利用示波器FFT功能簡(jiǎn)化振動(dòng)分析

無(wú)論是普通消費品還是工業(yè)機械，振動(dòng)分析在產(chǎn)品設計過(guò)程中都是必不可少的一步。設計工程師需要了解并解決振動(dòng)帶來(lái)的影響，以確保產(chǎn)品的壽命、安全性和可靠性。過(guò)去完成這項工作要用昂貴復雜的工具，使得振動(dòng)分析需要富有經(jīng)驗的專(zhuān)業(yè)人員才能完成，本文介紹用普通帶FFT功能的示波器進(jìn)行振動(dòng)分析，一般機械工程師稍加訓練即可完成這項任務(wù)。

具有快速傅立葉變換(FFT)功能的低價(jià)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本征頻率、共鳴峰值、頻率范圍及衰減曲線(xiàn)等，即使沒(méi)有多少電子測量經(jīng)驗的工程師也只需幾個(gè)簡(jiǎn)單的加速計和連線(xiàn)就可以設定、測量和分析產(chǎn)品的振動(dòng)特性。

它物理現象的頻率分析，但示波器對機械工程師來(lái)說(shuō)還不是很熟悉，尤其是那些旋鈕和按鍵，我們采用了一種簡(jiǎn)單的測試臺(圖1)和一個(gè)振蕩響應“教材”(圖2)使這個(gè)問(wèn)題得到很好的解決。首先在測試臺上安裝一個(gè)實(shí)際測量使用的加速計，然后用一個(gè)擊錘敲打臺面，再用Tektronix TDS系列便攜式示波器捕獲振蕩信號(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蕩效果。改變示波器測量范圍和觸發(fā)設定進(jìn)行多次試驗后，我們逐漸對工作儀器的響應情況越來(lái)越熟悉。

制造系統應用

我們接到一個(gè)任務(wù)要求為SMT電阻設計精密激光切割系統，此時(shí)我們面臨著(zhù)雙重挑戰。首先，激光定位精度在偏差要求上比前一代產(chǎn)品高，數以百計的一個(gè)個(gè)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(jìn)行“點(diǎn)劃線(xiàn)”切割。其次，定位是在一個(gè)系統下進(jìn)行，又大又重的裝載和運輸工具不斷在不同工作臺面移動(dòng)，因此這又是一個(gè)與振動(dòng)有關(guān)的問(wèn)題。

激光切割系統基本設計過(guò)程與我們以前的項目沒(méi)有太大不同，用以前經(jīng)過(guò)驗證的設計和3D模型軟件來(lái)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(gè)動(dòng)態(tài)系統模型和諧波系列。根據這些信息，我們在自己工廠(chǎng)內部裝配了一個(gè)和實(shí)物一樣大小的原型。

下一步就是在系統上面不同的點(diǎn)測量振動(dòng)情況。FEA采用的是3D CAD純數學(xué)模型，它僅僅給出視覺(jué)效果。雖然我們知道FEA的結果很精確，但要用硬件測試來(lái)確認FEA的結果才是最根本的。

為了完成測試，我們請來(lái)一位專(zhuān)家并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(gè)傳感器連接，這兩個(gè)傳感器則裝在被測系統上。Tektronix TDS系列示波器雖然是一種經(jīng)濟型示波器，卻具有強大的FFT特性，其功能可從前面板激發(fā)。

沖擊錘實(shí)驗告訴了我們想知道的一切，示波器的FFT結果與那些專(zhuān)門(mén)信號分析儀的結果相吻合，相差只有幾個(gè)百分點(diǎn)，因而也與有限元分析相吻合。由于我們以前對自己的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。

當然，FFT不能像FEA那樣產(chǎn)生工業(yè)標準格式振蕩分析結果，但是我們證明它可以提供很好的相關(guān)數據，在機械設計時(shí)能用這些數據進(jìn)行最初驗證。示波器作為一種工具，在花錢(qián)雇請那些高級專(zhuān)家和購買(mǎi)昂貴測試儀器前可用來(lái)做很多基本的事情，例如現在我們用簡(jiǎn)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(chē)產(chǎn)品振動(dòng)研究

我們還用示波器分析了一個(gè)完全不同的振動(dòng)項目，該項目要求我們測量在汽車(chē)前座上方的弓頂支撐梁上裝設一個(gè)專(zhuān)為汽車(chē)設計的DVD播放機后產(chǎn)生的應力和偏差，并估計其疲勞壽命。播放機重約五磅，制造商希望確保在日常行駛中它不會(huì )掉下來(lái)。

我們第一步需要得到描述弓頂梁本征頻率的一些基本數據，由于商業(yè)競爭的關(guān)系，汽車(chē)制造商很少提供這方面的信息，所以我們不得不又用到?jīng)_擊錘和示波器。錘子的壓電輸出提供一個(gè)信號觸發(fā)示波器，以獲取裝在橫梁上的加速計產(chǎn)生的信號。圖3是激發(fā)的波形(不是FFT波形)，用示波器自動(dòng)頻率測量功能得到的數據顯示它的本征頻率是47.4Hz，阻尼系數為0.29。

下一步，我們在SUV測試車(chē)上裝一個(gè)儀器做動(dòng)態(tài)測試，這樣做的目的是想得到在弓頂梁的本征頻率下，加載3G動(dòng)態(tài)負載后最壞情形的邊緣條件數據，將這些信息與用其它方法得到的結果聯(lián)系起來(lái)，就構成了估計等效靜態(tài)負載的基礎。這也是客戶(hù)所需要的數據，可用來(lái)驗證新設計以及在汽車(chē)頂上安裝DVD播放機后的情況。

馬達驅動(dòng)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(shí)我們將它裝在SUV測試車(chē)弓頂梁中間位置，直接測量關(guān)注點(diǎn)(POI)的加速度和偏移。雖然開(kāi)始時(shí)這個(gè)信息很有用，但是我們的最終目的是要了解整個(gè)汽車(chē)底盤(pán)的加速度和偏移以及它們與POI的相互關(guān)系。由于在弓頂梁直接安裝測試設備結果偏大，因此測試結束后我們決定采用另外一種測試方法。

在第二個(gè)測試車(chē)中，我們將測試設備安裝在轎車(chē)車(chē)廂里，這樣可以更真實(shí)地模擬車(chē)輛行駛過(guò)程中的實(shí)際振動(dòng)情況。我們用示波器測量POI的本征頻率和阻尼，并在汽車(chē)底盤(pán)不同的位置測量加速度。POI本征頻率測試的FFT如圖4所示，這里峰值產(chǎn)生在85Hz及以上的頻率，圖形右邊的大毛刺超出了我們研究的范圍，對結果不會(huì )有什么影響。

這些結果后來(lái)也得到了信號分析儀和FEA工具的驗證。示波器對于縮小我們振動(dòng)研究的范圍起了重要的作用，同時(shí)FFT提供給一個(gè)初始結果，這些結果可以用在我們的設計過(guò)程中。對整個(gè)底盤(pán)加速度的研究數據表明，它與弓頂梁的本征頻率間有一定的相互關(guān)系，當底盤(pán)上有加速度存在時(shí)，POI上也可以得到加速度，圖5表示了這種關(guān)系。