裝置及方法。

本發明的技術方案是：

一種基于壓電陶瓷激振器的薄壁結構件振動測試裝置，包括：信號發生器、壓電陶瓷驅動電源、壓電陶瓷激振器、反饋衰減器、激光測振儀、數據采集分析儀和上位機；

所述信號發生器的輸出端連接壓電陶瓷驅動電源的輸入端，壓電陶瓷驅動電源的輸出端連接壓電陶瓷激振器的兩端電極，壓電陶瓷激振器布置于薄壁結構件待測表面上，壓電陶瓷激振器的兩端電極還連接反饋衰減器的輸入端，反饋衰減器的輸出端連接數據采集分析儀的輸入端，激光測振儀的輸出端連接數據采集分析儀的輸入端，數據采集分析儀的輸出端連接上位機。

所述信號發生器用于產生振動激勵信號，并將振動激勵信號傳輸至壓電陶瓷驅動電源。

所述壓電陶瓷驅動電源用于放大信號發生器傳來的振動激勵信號，并將放大后的高電壓振動激勵信號加載到壓電陶瓷激振器使其產生振動。

所述壓電陶瓷激振器用于激勵薄壁結構件產生振動。

所述激光測振儀用于獲取薄壁結構件的振動響應信號。

所述反饋衰減器用于將加載到壓電陶瓷激振器的高電壓振動激勵信號衰減為低電壓振動激勵信號，并將該低電壓振動激勵信號輸出至數據采集分析儀，高電壓振動激勵信號衰減的倍數與振動激勵信號放大的倍數相同。

所述反饋衰減器包括去直流分量電路和衰減電路，去直流分量電路主要由低通濾波器組成，去直流分量電路的輸入端連接壓電陶瓷激振器的輸出端，去直流分量電路的輸出端連接衰減電路的輸入端，衰減電路的輸出端連接數據采集分析儀的輸入端。

所述數據采集分析儀用于采集反饋衰減器衰減后的低電壓振動激動信號和激光測振儀獲取的薄壁結構件的振動響應信號，并將采集到的信號實時傳送給上位機。

采用所述的基于壓電陶瓷激振器的薄壁結構件振動測試裝置進行薄壁結構件振動測試的方法，包括如下步驟：

步驟1：將壓電陶瓷激振器固定在薄壁結構件的表面，對薄壁結構件進行模態測試，得到薄壁結構件的固有頻率、阻尼比和模態振型；

步驟1.1：設定壓電陶瓷驅動電源的功率放大倍數；在上位機中設定振動分析頻段和振動采樣頻率；在信號發生器中設定激勵電壓值；

步驟1.2：信號發生器發出隨機信號至壓電陶瓷驅動電源進行信號放大，得到高電壓激勵信號，并加載到壓電陶瓷激振器上使其產生振動；

步驟1.3：壓電陶瓷激振器激勵薄壁結構件產生振動；同時，反饋衰減器將壓電陶瓷激振器的高電壓激勵信號進行衰減，得到低電壓激勵信號；

步驟1.4：低電壓激勵信號輸出至數據采集分析儀，同時，激光測振儀獲得薄壁結構件的某一測點的振動響應信號，該振動響應信號與低電壓激勵信號通過數據采集分析儀傳送給上位機；

步驟1.5：上位機根據當前測點的振動響應信號和低電壓激勵信號，得到該測點的振動響應信號相對于低電壓激勵信號的頻響函數；