01.12：测试设置对测量的模态数据有影响吗？

测试设置对测量的模态数据有影响吗？边界条件和加速度计有影响吗？绝对有影响！！！让我们来探讨这个问题。...





测试设置对测量的模态数据有影响吗？边界条件和加速度计有影响吗？

绝对有影响！！！让我们来探讨这个问题。

毫无疑问，测试设置和使用的仪器设备可能对测量数据有影响。当被测对象为小型轻质的结构，如磁盘驱动器、涡轮叶片、壳体、计算机主板和其他一些小型轻质的结构时，这个影响尤为突出。

对于经验丰富的测试工程师而言，可能会明显考虑测试设置和使用的仪器设备对模态测试结果的影响，但是对于测试新手而言，可能不会明显考虑这些事项（最近我看了一篇对一轻质结构进行实验模态测试的报告，报告说进行了许多不同的测试和分析后，揭示了加速度计的质量对结构的固有频率有明显影响。所以，这些明显值得我们进一步讨论）。

从现实角度出发，可以直观地意识到在测试过程中，安装到结构上的仪器设备相当于在结构上直接附加了质量。然而，许多时候，我对大多数不熟悉模态测试的工程师意识不到这一点感到相当震惊。出于某些理由，认为使用的仪器设备是无干扰的。

但是，事实上，安装在结构上的仪器设备，大多数情况下，对测量的频响函数有影响。理论上讲，固有频率跟刚度与质量之比的平方根相关。因此，显而易见，如果测量的加速度计的质量“添加”到结构的质量中去，那么结构的固有频率将会降低。显然，加速度计的质量越大，频率改变越显著。当然，被测对象的大小对这一点也有影响。如果加速度计安装在大型结构上，比如桥梁或者建筑物，那么加速度计的质量影响可以忽略。因此，被测结构的质量和尺寸越小，加速度计的质量影响越明显。

需要着重注意的是参与模态的不是结构的全部质量，而是结构“模态上”活跃的那部分有效质量。比如，考虑对一个带磁盘驱动器和计算机主板的大型计算机机柜进行模态测试。加速度计安装在机柜的主结构部分，可能不会引起任何问题。然而，加速度计安装在配电盘或者计算机主板上或者磁盘驱动器的外壳上，那么加速度计的重量将对测量的频率有明显的影响。经常，人们考虑加速度计的质量是相对于被测结构的总质量而言的，这时总会让人变得很迷惑。其实不然，而应该考虑的是加速度计的质量相对于结构模态上活跃的那部分质量，这时可能明显不同于相对于整个结构的总质量。

说明加速度计质量影响的最好办法是进实验室动手进行一次测试。为了说明质量载荷的影响，对一个轻质的磁盘驱动支架进行测试。这个矩形结构尺寸约为5×3×2英寸，用于安装一些老式的磁盘驱动器。(这些测量并不是我的炫耀点或乐事，但是能清楚地说明质量载荷的影响)。

为了获得典型的频响函数，进行三次锤击实验，分别使用三个质量不同的加速度计。一个非常轻、一个重量适中和一个比较重的加速度计分别安装在支架一侧的横梁上。仅测量x方向的激励和响应，得到驱动点的频响函数，如图1所示。图1为两种极端质量情况下的频响函数。箭头处表示两个频率，两次测量得到的频率分别为260Hz（红色）和271Hz（蓝色）。使用中等质量的加速度计测量为266Hz，图中没有给出。对于这个频率，存在显著的差异。因此加速度计的质量对频率有显著影响，高阶频率受到的影响更大。

另一个重要的注意事项是图示的两个低阶频率，似乎加速度计质量的影响不显著。这两阶模态主要是y方向或者z方向的响应占主导地位。因为驱动点测量是从x方向测量得到的，加速度计实际上位于这两阶模态的节点上，因而可以忽略质量载荷的影响。

因此，由这个简单的测试可以得到两个重要的结论。首先，加速度计的质量对测试有影响。这个结论是正确的，因为定义任何系统的固有频率的公式都包括刚度和质量。其次，加速度计的安装位置对测试也有影响。如果加速度计位于某阶模态的节点（幅值为零的点），那么附加质量对那阶模态将没有影响。如果加速度计位于某阶模态的反节点（幅值最大的点），那么对那阶模态将有最严重的影响。

当然，质量载荷会引起一些问题，特别是要求频率精确测量时。这时可以使用非接触式的测试设备测量固有频率。比如，可用激光测振设备获得高品质的FRF，而不会产生任何质量载荷影响。然而，这些设备通常都很昂贵，不是每个实验室都能用得起。也可以使用电涡流探头或者应变片进行测量，也可以得到相当好的结果。然而，这些类型传感器却不能总是方便地安装到被测结构上。

怎么才能确定质量载荷的影响？最简单的方法是在结构同一位置安装两个加速度计。用这两个加速度计进行一次FRF测量，第二次拿掉一个，只用一个加速度计进行测量。这将能迅速辨别出质量载荷是否是个问题。如果质量载荷有影响，那么必须采取一些调整措施。（这个问题进一步讨论不属于本节的范畴，将在以后某章节中加以叙述。）

但是这儿还有另一个问题，我觉得与质量载荷的影响同样重要，而这个问题几乎总是被忽略。许多模态测量都是在“自由-自由”状态下进行的。事实上，在地球上几乎没有办法能做到完全自由。顶多，我们只能模拟相当接近自由的状态。

使用不同的支承条件对支架进行几次测试，图2给出了三条FRF曲线。绿色为用厚泡沫支承，红色为气囊包装材料支承和蓝色为橡皮条悬挂支承。（关心的频率范围与前面讨论加速度计质量载荷的影响相同。）局部放大图的频率范围从266Hz到272Hz（幅值完全不同）。观察到的频率变化量与加速度计的质量效应引起的几乎相同！因此，当每个人对质量载荷的影响都变得忐忑不安时，却很少有人考虑结构的支承条件，我也嘲笑我自己。显然，支承条件的变化同加速度计质量载荷的影响一样关键。许多情况下，支承条件的影响比质量载荷的影响更重要，因此必须多加注意！

使用实验室已有的仪器进行了上述测试，这些测量迅速说明了你的这个问题。不需要花费太多的力气就说明了质量载荷的影响，但是同时也应该意识到使用支承系统使结构处于“自由-自由”边界状态也同样重要。我希望这些有助于回答你关于测试的问题。如果你还有模态分析其他问题，请咨询我。

注：翻译自Peter Avitabile《Modal Space - In Our Own Little World》

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