本测量专栏收集了您经常向我们的客户咨询室询问的问题，并介绍了答案。上次我们介绍了通过内置在FFT分析器等分析设备中的信号输出模块输出正弦扫描信号来测量频率响应函数的方法。本次将介绍利用激振器控制器等外部设备发出的正弦扫描信号测量频率响应函数的方法。
在上次介绍的使用分析装置内置信号输出的正弦扫描信号的方法中，分析装置在完成频率1点的FFT运算后，可以改变正弦波的频率，因此可以正确测量信号的功率谱和频率响应函数。
由于正弦波频率的变化不受分析器的FFT运算的影响，因此，如果正弦波的扫掠速度过快，将不会产生正确的结果，因此必须在适当的条件下进行测量。此方法也测量频率响应函数。每个通道的功率谱值小于其原始振幅，因此不适合用于测量精确振幅。
根据来自外部机器的信号的频率响应函数测量
图 1 展示了一个利用外部设备输出的正弦扫描信号测量频率响应函数的系统配置示例。在该示例配置中，带有振荡器的控制器输出正弦扫描信号以驱动激励器振动。加速度传感器分别连接到激励器和被测物体上，并根据这些信号测量被测物体的频率响应函数（固有频率）。
在本配置示例中，连接至振动器加速度传感器传感器的通道用作正弦扫描的参考通道。分析装置从输入到参考通道的信号中检测当前输入振动的频率，并使用快速傅里叶变换 (FFT) 计算测量该频率下的频率响应函数。由于控制器输出的是正弦扫描信号，因此可以通过重复 FFT 计算来测量每个频率下的频率响应函数。
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图1利用来自激振器控制器的信号进行振动测量的系统构成例
基于来自外部设备的信号的频率响应函数测量的设置项目
被测量的功率谱-频率响应函数的频率刻度 (频率分辨率) 由频率范围和采样点数的组合确定，如下所示:。在频率范围和采样点数的组合中，选择包含要测量的频率范围的频率范围以获得要设置的频率分辨率。
行数 [点] =样本点 [点] ÷2.56
频率分辨率 [Hz] =频率范围 [Hz] ÷行数 [点]
以下是使用DS-3000系列DS-0321FFT分析软件执行频率响应函数测量的标准设置:。其他FFT分析软件和FFT分析器具有类似的设置，但菜单名称不同。
- 输入/输出设置菜单 ⇒ 系统设置：
请确保用于测量的通道设置为“开启”。
请注意，您无法将图表或其他应用程序中使用的通道设置更改为“关闭”。 - 输入输出设定菜单⇒交叉组合设定:
请确认测量频率响应函数的通道对已登录。 - 输入输出设定菜单⇒频率范围设定:
设定频率范围。 - 输入/输出设置菜单 ⇒ 输入设置：
关闭自动量程功能。
电压范围根据输入信号的幅度进行调整。
如果在测量过程中出现一次输入过载，则应增大电压范围。
将耦合方式设置为“AC”。
连接需要恒流电源的传感器，例如加速度计和传声器时，
打开 CCLD。 - 输入/输出设置菜单 ⇒ 样品条件设置：
样本条件设置为“内部”。
将重叠量设置为“MAX”。
设置采样点数量。 - 输入输出设定菜单⇒单位・校对设定:
根据连接各通道的信号或传感器进行设定。 - 输入输出设定菜单⇒窗函数设定:
设定为汉宁。 - 输入/输出设置菜单 ⇒ 时间轴预处理设置：
为每个频道启用直流消除功能。
其他设置保持“关闭”状态。 - 输入/输出设置菜单 ⇒ 平均值设置：
设置为“Power SP Sweep”。
平均条件设置为“次数”。次数设置将被忽略。
关闭信号输出联动扫描。
将一个通道设置为扫描通道的参考通道。 - 图表窗口:
根据需要
显示每个通道的功率谱、频率响应函数等图表。功率谱、频率响应函数图显示正弦扫描信号
的测量结果。时间轴波形和傅里叶频谱的图表
显示的不是测量结果，而是瞬间输入的信号，因此可用于监视输入基准
通道的信号。
频率响应函数的测量示例
图2显示的是利用外部设备的信号测量滤波电路的频率响应函数的结果。频率范围是20 kHz,样本数量是2048个，频率分辨率是25 Hz。
从功能发生器，振幅为0.1 Vrms,频率范围为4 kHz至14 kHz。
它输出扫描时间为16秒的正弦扫描信号，并将输入信号(CH.1)和
测量了输出信号(CH.2)的功率谱(图1和图2)和滤波电路的频率响应函数 (图3) 。为了确认输入到滤波电路的信号的瞬时频谱，显示了图4段的傅立叶频谱。
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图2频率响应函数的测量结果示例
输入信号(CH.1)包含0.1 Vrms的信号，因此功率谱应为-20 dBVrms,但实际上每个频率的变化范围在-20.5到-21.3 dBVrms之间，并且小于-20 dBVrms。
当正弦波频率是频率分辨率的整数倍 (在本例中为25 Hz) 时，使用汉宁窗的FFT分析可以提供正弦波的精确值，但如果偏离分辨率的整数倍，则可以得到最多1.42 dB的较小值。
由于频率与整数倍的偏差取决于执行FFT操作的时间，因此功率谱值随频率变化。
此外，详细信息将在下一个测量列中介绍，但如果符号扫描信号的扫描速度
太快，则功率谱的值将因此而降低。
由于这些原因导致功率谱值降低的量对于输入信号(CH.1)和输出信号(CH.2)是相同的，因此在计算频率响应函数时会将其取消，从而产生正确的频率响应函数。
频率响应函数测量和扫掠速度的影响
图3-1和图3-2表示改变从功能发生器输出的正弦扫描信号的扫描速度时的频率响应函数的测量结果。频率范围是20 kHz,样本数量是4096个，频率分辨率是12.5 Hz。正弦扫描信号振幅为0.1 Vrms,频率范围为4 kHz至14 kHz,扫描时间为16秒和64秒2种。扫掠速度分别为625 Hz/s和156.25 Hz/s。
在每个图中，第一级是输入信号(CH.1)到滤波电路的功率谱，第二级是滤波电路的频率响应函数。
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图3-1频率响应函数的测量结果示例(扫描时间16秒，扫描速度625 Hz/秒)
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图3-2频率响应函数的测量结果示例(扫描时间64秒，扫描速度156.25 Hz/秒)
图3-1的测量结果是串状数据。在该示例中，频率分辨率为12.5 Hz,但是由于扫描速度太快并且正弦波的频率在1次FFT操作结束之前变化了12.5 Hz或更多，因此无法测量的频率分量数据以串行状丢失。
在图3-2中，由于FFT运算与扫描速度一致，因此没有出现串状脱落的现象。
扫掠速度估计值
如果频率分辨率为12.5 Hz 1次FFT操作需要0.08秒的时间波形。
理想的扫频速度为12.5 Hz÷0.08秒= (1.25 Hz) 2=156.25 Hz/秒，因为在1次FFT操作期间 (80 ms)，频率的变化应与频率分辨率的变化程度相同。
如果来自外部设备的正弦扫描信号的扫描速度高于此值，则可能无法获得正确的测量结果。
频率范围、采样点数、FFT时间长度与理想扫频速度之间的关系为:。
表1列出了这些示例。
行数 [点] =采样点数 [点] ÷2.56
频率分辨率 [Hz] =频率范围 [Hz] ÷行数 [点]
FFT时间长度 [秒] =1÷频率分辨率 [Hz]
扫掠速度 [Hz/秒] =频率分辨率 [Hz] ÷FFT时间长度 [秒]
= (频率分辨率 [Hz] ) 2
表1频率范围、采样点数、FFT时间长度和理想扫频速度的一例
|
频率范围 (Hz) |
样本点 (点) |
频率分辨率 (Hz) |
FFT时间 (秒) |
扫掠速度 (Hz/秒) |
|
40000 |
4096 |
25.0 |
0.04 |
625.0 |
|
20000 |
4096 |
12.5 |
0.08 |
156.3 |
|
10000 |
4096 |
6.25 |
0.16 |
39.1 |
|
5000 |
4096 |
3.13 |
0.32 |
9.77 |
|
2000 |
4096 |
1.25 |
0.80 |
1.56 |
|
1000 |
4096 |
0.63 |
1.60 |
0.39 |
|
20000 |
1024 |
50.0 |
0.02 |
2500.0 |
|
10000 |
1024 |
25.0 |
0.04 |
625.0 |
|
5000 |
1024 |
12.5 |
0.08 |
156.3 |
|
2000 |
1024 |
5.00 |
0.20 |
25.0 |
|
1000 |
1024 |
2.50 |
0.40 |
6.25 |
如果在测量频率响应函数时遇到问题，请检查扫描速度，如果扫描速度与上述理想
速度相比太快，请尝试降低扫描速度。
无法更改扫描速度时，请减少样本数量。
将样本数量减半可将扫描速度提高4倍。
例如，如果频率范围为2 kHz,采样点数为4096个，则频率分辨率为1.25 Hz,理想的扫掠速度为1.56 Hz/秒。以此速度扫掠1 kHz范围需要640秒 (少于11分钟) 。如果采样点数为2048个点，则频率分辨率为2.5 Hz,理想的扫描速度为6.25 Hz/秒，并且在1 kHz范围内的扫描仅需160秒。
1024个样本的频率分辨率为5 Hz,理想扫描速度为25 Hz/秒
扫描1 kHz的时间为40秒。
总结
这次，关于通过外部设备的正弦扫描信号测量频率响应函数的方法，介绍了正弦扫描信号的扫描速度过快时发生的现象和扫描速度的估计值。扫掠速度过快时还会出现其他现象，因此我们将在下一列测量中介绍它们。
(摘自2016年2月18日发行的电子邮件杂志)
