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測試與測量  

利用示波器FFT功能簡化振動分析

上網時間: 2003年04月12日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:DSO  FFT  natural frequencies  FEA  vibration analysis 

無論是普通消費品還是工業機械,振動分析在產品設計過程中都是必不可少的一步。設計工程師需要了解並解決振動帶來的影響,以確保產品的壽命、安全性和可靠性。過去完成這項工作要用昂貴複雜的工具,使得振動分析需要富有經驗的專業人員才能完成,本文介紹用一般具備FFT功能的示波器進行振動分析,機械工程師稍加訓練即可完成這項任務。

具有快速傅利葉變換(FFT)功能的低價位示波器是一種功能齊全而又使用方便的工具,它可以幫助機械工程師確定被測物的自然頻率、共振峰值、頻率範圍及衰減曲線等,即使沒有多少電子測量經驗的工程師也只需幾個簡單的加速計和連線就可以設定、測量和分析產品的振動特性。圖2:振盪響應‘教科書’(採用從簡單支撐樑得到的信號與理論自然頻率相比較,簡單支撐樑對每一次敲擊應有清晰、簡潔的響應。這個波形用來驗証設備是否工作正常,人們使用工具是否正確。)

雖然FFT技術廣泛用於振盪和其它物理現象的頻率分析,但示波器對機械工程師來說還不是很熟悉,尤其是那些旋鈕和按鍵,我們採用了一種簡單的測試台(圖1)和一個振盪響應‘教材’(圖2)使這個問題得到很好的解決。首先在測試台上安裝一個實際測量使用的加速計,然後用一個擊錘敲打台面,再用Tektronix TDS系列可攜式示波器擷取振盪信號(即加速計的輸出),從中可以看到波形、FFT結果以及錘子重量、打擊力度等造成的振盪效果。改變示波器測量範圍和觸發設定進行多次試驗後,我們逐漸對工作儀器的響應情況越來越熟悉。

製造系統應用

我們接到一個任務要求為SMT電阻設計精密雷射切割系統,此時我們面臨著雙重挑戰。首先,雷射定位精度在偏差要求上比前一代產品高,數以百計的一個個電阻排列在半張名片大小的陶瓷基片上,所以定位要求絕對穩定一致,以便準確地在元件上面進行‘點劃線’切割。其次,定位是在一個系統下進行,又大又重的裝載和運輸工具不斷在不同工作台面行動,因此這又是一個與振動有關的問題。

雷射切割系統基本設計過程與我們以前的計劃沒有太大不同,用以前經過驗証的設計和3D模型軟體來模擬必需的機械裝置,另外再用有限元分析(FEA)工具構造一個動態系統模型和諧波系列。根據這些資訊,我們在自己工廠內部裝配了一個和實物一樣大小的原型。

下一步就是在系統上面不同的點測量振動情況。FEA採用的是3D圖3:汽車弓頂未加負載時的激勵衰減曲線。 CAD純數學模型,它僅僅給出視覺效果。雖然我們知道FEA的結果很精確,但要用硬體測試來確認FEA的結果才是最根本的。

為了完成測試,我們請來一位專家並使用四通道信號分析儀和一批加速計,我們把示波器與兩個感測器連接,這兩個感測器則裝在被測系統上。Tektronix TDS系列示波器雖然是一種經濟型示波器,卻具有強大的FFT特性,其功能可從前面板激發。

衝擊錘實驗告訴了我們想知道的一切,示波器的FFT結果與那些專門信號分析儀的結果相吻合,相差只有幾個百分點,因而也與有限元分析相吻合。由於我們以前對自己的FFT圖形已有很熟悉的感性認識,因此可對顯示結果中的相似之處做出解釋。圖4:POI處自然頻率測試得到的FFT圖形。

當然,FFT不能像FEA那樣產生工業標準格式振盪分析結果,但是我們証明它可以提供很好的相關數據,在機械設計時能用這些數據進行最初驗証。示波器作為一種工具,在花錢聘請那些高級專家和購買昂貴測試儀器前可用來做很多基本的事情,例如現在我們用簡單具有FFT功能的示波器及自己的工程師就可以確認我們的FEA模型是正確的。

汽車產品振動研究

我們還用示波器分析了一個完全不同的振動項目,該項目要求我們測量在汽車前座上方的弓頂支撐樑上裝設一個專為汽車設計的DVD播放機後產生的應力和偏差,並估計其疲勞壽命。播放機重約五磅,製造商希望確保在日常行駛中它不會掉下來。

我們第一步需要得到描述弓頂樑自然頻率的一些基本數據,由於商業競爭的關係,汽車製造商很少提供這方面的資訊,所以我們不得不又用到衝擊錘和示波器。錘子的壓電輸出提供一個信號觸發示波器,以獲取裝在橫樑上的加速計產生的信號。圖3是激發的波形(不是FFT波形),用示波器自動頻率測量功能得到的數據顯示它的自然頻率是47.4Hz,阻尼系數為0.29。圖5:弓頂加速度曲線顯示了底盤加速度與弓頂響應的相互關係,效果最顯著的產生在自然頻率附近。

下一步,我們在SUV測試車上裝一個儀器做動態測試,這樣做的目的是想得到在弓頂樑的自然頻率下,加載3G動態負載後最壞情形的邊緣條件數據,將這些資訊與用其它方法得到的結果聯繫起來,就構成了估計等效靜態負載的基礎。這也是客戶所需要的數據,可用來驗証新設計以及在汽車頂上安裝DVD播放機後的情況。

馬達驅動的測試裝置應有五磅重,離心力臂設計成以不同的速度旋轉,最高為100RPM。最初測試時我們將它裝在SUV測試車弓頂樑中間位置,直接測量關注點(POI)的加速度和偏移。雖然開始時這個資訊很有用,但是我們的最終目的是要了解整個汽車底盤的加速度和偏移以及它們與POI的相互關係。由於在弓頂樑直接安裝測試設備結果偏大,因此測試結束後我們決定採用另外一種測試方法。

在第二個測試車中,我們將測試設備安裝在汽車車廂?,這樣可以更真實地模擬車輛行駛過程中的實際振動情況。我們用示波器測量POI的自然頻率和阻尼,並在汽車底盤不同的位置測量加速度。POI自然頻率測試的FFT如圖4所示,這?峰值產生在85Hz及以上的頻率,圖形右邊超出了我們研究的範圍,對結果不會有什麼影響。

這些結果後來也得到了信號分析儀和FEA工具的驗証。示波器對於縮小我們振動研究的範圍起了重要的作用,同時FFT提供給一個初始結果,這些結果可以用在我們的設計過程中。對整個底盤加速度的研究數據顯示,它與弓頂樑的自然頻率間有一定的相互關係,當底盤上有加速度存在時,POI上也可以得到加速度,圖5表示了這種關係。

作者: David Hiltner


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Tektronix

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機械工程師


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Ben Mergen


機械工程師


Sigma Design




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