模态激振器FAQ

传统的振动测试使用普通的激振器安装设计，测试结构直接连接在衔铁顶端并加以振动，再控制加速度来进行监测。测试物体受操作环境、频谱和其他因素影响。下图是一种常规的组装

新式模态激振测试早期，常用小型激振器来提供低级激振以获取频率响应方程。通常激振器使用激振杆来传递力(当时激振杆的作用是把激振器和测试结构分离开)

因为这些传统激振器通常用于基本激振，衔铁组装不是十分理想。一般使用一些左右旋螺纹和套环来简化激振器组装。无论怎么连接，在两端都装上螺纹是十分困难的。另外，还必须考虑激振器的位置和激振杆的长度。如果激振杆长度改变，那就必须对激振器重新进行平衡定位。总而言之，使用传统激振器来进行模态测试十分复杂。

介于以上原因，发明了更适合模态检测的新型激振器。而后 又诞生了带有弹性夹头的通孔衔铁，十分易于调节。激振杆可以自由穿过通孔，另一端用螺丝连接力传感器，经过适当平衡后，截取好长度，再用弹性夹头固定住。部件图参见下图，安装视频请点击http://www.youtube.com/watch?v=VP_X-8TUtOU 这个设计兼容不同长度的激振杆。组装起来十分简单，很难想象没有这个设计应当怎样组装激振器。 

很多时候激振器很难进行地面支撑，像下图所示的2050A横向激振支架。在这些情况下，激振器可能使用支撑缆绳进行悬挂而后再连接测试结构。这就需要在耳轴基座上附加质量块来增加惯性，通常只有在10-Hz以下的低频率才存在这个问题。

激振器对齐十分重要，明显的偏离可能会由于横向负荷过大而磨损或损坏激振器衔铁。另外，由于横向负载过大，会导致力的测量出现偏差，进而导致响应函数错误。任何激振器测试中的偏离都会导致测试困难。在实际应用中应当特别注意这一点来减少误差。

(在之后的更新中，会增加对齐不当对频响函数的影响图像)

在激振器测试组装时，通常激振杆需要插入衔铁通孔中，另一端连接力传感器或阻抗头。松开弹性夹头就可以对激振杆长度进行调节，从而力传感器或阻抗头就可以附着在测试结构上进行测量。通常需要使用牙科粘合剂或超级胶水来把安装垫粘在测试结构上，在此之前还要用一段铝箔胶带保护测试结构。

如果对齐正确的话，激振杆很容易就可以从力传感器或阻抗头上卸下来，并且再装回去的时候不会弯曲。完成这些步骤时应当在不对激振器衔铁增加横向负载的情况下完成，通过夹盘和弹性夹头来确定激振器和激振杆对齐无误。

有时测试结构中可能会有螺纹安装孔用来连接力传感器和阻抗头在这种情况下对齐更加复杂。需要安装孔和激振杆都安在正确的位置。最重要的是激振器必须放在激振杆能正常旋入力传感器或阻抗头的地方，还要保证激振杆不弯曲。

 激振器实际上激振力上限相同，不同的是激振系统(比如说电动激振器附加其他的配件，比如冷却包)的激振范围。举例而言，2100E11模态激振器的激振力上限是445N。为了达到这个最大力，功率放大器必须提供合适的功率，比如说1000W的2100E18功率放大器。除此之外为了不损坏激振器，必须使用气冷系统来冷却。比如2050E03冷却包。

对于常规模态应用，通常需要低激振力，因此可以使用像2050E05或者2100E21-400一样的功率放大器来对K2100E11和K2100E035激振系统来进行功率放大。系统测试的优点包括功率放大器输出电压电流实时监测，安全开始，和连接2100E11机械限制开关的安全锁来防止激振器衔铁偏移。功率放大器输出400W时，系统最高的峰值力是156N。

 当使用激振器进行试验模态分析时，在将激振器连接到测试结构之前，通常所有的加速度计都安装完毕，所有连接测试结构和数据获取系统的电缆业也都组装完毕。激振器组装，激振杆连接和对齐通常是最后一步。如果在其他组装完成之前连接，激振器可能会因为调整结构软支撑或移动结构而造成损坏。进而造成对齐不准导致测量误差。因此在模态测试时，激振器应当最后被组装对齐。

当使用激振器进行模态测试时，如果没有数据获取则应当分开激振器和测试结构。无论是不是将要进行不同测试，或是休息时间(午饭时间或隔夜操作)。这么做是有原因的，测试组装时，测试结构会产生移位。另外弹性绳一段时间后也会变形。测试时可能会对测试结构重新组装来取得多种数据。比如说车空油箱或满油箱时的测试。正是如此，测试系统的重量发生变化，则应当进行重新对齐。

如果激振器在重新组装的时候仍连在测试系统上，则可能会造成侧负载，系统对齐程度也会受影响。侧负载可能会造成激振杆弯曲，还有可能会损坏激振器衔铁。另外一旦对齐受到影响，拆卸的时候也会带来不便。

如果激振器在两个测试周期之间进行过拆卸，那么任何偏移都很容易被发现。如果原始对齐发生偏移，那么必须对激振器进行重新对齐来避免可能造成的误差。

耳轴是激振器系统中十分重要的组件。U行支撑底座支持了电动激振器主体。激振器耳轴基座允许激振器自由旋转，且能进行悬挂横向激振，支持2050A激振器支架。如果没有而轴基座，就会很难进行模态测试安装。耳轴基座允许激振器在不同角度进行安装，支持横向和竖直激振。耳轴基座也方便对测试系统进行对齐。

当组装激振器测试时，激振器必须和测试结构对齐。很多时候激振器的激振力都很低，不需要对激振器进行固定。然而也会有一些测试振动会传导到地面，而地面的摩擦力不足以固定激振器，那么则需要将激振器固定在地面上。对于低激振力，通常使用热胶水。有时热胶水也不足以固定那么则采用螺栓固定。

另一种可行方法是低激振力时将激振器置于沙袋或者橡胶垫上。这种放法比起热胶水来方便快捷，但不一定能保证系统对齐。如果激振器底座振动明显，那么在测试时就要一直注意激振器和系统对齐情况。另外，激振点频响函数也要进行检测来保证系统没有发生大的改变。

如果激振器发生偏移，激振杆和衔铁就可能发生偏移。如前面讨论的，正常对齐是高质量校准的保证，同时也避免损坏激振器。因此，如果支撑结构不稳定的话应当对激振器进行有效固定。大多数情况热胶水能有效地临时固定激振器。如果此种情况发生请参照上一条FAQ。

通常类似型号2050A的激振器支架需要四点支撑来进行横向激振(如图所示)。在极低频率的情况下(5到10Hz)，需要增加惯性质量块来稳定激振器系统。这些重金属块安装在耳轴基座上，为激振器激振提供了惯性质量。

激振杆对齐错误是模态测试中一个常见的问题。如果对齐误差过大，激振器衔铁线圈绕组可能会因为刮擦而损坏。除此之外还会导致频响函数失真。从而无法根据数据估算模态参数。由于其他的测量误差，如噪音，非线性等，这种测量误差通常会被忽视。

激振器对齐失败的主要问题是力传感器或阻抗头传递横向负载到测试平面。会导致实际传递到测试结构上的力失真。因此对齐激振器和测试结构是模态测试中非常重要的一环。

另一个问题是激振点太具有依赖性。这会导致测试系统位移下的激振器冲程不足。位移是一方面因素，激振器线圈速度限制(1.58m/s，对于2100E11大约是62ips)是另外一个因素。这种情况下结构偏移(尤其是共振频率下)激振器跟不上结构的速度和位移。输入力频谱就会出现信号缺失，特别是在共振频率下。很多情况下是由于阻抗头和结构以及激振器不搭配。纠正方法是换一个同样有效的激振点。

激振器在用户遵守操作手册的情况下是不怎么需要维护的封闭仪器。通常对灰尘进行处理就可以正常维护。通常可以使用压缩空气来对内部进行清理。切记在操作之前拔掉激振器和功率放大器之间的电缆。

机械或电子超负荷运行导致挠性片悬挂受损通常可以替换新的挠性片。衔铁悬挂在磁场回路中。前缩式挠性片提供了轴向支撑，同时减少了衔铁横向或径向扰动。使用螺丝刀拆掉激振器螺丝来检查损坏的挠性片。同时要检查褪色和软化的挠性片，通常是在安装点附近。受损的挠性片必须立即更换。在安装和再次使用之前核对激振器衔铁是否位于中心。如果需要修理，应该寄回我们在俄亥俄州辛辛那提市的工厂。请联系The Modal Shop索取返厂仪器授权(RMA)号。

切不可自主修理线圈、激振器外壳或者磁感应线圈。激振器的直流阻抗大约是1Ω(2025E和2060E)，2100E11大约是3Ω到4Ω。使用多用电表检查激振器是否短路或断路。如果测量的阻抗明显的比上述高或低，线圈可能短路，激振器性能就会受影响。这种情况家，激振器应当送回The Modal Shop进行修理。

所有的激振器都有保险丝来防止线圈超负荷工作。2100E11，内置10A保险丝，卸下激振器顶盖即可检查。检查电路和保险丝(备用保险丝位于激振器配件盒中)。不要使用高熔断电流的保险丝，否则可能导致电路超负荷运行。

大多数激振器使用电流功率放大器。对于现在的模态测试而言，这些普通的激振器可能不能提供高质量的频响函数。特别是目前广泛应用于模态测试的猝随机激振。使用猝随机激振时，系统响应在FFT分析仪捕获周期前需要衰减到零。使用电流功率放大器时，激振结束前激振器衔铁会自由悬浮。对于低阻尼系统，激振和响应可能会超过采样周期。

然而，使用电压模式，反电动势(测试结构驱动衔铁产生的电动力)阻碍衔铁运动，使系统更为快速的响应衰减。这看起来似乎不是很合理，但只要输入力在测试过程中是单独测量的就没有问题。(需要注意在这里测试的力不是功率放大器的电子参数)

在某些激振器测试中，测试激振力的同时需要合理的监测电流。因此功率放大器提供了电流监视屏以便于估测输入力。当然这不能代替模态测试中力输入的检测。另外，使用电压功率放大器时输入力必须直接测量。对于模态应用，电流输出不是一种精确的测量方式，尤其是高频率下，激振杆和力传感器组装可能会导致一些误差，这些误差单单使用电流表是监测不出来的。

在某些情况下，力和电流可能同时进行监测。但测量频响函数时仍然必须测量实际输入到测试结构中的力。此过程应压电力传感器，比如PCB288D01阻抗头(适用于模态驱动点测试)或PCB208系列力传感器来进行精准测量。

对于使用大型激振器的振动测试，电流通常是输入力的良好估算标准。然而对于模态测试，激振器通过激振杆连接测试结构。因此，力传感器或阻抗头应当紧贴于测试结构。使用和测试结构分隔的力传感器来测量是没有意义的。测量实际的激振力在任何情况下都不能替代。

根据测试频率范围不同，需要考虑功率放大器频率来确保施加在激振器的激振信号经过正确调制。否则，功率放大器自身会产生驱动信号失真，降低测量质量。

激振杆是使用激振器进行模态测试所必需的。激振器不能直接连接到测试结构上，这会带来十分差的频响函数。如果激振器直接连接到了测试结构上，就会对测试结构造成明显的振动影响，从而导致频响函数失真。

激振杆分离了激振器和测试结构，间接地把激振力传递到测试结构。激振杆具有轴向硬度和横向柔韧度。力传感器具有坚固的外壳，在传递激振力的同时还能测量激振力。因此激振杆传递的横向负载无法进行测量，属于测量噪音。激振杆被设计用来减少或消除这个影响。

当然激振器动力系统不是完美的，实践中总会有一些横轴激振力传递到测量结构中。激振杆具有良好的轴向硬度以及横向柔韧度，可以把这个影响最小化。效果最好的激振杆是钢琴线。比如The Modal Shop K2160G，使用具有通孔的模态激振器，预先对测试系统施加一定程度的张力。钢琴线横向上具有完全的柔韧性，是最理想的激振杆。另一种激振杆设计是一种细长的杆，比如The Modal Shop 2150G12，也使用通孔衔铁设计。由于此种激振杆比起钢琴线仍具有横向硬度，仍然少量传递横向激振力。然而这种激振杆不需要预先施加张力，安装起来十分简便，因此通常用于平衡误差要求和安装难度。

激振杆横向强度造成的影响很大程度上和测试系统的强度有关。如果测试系统自身强度高，那横向扰动通常不是什么大问题。但是，如果测试系统十分薄弱，在激振点上有明显的转动性，那么横向扰动就会是误差的一个重要来源。另外，这些转动影响通常在高频率下会更加明显，因此很难判断实际上的激振力。检测激振杆横向扰动和转动性的影响通常是使用长度+/-10%的激振杆来测试驱动频率下的差值。

钢琴线完美的克服了传统激振杆的横向扰动问题。钢琴线预先施加重于激振力的预重，大约三倍到四倍即可。钢琴线穿过激振器通孔，所以必须使用合适的模态激振器来进行安装。预重设置可以使用重量块或弹性皮带。加置好预重块后，使用弹性夹头来固定钢琴线。只要激振负载低于预载，钢琴线就是模态测试中传递激振力最好的工具，消除了常规激振杆的横向强度问题。

激振杆的长度是模态测试中的一个难题。激振杆长度太短，测试结构和激振器得不到足够分离，激振器产生的动力则会影响到测试结构。激振杆长度太长。在测试频率内激振杆可能会弯曲，从而造成激振力不足。这种影响会在力传感器功率谱中显示出来。通常激振杆应当足够长来保持横向柔韧性，同时也要足够短来保证在不弯曲的情况下传递轴向力

(在之后的更新中，会增加具体数据来更好地说明这个问题)

模态激振杆专门为模态测试需要而设计。通常使用带有通孔设计的激振器和夹盘、弹性夹头组装来固定激振杆。激振杆在连接力传感器或阻抗头后可以进行对齐，然后很容易就能进行固定。细杆的横向强度十分低，有效地减少了横向激振力的传递。2150系列直径只有1/16，2155系列直径只有3/32，末端焊有10-32螺栓用于连接力传感器或阻抗头。也可以使用常规激振器(非模态测试专用激振器)的传统螺杆，但组装起来相当复杂。这些激振杆设计采用螺纹设计，同时连接测试结构和激振器的螺孔更为复杂。同时这些激振杆具有更高的横向硬度，不能吸收横向激振力，容易造成测量误差。

激振杆用来传递轴向激振力。很难对激振杆修正的误差进行估算。激振杆越粗，越能适应对偏的情况，但同时横向扰动造成的激振器也越多地输入到测试结构中，从而造成测量误差。激振杆越细，对偏就越可能弯曲激振杆，还有可能造成损坏。然而激振杆相对而言不是很昂贵，通常作为测试组装的机械保险丝。如果继续弯曲激振杆，造成损坏，那么就表明对偏程度较大。测量数据中的数据质量也不是十分可靠。这些不仅和激振杆有关，也和测试结构以及测试频率有关。

铝复合管通常用于给激振杆提供额外的强度。有时我们在邮寄时会安装好以便于用户进行模态测试。很多时候铝复合管提供了过多的横向强度，造成了测量误差。测试是否造成影响的方法是进行安装铝复合管和不安装铝复合管对比测试，而后再使用长激振杆进行结果对比。如果测试结果相差不大则表明没有问题。如果差别较大，则需要对测量结果和哪一个激振杆更适合测量进行判别。

安装传感器时要特别注意的一点是力传感器是单指向的。力传感器是力传感器的两个安装面只有一个能用于测量，图例中的PCB 208系列中标有TOP和BASE。208系列传感器可装于2155G12激振杆。注意对于此类型力传感器“TOP”是传感面，应当安装在测试物体上。一些传感器像PCB 288D01阻抗头，对于哪一面应当安在测试物体上有明确的指示。无论哪种情况，都应单仔细的阅读传感器用户手册来了解哪一面用于准确测量。这是由于力传感器自身具有重量和强度。只有一面能进行准确测量，必须正确安装。

另外一点，力传感器必须直接安装在测试面上，夹在激振杆和测试物体之间。如果力传感器安装在激振器一边，那么激振杆的运动就变成了模态函数的一部分。通常此问题只出现于老式模态激振器。模态激振器带有通孔装置，不会出现错误安装的问题。

力传感器通常使用螺纹安装，用牙科粘合剂、双组份环氧树脂胶或者 氰基丙烯酸盐粘合剂(502或者乐泰产品)。通常在测试物体上先粘一段铝箔胶带，再把安装垫连接到胶带上来保护测试物体。牙科粘合剂是最理想的因为它强度极高，能满足常规模态测试频率范围所需要的坚固性。如果测试结构可以打孔并能嵌入螺纹的话，直接连接传感器会是最佳的选择。

阻抗头，例如PCB压电288D01.，是一个能测力输入以及作用点响应的传感器。现在的阻抗头通常由加速度计和力传感器组成。但早先却是由速度传感器和力传感器组成。这是试验模态分析中特别重要的量值，通常使用阻抗头来测量。也可以使用组合在一起的力传感器和加速度计，但是在方便性、准确性以及互易性检验方面比不上阻抗头。

模态测试的激振力通常都很低。尤其当使用高敏感度传感器和高效数据获取系统(24位技术如今已成为了商业标准)时更没必要使用较高的激振力。只有当结构需要时才使用较高的力。实际上，高力度的激振可能会过度驱动测试结构，造成系统非线性，误差会比低力度的激振高。因此，在大型的结构上，通常使用多个激振器来平均分配激振力。

某个模态测试中具体需要几个激振器，这个问题通常很难回答。通常分析系统受限于信号获取系统中输出源的数量以及现有的模态激振器数量。一般测试两到四个激振器就已足够，即使是测试像汽车或飞机这样的大型结构。使用五个激振器的测试很少。总而言之，需要有足够多的激振器来获取测试结构的振型和良好的频率响应。这包括使用多个激振器来解出重根和相似的振型.

激振点的选取要依据频率和模态振型。因此经常使用冲击力锤(例如PCB 086系列)来进行预先分析，并且要使用加速度计来测试激振点的振型。冲击力锤使用十分方便，可以手持进行多点测试以确定最佳系统响应位置。而后可以在这些点组装激振器来同时分析这几个点。

激振器的位置在模态测试中叫做激励点位置。如果选择不当的话，一些振型可能无法正确测量。这也是为什么要进行多次测试的原因。即使使用多点测试，也必须仔细考虑激励点位置。振型的提取必须通过正确地选择激励点。

如今模态测试中主要使用猝随机激振，比随机、正弦鸟鸣和数字级形正弦更为常见。以下将简要讨论这几种技术(其他像伪随机、周期随机、猝鸟鸣和其他激励信号介于篇幅限制在这里不作讨论)

随机激振信号是最早使用的技术因为它容易生成。随机激振的问题是信号在FFT测量周期中不是周期性的，需要窗函数来调制信号泄漏问题。即使使用窗函数，频率响应也会受到泄漏限制，尤其是共振频率。

正弦鸟鸣信号是一种非常好的技术，具有很高的线性。信号是一种从低频到高频的快速的扫描正弦。因此信号在采样周期内具有周期性。可以得到稳定的响应函数。鸟鸣信号不需要使用窗函数，也不会发生信号泄漏。

猝随机激振是上世纪八十年代早期发明的，一直是试验模态测试中一种常用的激振信号。大多数激振器模态测试都使用猝随机技术。

猝随机是这样形成的：随机信号生成后只作用于部分的数据块。在这种情况下，激振信号在FFT分析仪的一段采样周期中就可以被检测到。因此不需要使用窗函数，因为捕捉信号时没有发生泄漏(注意：测试结构的响应信号也可以在FFT分析仪的一段采样周期中检测，不需要使用传函数，信号没有发生泄漏。) 然而，激振信号一旦关闭，测试结构就会根据系统阻尼而指数型衰减。如果系统响应在采样周期内没有消失，那猝随机信号需要被减短直到信号在采样周期内消失。猝随进信号可以通过指定激振数据块的百分比来进行控制。通常适用于大多数结构。

多点输入多点输出(MIMO)测试要求使用多个激振器来提供互不相关的信号。这要求模态测试时所有的激振器同时连接到测试结构，同时数据分析系统分别获取互不相关的输出信号。

看起来使用一套激振器系统进行多点测试是可行的，但这样得到的频响函数之间不一致。造成这个结果的因素有很多，比如振动传感器时的质量不一致，测试结构质量和刚度造成的环境改变等。当结合多组数据会发现频响函数与同时进行收集得到的不一致。最好的测量结果是所有的测试数据都是在同一瞬间获取的。消除了时间差和系统稳态造成的影响。

为了说明这一点，使用单点输入单点输出(SISO)来对两个不同点使用互易性检验。每一项测量都测试两次，第一次使用随机信号，第二次使用猝随机信号来说明区别。结果如下图。注意随机信号变化很大，即使使用窗函数还是存在数据泄漏。两组数据之间有明显不同，这与数据一致性不符。

对以上测量又进行了MIMO测试。再一次使用了随机信号和窗函数，以及猝随机信号。注意使用随机信号的MIMO测试仍然存在偏差。使用猝随机信号的测量结果是最准确的，互易性检验结果也很明显。