[发明专利]一种采用类脉冲激励的频响函数测量方法

说明书

技术领域

本发明属于电系统和机械系统频响函数的测量技术领域，特别涉及预期频带的频响函数的高效测量以及强共振频响函数的精确测量。

背景技术

系统的频响函数是系统的响应(输出)信号频谱函数与激励(输入)信号频谱函数之比，可以反映出在频率范围内系统的动力学/电学特性。频响函数方法是测量机械系统和电系统的特性的最重要的手段之一。在快速傅里叶变换(FFT)方法出现之后，为了提高测量效率，人们广泛采用宽频带激励。对于一个系统来说，在测量频响函数的过程中应关注波形畸变，能量泄露以及信噪比等问题。测量出的频响函数的质量是衡量测量方法好坏的最直接的标准。

目前一般采用宽频带激励的频响函数测量方法，该方法更关注于余弦激励的叠加，因为这种激励比较灵活且具有可行性。对于采用这种激励的频响函数测量方法来说，可以保证每个频率点处的能量足够大，降低信噪比。可以证明，当测量时间有限时，随机相位的余弦信号对畸变和干扰具有较强的抵抗力。虽然整周期的随机相位取样能够消除泄露误差，但利用这种方法很难精确测量强共振处的频响函数。

在实际工程中，通常通过加窗来限制积分，同时也会带来能量泄露。当整周期采样时，如果采用矩形窗，则可以消除能量泄露，如果是非整周期采样，结果就很容易受到能量泄露的影响。类脉冲激励法可以在非整周期截取的情况下得到系统精确的频响函数。

在信号的数字化采样过程中，由于被采的模拟信号中存在共生信号，因此易引起频率混淆。由于共生信号频率都大于奈奎斯特频率，因此必须在采样之前通过模拟的低通滤波方式，滤除被采模拟信号中的共生信号，才能保证在采样过程中，不发生频率混淆现象。因此当发现被采信号中存在共生频率，或者不能确定被采信号中是否存在共生频率时，就要对被采信号实施模拟低通滤波，滤除已知或潜在的共生信号，以确保被采信号中没有共生信号，再进行采样，这样的滤波称为抗混滤波。由此需要的抗混滤波器应是模拟低通滤波器。有多种形式的模拟低通滤波器，巴特沃斯模拟低通滤波器因其具有非常平直的通带特性和较宽的线性相位带宽，经常被用作抗混滤波器。偶阶巴特沃斯模拟低通滤波器可以用较少的元器件构成较高阶次的滤波器，在抗混滤波器中被大量应用。

悬臂梁是一个连续弹性体，具有无限多个自由度，即有无限多个固有频率和主振型。在一般情况下，梁的振动是无限多个主振型的叠加，如果给悬臂梁施加一个大小合适的激振力，其频率正好等于悬臂梁的某阶固有频率，就会产生共振，对于这一阶固有频率的确定的振动形态叫做这一阶的主振型，这时其他各阶振型的影响可以忽略不计。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出了一种采用类脉冲激励的频响函数测量方法，该方法可实现频响函数的快速测量，且在测量强共振系统的频响函数时，可获得其他方法难以获得的高精度。

本发明提出的一种采用类脉冲激励测量频响函数的方法，其特点在于，对被测系统(机械系统或电系统)输入一个由在一定频率范围内均匀分布的余弦信号组成的类脉冲激励信号，通过测量输入输出信号的加窗奈奎斯特频谱，可以计算出被测系统在该频段的频响函数。

该方法具体包括以下步骤：

1)确定频率范围：确定所需的被测系统频响特性的频率范围[f_l,f_h]，对于电系统或机械系统，频率范围为0～5000Hz；

2)构造类脉冲激励信号作为被测系统的输入信号：

21)确定类脉冲信号的频率间隔Δf：

其中，T为类脉冲信号的周期，Δf范围为0.005Hz～20Hz，T的范围为0.05s～200s；

22)测量的频响函数频率范围为[f_L,f_H]，2Δf≤f_L＜f_H-Δf，f_H＜f_smax/n_H取f_L和f_H之间(包含f_L和f_H)的整数频率点：

[f_L,f_H]:f_L≤f≤f_H,且f∈I

其中，f_H-f_L的值应能被Δf整除，f_smax为测量仪器的最大采样频率，n_H为每两个频率间隔点间的采样点数，n_H的取值范围为[5,50]；