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。这次我们将继续介绍通过来自外部设备 (如激振器控制器) 的正弦扫描信号测量频率响应函数的方法。
由于正弦波频率的变化与分析器的FFT操作无关，因此，如果正弦波扫描速度过快，使用外部设备的正弦扫描信号的方法将不会产生正确的结果。这次，我们将向您展示当扫描速度太快时，每个通道的功率谱值如何小于原始振幅。
根据来自外部机器的信号的频率响应函数测量
图 1 展示了一个系统配置示例，该配置利用来自外部设备的正弦扫描信号测量频率响应函数，如前文所述。在该示例配置中，带有振荡器的控制器输出正弦扫描信号，使激励器振动。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）。
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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
扫掠速度估计值
如上次介绍的那样，频率范围、采样点数、FFT时间长度和理想扫掠速度
之间的关系如下式所示。表1提供了这些示例。
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] ÷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 |
39.06 |
|
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 |
25.00 |
|
1000 |
1024 |
2.50 |
0.40 |
6.25 |
基于来自外部设备的正弦扫描信号的测量示例
图2-1、图2-2和图2-3表示测量从外部设备输入的正弦扫描信号时的功率谱。频率范围为400 Hz,采样点数为1024个点，频率分辨率为1 Hz,理想扫描速度为1 Hz/秒。功能发生器输出振幅为0.1 Vrms、频率范围为20 Hz至200 Hz的正弦扫描信号。扫描时间和扫描速度分别为180秒 (1 Hz/s)、45秒 (4 Hz/s) 和11.25秒 (16 Hz/s) 3种，分别是测量条件所要求的理想扫描速度的1倍、4倍和16倍。
每个测量结果的上部是测量正弦扫描信号时的功率谱。
下段为频率为100 Hz时的瞬时光谱，将50 Hz至150 Hz的范围放大后显示。
输入信号的振幅值为0.1 Vrms (-20 dBVrms)，但扫频越快，功率谱振幅值越小，扫频速度为1 Hz/s时约为-21.6 dBVrms,扫频速度为4 Hz/s时约为-22.1 dBVrms,扫频速度为16 Hz/s时约为-26.3 dBVrms。
另外，从瞬时光谱来看，扫掠速度越快，100 Hz成分的峰值宽度越宽，相应地峰值高度越低。
在此测量条件下，FFT时间长度为1秒。100 Hz时的瞬时光谱需要1秒的时间波形。当扫掠速度为16 Hz/秒时，由于时间波形包括从频率为92 Hz到频率为108 Hz的时间波形，因此从该时间波形获得的瞬时光谱将横向扩展，并且峰值 (振幅) 将降低。
要避免这种情况，必须降低正弦波的扫掠速度，或更改测量条件以获得更高的理想扫掠速度。
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图2-1正弦扫描信号的测量结果示例(扫描时间:180秒，扫描速度:1 Hz/秒)
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图2-2正弦扫描信号的测量结果示例(扫描时间:45秒，扫描速度:4 Hz/秒)
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图2-3正弦扫描信号的测量结果示例(扫描时间:11.25秒，扫描速度:16 Hz/秒)
基于来自外部设备的符号扫描信号的测量示例 (日志符号扫描)
上面介绍了具有恒定每秒频率变化率的“线性正弦扫描信号”的测量结果。符号扫描信号的测量可能使用“日志扫描信号”，其频率越高，扫描速度越快。
“日志扫描信号”的扫描速度表示频率在一秒钟内变化1个八度，例如1个八度/10秒。这里的一倍频程是指频率加倍之前的频率范围。
图3表示测量从外部设备输入的登录扫描信号时的功率谱。频率范围是400 Hz,样本数量是1024个，频率分辨率是1 Hz。功能发生器输出了振幅为0.1 Vrms、频率范围为20 Hz~320 Hz、扫描时间为40秒的logsign扫描信号。扫掠速度为1倍频程/10秒。从频率20 Hz到加倍40 Hz的时间是10秒，从40 Hz到80 Hz是10秒，从80 Hz到160 Hz是10秒，从160 Hz到320 Hz也是10秒，并且从20 Hz到320 Hz扫描40秒。
频率越高，扫描每单位时间的速度越快。扫描速度为1.4 Hz/秒 (20Hz)、2.8 Hz/秒 (40 Hz)、5.5 Hz/秒 (80 Hz)、11.1 Hz/秒 (160 Hz) 和22.2 Hz/秒 (320Hz) 。
从图3可以看出，频率越高，功率谱的振幅越低。这是因为频率越高，每单位时间扫描的速度就越快。另外，在313 Hz附近有光谱缺陷。这是因为扫描速度太快，无法及时完成FFT操作。
因此，当使用FFT分析测量频率响应函数时，logsign扫描信号不适合作为信号。如果只能使用日志符号扫描信号，则可能需要缩小要测量的频率范围，或者更改测量条件以获得更快的理想扫描速度。
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图3正弦扫描信号的测量结果示例 (1倍频程/10秒)
总结
这次，关于来自外部设备的符号扫描信号的测量，介绍了线性符号扫描信号和日志符号扫描信号的测量示例。
在这两种情况下，如果正弦扫描信号的扫描速度太快，则无法正确测量。
在这种情况下，需要降低扫描速度或更改测量条件。
此外，如果可以选择线性正弦扫描信号和日志正弦扫描信号，请使用线性正弦扫描进行测量。
(摘自2016年4月21日发行的电子邮件杂志)
