移动力锤法和移动传感器法详细对比

1. 移动力锤法

移动力锤法，也称为** roving hammer test**。

• 核心思想：力锤是移动的，响应传感器是固定的。

• 操作方式：

  1. 在结构上选择少数几个关键点（甚至一个点）固定安装加速度计等响应传感器。这些点被称为参考点。
  2. 用力锤依次敲击结构上所有我们感兴趣的测量点（即“测点”）。
  3. 对于每一次敲击，系统同时记录下：力锤的输入力信号 和 所有固定参考点传感器的响应信号。
  4. 移动力锤到下一个测点，重复步骤3，直到所有测点都被敲击一遍。

• 数据结果：

  • 最终，我们得到一组数据：每个测点的激励力，和与之对应的、来自固定参考点的响应。
  • 在数据处理时，我们实际上是逐行填充频响函数矩阵。每一行对应一个固定的响应点和一个变化的激励点。

• 优点：

  • 传感器布置简单、成本低：只需要少数几个高质量的传感器固定不动，避免了使用大量传感器和长距离的布线。
  • 传感器质量影响小：固定的传感器数量少，可以选用高质量、一致性好的传感器，减少其对模态参数识别的影响。
  • 对大型结构友好：非常适合测试大型结构（如桥梁、飞机机身、船舶），因为只需要移动相对轻便的力锤。

• 缺点：

  • 激励一致性难保证：由于是人工或机械移动敲击，很难保证每次敲击的力度和方向完全一致，可能会引入误差。
  • 可能遗漏局部模态：如果固定的参考点恰好位于某个模态的节点（不振动的点），那么这个模态就可能无法被激发或识别出来。因此参考点的选择非常关键，通常需要根据经验或预测试选择在刚性较大、预计能响应多数模态的位置。
  • 空间分辨率取决于敲击点：结构的振型细节由敲击点的密度决定。

2. 移动传感器法

移动传感器法，也称为 roving accelerometer test。

• 核心思想：激励设备是固定的，传感器是移动的。

• 操作方式：

  1. 选择一个或几个点作为固定的激励点，使用力锤（单次敲击）或激振器（连续激励）在此点进行激励。
  2. 将加速度计等响应传感器安装在一个测点上，进行一次测量，记录下激励信号和该点的响应信号。
  3. 然后将传感器移动到下一个测点，在完全相同的激励下，再次进行测量。
  4. 重复步骤2和3，直到所有测点都测量完毕。

• 数据结果：

  • 最终，我们得到一组数据：一个固定的激励，和所有移动测点的响应。
  • 在数据处理时，我们实际上是逐列填充频响函数矩阵。每一列对应一个固定的激励点和一个变化的响应点。

• 优点：

  • 激励一致性极佳：由于激励点和激励方式固定不变，可以确保每次测量的输入力是完全一致的，数据质量高，重复性好。
  • 易于自动化：如果使用激振器，可以实现完全自动化的稳态正弦或随机激励，信噪比高。
  • 不会遗漏模态：只要激励点选择得当，能够激发出所有关心的模态，那么这些模态就一定会在数据中体现出来。

• 缺点：

  • 传感器布置繁琐、成本高：需要反复移动和安装传感器，对于成百上千个测点的大型测试，非常耗时耗力。同时，为了保证测量的一致性，通常需要使用大量一致的传感器，成本高昂。
  • 传感器质量影响大：如果使用多个传感器同时测量，传感器之间的一致性差异会影响结果。如果移动一个传感器，则每次安装的重复性（如紧固力矩）会引入误差。
  • 对大型结构不友好：在大型结构上移动传感器和重新布线非常困难。

总结与对比

为了更直观地理解，可以参考下表：

如何选择？

• 选择移动力锤法的情况：

  • 测试对象非常庞大，移动传感器不现实。
  • 预算有限，传感器数量不足。
  • 进行快速的初步模态调查。

• 选择移动传感器法的情况：

  • 测试对象尺寸适中，在实验室环境中。
  • 对测试数据的精确度和一致性要求非常高。
  • 使用激振器进行更复杂的激励（如MIMO，多输入多输出）时，常采用此方法的变体。

在实际工程中，有时也会采用混合方法，例如使用多个固定参考点和多个固定激励点，以兼顾两种方法的优点。

频响函数矩阵的介绍

在频响函数矩阵中，行和列分别代表响应点和激励点。这个矩阵是构建整个模态模型的基础。