2.1 纤维增强复合薄板激光扫描测振系统设计与开发

由于纤维增强复合薄板壁厚薄、质量小，传统加速度传感器的附加质量对其固有频率及阻尼的测试精度影响较大；另外，当获得不同测点的响应信号时，不断调整加速度测点也导致测试效率低下。因此，为了高效、准确地获取复合薄板的振动参数，本书首先自主设计并开发了一套基于激光扫描的纤维增强复合薄板振动测振系统。

2.1.1 激光扫描测振系统硬件设计

所开发的激光扫描测振系统的硬件组成如图2-1所示，它不仅能够提高单点测量的效率，还可以连续扫描获取复合薄板X、Y及其交叉方向的振动响应信号。该系统的硬件主要包括PDV-100激光测振仪、45°反光镜、86HS45步进电动机、步进电动机驱动器、R-10控制器以及工字滑台。其中，激光测振仪可通过非接触测振的方式，精确获取复合薄板的振动频率及幅值；45°反光镜则将激光光路从水平方向调整为垂直方向；工字滑台型导轨能实现300mm×400mm的进给范围，且在X、Y方向上，各安装一个86HS45步进电动机来控制滑块的往复运动，用以实现激光的连续扫描，扫描速度可在0～5mm/s范围内进行调节。另外，为了通过Lab-VIEW软件对步进电动机进行控制，还选用深圳市硕科数控科技有限公司的R-10控制器，并通过RS485串口实现数据通信。图2-2给出了激光扫描测振系统的连接示意图。

图2-1 激光扫描测振系统的硬件组成

图2-2 激光扫描测振系统的连接示意图

2.1.2 激光扫描测振系统软件开发

本节利用LabVIEW软件编写了激光扫描控制程序，并设置一系列的虚拟按键来实现不同的测试功能。图2-3给出了激光扫描测振系统所对应的控制软件界面，主要包括扫描方式选择、自动扫描设置和手动扫描设置等三个基本功能。首先，操作者可以输入复合薄板的长度、宽度和厚度，并确定扫描路径的模式（包括行扫描路径模式和列扫描路径模式）；然后，在设置不同的扫描参数之后，包括原点坐标、扫描速度、加速和减速距离、目标位置、向前运动和反向运动等，单击运动按钮，激光扫描系统会自动完成对薄板结构每行或每列的扫描测试任务；此外，在手动扫描界面上还设置有手动启动和停止按钮，在X和Y方向上还设置了扫描速率调节盘和扫描位置调节按钮。可以通过鼠标单击这些虚拟按钮或仪表盘，来手动控制激光点的运动速度、方向和位置。当激光点达到所需的位置后，利用不同的振动激励手段，则可获得复合薄板的各阶模态参数。

图2-3 基于LabVIEW的激光扫描测振系统所对应的控制软件界面

2.1.3 激光匀速扫描的控制方法

在进行激光扫描测试时，为了保证激光以固定的速度，匀速扫描复合薄板的某一行或某一列，需要制定激光匀速扫描的控制方法。将激光点的运动分成三个阶段：加速阶段O₁O、匀速阶段OE和减速阶段EO₂，如图2-4所示。假设s为加速和减速阶段对应的位移，则在实际的激光扫描过程中，加速和减速阶段对应的位移s可表示为

式中，β为步进电动机的角加速度，单位为rad/s²；L为导轨的传动带到电动机轴中心线的垂直距离，单位为m；v为扫描速率，单位为m/s。

进行扫描测试前，必须选择合适的加速和减速阶段对应的位移s，确保激光在匀速阶段进行扫描。这样通过数据提取方法，才能获得正确模态振型对应的信号数据。首先，根据步进电动机的加速能力初步选取角加速度β；然后，由式（2-1）可求得加速与减速阶段的位移s。最后，检验得到位移2s＋l是否符合导轨的扫描范围，否则，还需要调整步进电动机的角加速度β。

图2-4 激光扫描测试时其对应的三个阶段示意图

2.1.4 基于多点弹簧支撑的基础激振工作台设计

由于基础激励方式不会对纤维增强复合薄板参数附件质量和刚度有影响，且该激励方式可以保证较大的振动激励能量，因此，设计了基于多点弹簧支撑的基础激振工作台，其主要由振动台面、复合薄板专用夹具、振动转化底座、电磁激振器、支撑架和支撑弹簧等功能部件组成，其整体结构如图2-5所示，各部分结构型式和功能如下：

1.振动台面和复合薄板专用夹具

振动台面可以将激振能量以基础激励的方式传递给复合薄板专用夹具，并通过台面上的反馈传感器来保证幅度可控的振动激励。复合薄板专用夹具共包含四套压紧模块和四套固定模块。其中，固定模块固定在振动台面上，其中央形成了一个固定槽，实验时可将纤维增强复合薄板置于固定槽中，并通过压紧模块上的M12螺栓压紧。调整压紧模块和固定模块的数量，则可以有效模拟测试复合薄板所需的单边、对边、四边固支等多种边界条件。

2.振动转化底座

振动转化底座的作用是将电磁激振器的振动能量有效传递给振动台面。在其四边上设计了安装孔，通过螺栓连接在振动台面底部的螺栓孔上，同时还设计了加强筋，以保证结构具有较强的刚性。另外，为了保证较好地传递激振能量，避免带给激振器附加质量影响，还对振动转化底座进行了减重优化设计。

图2-5 复合薄板激振工作台结构模型

3.其他结构

其他结构包括电磁激振器、功率放大器、支撑弹簧。电磁激振器为联能JZK-100，通过配套YE5878功率放大器，其最大激振力可达1000N。支撑弹簧为弹簧钢材料，弹簧刚度约为13.5N/mm。

2.1.5 复合薄板激光扫描测振系统的组配

利用上述完成的激光扫描测振系统硬件、控制软件和复合薄板激振工作台，结合LMS便携式数据采集仪、机柜等设备，可组配获得复合薄板激光扫描测振系统，其实物图如图2-6所示，利用该系统，可以对复合薄板结构的线性及非线性振动特性开展一系列测试研究。需要补充说明的是，该扫描测振系统被安装在具有一定刚性且符合测试要求的机柜上。其中，机柜被独立安放在底面上，与复合薄板激振工作台互不影响，以避免复合薄板的振动传递给机柜。为了从多角度观测纤维增强复合薄板的振动情况，在机柜的顶部、前部和右部均留有玻璃窗。激光扫描测振系统则安装在机柜上面，激光测振仪发出的激光束可以透过顶部玻璃窗投射在被测板试件上，进而测试其振动响应。另外，机柜内侧左边安装了一盏普通照明灯，左上角还安装了报警灯，当振动幅度过大时，报警灯会发出报警信号。

图2-7给出了组建完成的纤维增强复合薄板激光扫描测振系统示意图及其测点位置，测振系统主要包括笔记本电脑工作站、电磁激振器、LMS便携式数据采集仪、激光扫描测振系统硬件。其中，LMS便携式数据采集仪可发出激励信号，并通过功率放大器将信号放大，进而控制电磁激振器实现振动激励。电磁激振器的振动将作用在振动转化底座上，并通过基础激励的形式传递给被测板试件，最后，可通过激光扫描测振系统来高效获取复合薄板任意位置的振动响应。主要实验仪器及其型号见表2-1。

图2-6 复合薄板激光扫描测振系统

表2-1 主要实验仪器及其型号

图2-7 复合薄板激光扫描测振系统示意图及其测点位置