如何扩展测试系统的频响范围?

东方所创新技术之系统频响函数实时反演技术 2022-06-13 10:45:16 阅读次数:22394

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摘要:为了有效扩展测试系统的频响范围,本技术创造性地利用软件算法,快速精确测定系统的传递函数,并在信号测试过程中进行实时反演,消除波形畸变。该反演技术可应用在诸如941B(一种测量低频振动的传感器)等传感器上,达到扩展其可用频率范围,提高测试精度的目的,并且不需要额外增加或更换任何硬件,对桥梁等大型结构振动测试十分有利,测试精度更高,误差大大减小。

关键词:频响函数实时反演技术 东方所 创新技术


技术概览

为了有效扩展测试系统的频响范围,本技术创造性地利用软件算法,快速精确测定系统的传递函数,并在信号测试过程中进行实时反演,消除波形畸变。该反演技术可应用在诸如941B(一种测量低频振动的传感器)等传感器上,达到扩展其可用频率范围,提高测试精度的目的,并且不需要额外增加或更换任何硬件,对桥梁等大型结构振动测试十分有利,测试精度更高,误差大大减小。

行业难题

对于动态信号测试系统,频响范围一直以来都是一项影响测试精度的重要指标。以振动测试为例,对于不同的被测结构,工程师们常常需要选择不同频响范围的振动传感器来满足测试需求。

图1是某振动加速度传感器的频响曲线。从图中我们可用看出该传感器在1-10 kHz范围内线性度好,超出这个范围的输出就变为非线性了,如果被测对象实际的振动频率范围超过了1-10 kHz,我们就不得不考虑更换其他传感器来满足当前的测试需求了。例如针对土木行业对测试系统超低频下限频率的需求,图2形象地说明了要想扩展测试系统低频下限,通过更换传感器所需要付出的成本和代价是巨大的。 

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图1 典型加速度传感器的频响曲线

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图2 不同低频下限传感器参数对比

解决方案

针对以上行业现状和难题,为了扩大传感器的可用频率范围和测量精度,东方所提出了实时传递函数反演的解决方案,已在DASP软件中取得成功应用。突破了传递函数的测试及实时控制和反演关键技术,为提高仪器测量精度和拓展频带范围开辟了新途径。

实时传递函数反演技术的实现主要分为两步:

第一步是利用高精度频率幅值计算技术,快速精确测量测试系统的传递函数,包括系统的幅频特性曲线和相频特性曲线,测试流程如图3所示。

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图3 传递函数测试原理图

第二步是时域波形经数据采集仪后变成时间序列数据,由窗函数处理后,经过特有的YSL波形复原技术实现测试信号实时反演,得到真实原始波形数据。其原理如图4所示。

(*YSL高精度频率幅值技术可阅读相关文章“如何实现精确计算动态信号的频率和幅值”)

 

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图4 传函实时反演原理图

技术价值

针对土木行业常用的941B传感器,其低频下限为0.17Hz,使用该方法对941B传感器进行了反演,反演后频响曲线比反演之前的更加平滑,低频下限大大扩展。反演前后幅频特性曲线和相频特性曲线对比如图5和图6所示。

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图5 941B传感器幅频曲线反演对比曲线

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图6 941B传感器相频曲线反演对比曲线

根据图5和图6的对比分析结果可知,东方所提出的反演技术使得传感器的可用频率范围得到了极大地扩展,针对941B传感器其可用频率范围已经由0.17Hz扩展到了0.07Hz,同时,相位偏差也得到了非常有效地校正,性能相当于991B传感器,但传感器体积和成本都没有变化。

传递函数实时反演技术具有很高的工程应用价值,完全通过软件实现,不需要额外增加或更换任何硬件,在数据采集的过程中就完成了反演,实现了完全自动化。

工程应用

目前该技术已成功应用于东方所INV9580系列大型结构振动测试系统中,使用照片如图7所示。使得对大型结构超低频测试有需求的用户,无需更换原有采集硬件,仅通过软件升级就可将低频下限由0.17 Hz扩展至0.07 Hz甚至更低。

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图7带有实时反演功能的INV9580大型结构无线振动测试系统

另外该技术对超低频位移测量也有良好的工程应用效果,如图8所示第一通道为涡流传感器测量的实际变化量,第二通道为低频性能较好的DP传感器,第三通道为普通891-Ⅱ型传感器,可以看出两种传感器对超低频位移信号的测量都不理想,经过频响反演计算后,如图9所示,三个通道的波形重合较好,误差大大减小。

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图8 涡流传感器、DP传感器和891-Ⅱ型传感器测量低频位移的原始数据

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图9 DP传感器和891-Ⅱ型传感器对低频位移信号反演后的对比效果

配合带限信号外推技术,波形实时反演可以用于大型结构超低频测量、动挠度测试、振动控制等多个领域,节省了硬件更换的成本,降低了试验难度,同时提高了测试精度,减小了测试误差,真正实现了“用软件代替仪器”的梦想,体现出了技术创新的价值!