m+p 分析仪基础知识
了解我们的 NVH 软件产品 m+p Analyzer的基本功能。
我们将从基本的振动数据显示开始,逐步深入到数据处理、过滤以及后处理和高级数据可视化等更复杂的功能。我们将通过动画图形来说明这些功能。
m+p Analyzer 提供四种不同类型的图表,以满足特定的数据分析需求:
- 二维单图表
- 二维多图表
- 三维瀑布图
- 彩色图表
在第一期中,我们将介绍二维图表的功能,包括图表布局、在线数据显示和基本分析功能。
基本图表和定位
单图表和多图表是获取和查看测量数据时使用的主要工具。单图表可在一个图表中显示多达 256 条轨迹,并在测量过程中不断更新。多图表工具可用于更有条理地显示数据。可同时对多个图表进行缩放,并在单独的子图表中一起显示轨迹组。与网页浏览器类似,所有图表可在工作平面上并排或以标签形式自由排列。
具有不同比例坐标轴的单一图表
图表可配置为在右侧显示具有独立缩放比例的辅助坐标轴,从而简化不同单位数据的采集,例如加速度 [g] 和力 [N]。在测量过程中,可在线自动比较正弦波之间的相位差等信号。
图表格式
单图和多图均可完全自定义。标题、图例、注释和绘图区域的大小和颜色可根据用户的偏好进行定制。网格和轨迹可以单独着色和设计。
图表在线显示
m+p Analyzer 的实时 FFT 功能可在线显示根据测量数据计算出的不同指标。这包括窗口时间信号的实时频谱、直方图、自相关和交相关、功率谱密度、自功率谱和交功率谱以及频率响应函数。
图表轴显示
图表的显示类型可单独定制,以满足特定测量类型(如频率响应函数)的要求。常见的坐标轴类型有实数/虚数、幅值/相位、对数/相位和 dB(参考)/相位图,并有不同的缩放类型,如峰值、峰峰值和均方根值。
m+p Analyzer 提供四种不同类型的图表,以满足特定的数据分析需求:二维单图表、二维多图表、三维瀑布图和 Colormap 图表。m+p Analyzer 基础知识 "系列的第二篇文章将重点介绍二维图表的高级功能。
图表概览 缩放
概览功能在对大型数据集进行后期处理和审查时非常有用。它允许选择一个缩放区域,并在概览栏中平移该区域,以获得数据子集的特写视图。
时间历史上的图表光标
要查看特定时间的数据值,可以使用垂直和水平光标。除图表外,还可显示光标位置的有用指标。多个光标可以通过 "带状光标 "功能连接起来,从光标将与主光标一起在给定距离内移动。利用 "寻峰 "功能,可以轻松跟踪极值及其相对距离(时间或频率),并显示在图表图例中。
光谱上的图表光标
二维图表提供专门定制的光标,用于分析频谱(基本上任何有频率轴的东西)。谐波光标根据主光标的频率,在 1、2、3......谐波的频率位置显示从光标。边带光标在主光标左右两侧等距显示从光标。
转速表工具
转速工具可用于从转速信号或正弦波中提取转速值。这是一个简单的工具,可在采集时实时使用。更高级的功能 "转速花键拟合 "和 "转速提取器 "是 m+p 分析仪 "旋转 "工具箱的一部分,可用于更复杂的转速提取方法,例如平滑提取的转速信号和从振动数据中提取转速。在下面的示例中,我们将展示二维图表自带的基本转速工具。假设记录了从 20 Hz 到 100 Hz 的正弦扫频。现在我们可以配置转速计工具,显示转速,在正弦扫频的情况下,转速范围为 1200 至 6000 RPM。结果既可以显示为原始数据上的光标,也可以显示为 "转速随时间变化 "的新信号。在本例中,我们使用的是正弦扫频,但任何矩形脉冲序列(通常由转速计测量)都适用。
参考轨迹
可在二维图表中叠加参考轨迹,以实时比较之前获取的结果和当前获取的数据。除了将记录的测量结果显示为参考,该功能还可以在测量力等时间信号时显示上下限。在下面的示例中,我们将展示如何将之前获取的频谱设置为参考轨迹,并执行多个脉冲响应测量,然后将其与参考响应进行直观比较。小贴士 按住 "alt "键的同时将测量数据拖放到图表中,即可快速添加参考轨迹。
在 "m+p 分析仪基础知识 "系列的上几期中,我们介绍了二维图表的基本功能,如格式化和定位,以及更高级的功能,如不同类型的光标和参考轨迹。本期将专门介绍数据处理。 m+p Analyzer 在 "模态分析"、"旋转分析 "和 "声学分析 "等软件包中提供了丰富的数据处理功能。然而,基本的分析功能已包含在二维图表中,所有客户均可使用标准许可证。
在线计算
可以对二维图表进行配置,以便对当前显示的数据进行基本计算。这些功能包括时域和频域的积分和微分、带有 A、B、C 加权的倍频程频谱、轨道图等。所有计算均可按任意顺序连续进行,并在运行时应用。下面的动画展示了如何在测量过程中将加速度数据整合为速度或位移数据。
应用实例: 期刊的轨道图
在应用实例中,我们将使用我们的演示器进行旋转分析,如平衡和轨道分析。
在左边的日志上,我们放置了两个加速度计,用于测量 X 和 Y 方向的振动。现在,我们可以在图表中将这些加速度积分两次,得到位移,然后设置轨道图。这将显示演示器运行时轴颈在 X-Y 平面上的移动情况。
在实际应用中,人们通常也会对时间历史和光谱感兴趣。在这种情况下,我们会设置不同的图表来显示所需的指标。下面的动画展示了一个典型的设置,以及如何导出和导入这样的设置以便重复使用。
m+p Analyzer 提供四种不同类型的图表,以满足特定的数据分析需求:二维单图表、二维多图表、三维瀑布图和柱状图。本期我们将介绍三维图表及其在线功能。
Basic 3D Chart Displays
3D 图表根据时间、频率或转速等第三轴显示一组波形。适用的波形包括时间历程、频谱、FRF、PSD 等。与二维图表一样,三维图表的格式和属性也可以轻松编辑并存储为模板,另请参见 Issue 1: Basics of 2D Charts. 下面的动画展示了不同样式的图表: 在测量过程中会记录多个光谱并显示在瀑布图中。用户只需双击图表,即可在瀑布图和色谱图之间轻松切换。在本例中,我们将瀑布图配置为显示阴影表面,但也有其他几种样式可供选择。
示例: 使用色标图中的游标提取阶次
在下面的示例中,我们记录了一台旋转机器在运行过程中的加速度数据。我们使用 m+p Analyzer(DSA-Pro 许可)和 m+p VibPilot acquisition front-end. 除了支架上的加速度外,我们还记录了机器的转速。测量配置为将 14.25 秒的时间数据自动分割成 57 个 250 毫秒长度的数据块。使用 FFT 算法和汉宁窗口计算每个数据块的频谱。频谱以频率与时间的色谱图显示。由于我们还记录了机器的转速,因此 m+p Analyzer 会自动将每个频谱与采集时间内的平均转速进行归类。因此,我们可以轻松生成转速与频率的色谱图,清楚地显示出机器的旋转频率及其谐波(即阶次)。例如,可以使用光标来提取转速上的 1 阶振幅。
本示例展示了在 m+p Analyzer 中分析旋转机械的简单快速方法。若要进行更高级的分析,可授权使用旋转软件包,该软件包提供高级转速采集、基于转速和时间的色谱生成以及更复杂的订单跟踪功能。有关 m+p Analyzer 及其旋转功能的更多信息,请联系我们。
项目浏览器是 m+p Analyzer 在管理项目、测量数据和计算结果方面,我们都面临着许多挑战。在本期的系列文章中 m+p Analyzer Basics 我们将介绍各种巧妙的技巧和窍门,教你如何充分发挥项目浏览器的潜力,帮助你加快工作速度,更快地完成工作!
基础知识: 项目浏览器的双窗格布局
图 1 显示了项目浏览器的双窗格布局: 默认情况下,"测量 "选项卡被选中,左侧包含一棵树,树上有不同的项目及其工作区。右侧窗格显示包含的测量数据及其相应的元数据。切换顶部的选项卡将改变该视图,显示当前(活动)项目的所有可用几何体、设置、布局或回收站。
请注意:右侧窗格将始终显示左侧窗格所选项目*下方包含的所有测量值。例如,选中 "Project 1.sop5 "时,右侧将显示来自下面所有工作区("工作区 1 "和 "工作区 2")的测量值--在本例中为三个。但如果选择了一个工作区,则只显示该工作区的测量结果,因此 "工作区 1 "有两个测量结果,"工作区 2 "有一个测量结果。
基础知识: 自定义项目浏览器
定位: 默认情况下,项目浏览器位于屏幕底部,但也可以停靠在顶部、左侧或右侧。
测量期间自动隐藏: 在测量过程中,通常不需要项目浏览器,一旦开始测量,浏览器就会自动隐藏。
自定义列: 用户可以通过右键单击任何列标题并选择 "选择列... "来自定义右窗格中的列标题。用户将看到适用于当前项目的所有可用属性和元数据的列表,并可自由重命名和使用它们作为列标题。(有关测量属性和元数据的更多信息,请参阅下一期时事通讯)。
组织测量: 分组和筛选
在处理大量测量数据时,分组和筛选选项可能会派上用场。分组在左侧窗格进行,适用于工作区: 在一个工作区内,测量值可以按功能类型(频谱、时间历程、FRF、PSD 等)、响应或参考通道、测量时间或名称分组。
筛选可在右窗格中进行: 可以对每一列进行过滤,以减少显示的测量数据量。右键单击列标题并选择 "筛选",就会显示一个菜单,其中包含自动生成的筛选器和一个空闲字段,可以像窗口搜索字段一样使用。如图所示,在 "名称 "字段中输入大写字母 "S",就可以选择所有测量值。同样,也可以在 "测量时间 "一栏输入 "*-12-24",筛选在特殊时间进行的测量,只显示圣诞节前夕进行的测量。
一些一般性说明:
- 分组适用于工作区--可以为每个工作区定义不同的分组。
- 分组可扩展到所有工作区--右键单击项目可为给定项目的所有工作区选择分组。
- 过滤器是全局应用的--一旦应用了过滤器,就可以更改工作区,右侧窗格仍将显示过滤后的结果。
- 可以通过在不同列上定义筛选器来组合筛选器。
- 分组和筛选可同时组合使用。
m+p Analyzer 是本期的主题是测量振动数据并提供可追溯的结果,这些结果甚至可以在数年后进行回顾和分析。在第 6 期中,我们将介绍测量对象的数据结构及其属性和元数据。您将学习如何在测量、查看数据集和数据后处理过程中使用元数据标签。
测量数据结构
乍一看,获取数据主要是对电压信号(可能是加速度、压力、温度等)进行采样,并将这些采样值保存到硬盘中。- 然后将这些采样值保存到硬盘中。但这仅仅是生产设置中的要求: 我们可能不仅要保存时间采样数据,还要保存频谱、PSD、FRF、倍频程等数据。虽然实际采样值是最重要的,但与测量过程相关的属性,如采样率、通道名称、参考值等也需要可追溯。在 m+p Analyzer 中,我们通过一个由数据、属性和元数据三大部分组成的测量数据结构来解决这个问题。
- 数据:实值或复值阵列,保存时域/频域/倍频程域的测量/处理数据
- 属性:与数据直接相关的值,例如采样率或通道名称
- 元数据:用户定义的附加信息,例如样本名称或传感器校准日期
使用用户定义的元数据即时标记测量结果
许多工程任务包括重复测量类似的测试样本,或在稍有不同的测试设置(环境温度、安装等)下测量相同的样本。在这些需要区分重复测量的情况下,元数据和自动弹出功能可能会派上用场。事实上,m+p Analyzer 的一些内置测量模式在很大程度上依赖于这一功能,例如我们将以冲击捕捉为例:
首先打开 "Configuration(配置)",点击下方的 "Advanced(高级)",然后选中 "Meta-data(元数据)"。现在你会发现一个名为 "元数据 "的选项卡。通过该选项卡,用户可以指定适合给定测量任务的自定义元数据标签。它是通过电子表格中的名称/值对来指定的。名称 "字段是 m+p Analyzer 识别元数据的方式,如公司、样本编号、操作员等,随后可用于过滤数据。值字段是实际内容,可以是文本、日期或预定义值列表。例如,如果只测试三个标本,可以指定一个列表,在测试过程中只需从下拉菜单中选择正确的标本,而不用每次都写出名称。
自动提示元数据 "复选框可启用自动弹出功能,在开始测量时弹出元数据屏幕。下面的示例展示了如何配置 m+p Analyzer 并启用自动弹出元数据功能。
在测量编辑器中查看和编辑数据、属性和元数据
您可以在测量编辑器中查看和编辑测量的所有数据、属性和元数据。选择多个测量值,可同时块编辑不同测量值的多个数值。
元数据浏览器的自定义列和过滤选项
所有元数据标签都可以在浏览器中显示为列标题。列筛选器(另见上期通讯第 5 期)也可应用于元数据,以筛选类似的标记测量值。
在本期通讯系列中,我们将了解到 m+p Analyzer. 我们将展示如何设置 m+p 分析仪进行吞吐量记录,以及如何对获取的数据进行后处理。
什么是吞吐量,为什么要使用它?
m+p Analyzer 提供许多在线处理选项,如 FFT、FRF、PSD、Octave 频谱、阶次提取等。我们之所以称之为在线处理,是因为所有指标都是在测量过程中计算得出的。测量完成后,计算出的数据将存储在 .sop5 项目文件中。请参见下面的流程图。
通常情况下,我们只需要保存这些在线处理的数据,然后对其进行后续分析。例如冲击模态测试: 对于模态提取,我们只需保存测量的 FRF - 模态模型提取不需要原始时间数据。但在其他情况下,可能需要原始数据流。例如,在旋转分析中,当测量一台机器的运行时,在我们知道测量结果之前,如何选择处理设置可能并不明显。在这种情况下,只需将数据流传输到 PC 上,然后根据获取的数据尝试不同的后处理设置即可。
因此,在后处理过程中,我们几乎可以做所有测量过程中能做的事情(除了改变采样率)。例如,我们可以使用后处理来检查不同的块大小、重叠或阶次跟踪算法是否能改善我们的结果,而无需重复测试本身!
下面将介绍如何设置吞吐量并进行后处理。
本期系列报道 m+p Analyzer Basics 我们将看看 m+p Analyzer. 我们将演示如何设置报告、保存和加载模板以及启用快速报告功能。
配置个性化报告
报告功能用于在 .pdf 或 .docx 文档中自动放置 2D 图表、3D 图表以及模式图形。报告可以定义为使用项目中的所有数据,也可以只使用当前选定工作区中的数据。工作区的报告模板可以轻松快速地生成报告: 只需右击工作区,选择 "报告(工作区)",即可生成报告。
报告布局经过预配置,默认情况下可显示最相关的信息,但也可根据具体用途进行定制。可提供多种配置选项,其中最主要的有:
- 扉页: 选择显示根据工作区或项目名称、操作员名称和公司徽标自动生成的标题
- 说明: 文件第二页可显示自由文本,例如测量设置说明
- 尺寸: 例如,有大量的配置选项可用于排序、分组和显示测量结果:
- 每页图表数
- 每个图表的测量次数
- 数据类型,如时间历史或光谱
- 显示元数据或计算属性的选项
- 可定制字体大小、线条颜色和图表大小
- 在光谱中显示光标或峰值的选项 - 模式: 可在模式显示中添加所有模式和元数据(如频率或阻尼)的概览表
- 设置: 测量设置可包含在报告中,以显示通道配置
这些只是定制报告众多选项中的几个。将报告布局保存为模板供未来项目使用的功能尤其方便。模板文件可以轻松地从 m+p Analyzer 导出,与同事交换或导入到新项目中。
在本期的 m+p Analyzer Basics 系列中,我们将介绍操作变形的基本知识。
什么是 "工作偏转形状"?
运行挠度形状(有时称为 "运行挠度形状 "或 ODS)通过直观显示结构的振动模式,为振动问题提供了更多洞察力。模态分析可以提供类似的洞察力,而运行挠度振型则是从实际运行过程中获取的测量数据中提取的,因此被称为 "运行 "挠度振型。通常情况下,工作挠度形状是在频域中呈现的,如在 16.4 Hz 频率下的汽车车架动画所示:
在给定频率下,提取所有测量点的振幅和相对相位,并将其应用于几何图形,以直观显示变形模式。为了说明这一过程,让我们来看一个非常基本的例子。我们只考虑两个点,其中点 2 的相位参照点 1。这两个光谱可能是这样的
我们可以找到由三个光标标记的三个感兴趣的区域:
1. 在第一个光标处,我们可以看到两个点的振幅大致相同,相位也相同。这种配置下的 ODS 将如下所示:
Both points move in phase with the same amplitude.
2. 在第二个光标处,第二个点的振幅明显小于第一个点。此外,还观察到 90°的相移。这种配置的 ODS 如下所示:
The animation shows large movement of point 1 and the very small amplitude of point 2.
3. 在第三个光标处,两个点再次出现相同的振幅,但相位偏移了 180°。ODS 显示如下
The phase shift of 180° means that the two points move in exact anti-phase to each other.
这个例子表明,ODS 实际上只是测量点振幅和相位关系的动画。有人可能会说,直接从图表中绘制这些信息非常简单。对于这个简单的例子来说,这可能是正确的,但对于更复杂的几何图形,如上面有许多测量点的汽车 ODS,则要困难得多。
Prerequisites for ODS measurements
几何学:需要一个包含结构上测量点位置的几何图形。通常情况下,这意味着每个测量点的 x、y、z 坐标以及这些点之间确定的连接线。 m+p Analyzer 提供了一个简单易用的几何图形编辑器,足以满足简单几何图形的需求。如果几何图形较为复杂,可使用 .stl 文件格式(标准三角测量/网格语言格式)从 CAD 软件中导入几何图形。
相位参考光谱:由于 ODS 需要相位信息,而 "正常 "光谱通常具有随机相位,因此需要对相位参照进行额外处理。通常的做法是选择一个参考传感器,并将所有传感器的相位都以该传感器为基准。这意味着参考传感器的相位在所有频率下都为零,因为它是以自身为基准的。注意:参考传感器和所有其他传感器的数据需要同时获取!在 m+p 分析仪中,相位参考频谱是通过自动和交叉功率频谱计算得出的。对于给定的测量点
... 自动功率谱产生振幅谱。
......将交叉功率频谱转换为基准频谱,就得到了相位基准频谱。
稳态运行: 根据数据采集方式的不同,机器的稳态运行(或至少是可重复的状态)可能是必要的。一般来说,可以选择两种数据采集方法:
1. 具有单一测量功能的全传感器设备: 这是一种直接的方法,将传感器应用于所有需要的位置。在一次运行中,可同时获取所有传感器的数据。这种方法的优点是快速,因为只需要一次测量运行。不过,这可能需要在前端安装大量传感器和输入通道。
2. 重复测量的部分传感器设备: 使用这种方法,我们只需使用两个传感器就能完成所有测量。一个传感器(参考传感器)在整个测试过程中保持在同一位置。第二个传感器(巡回传感器)被连续移动到其余测量位置,并在每个位置进行测量。虽然这种方法所需的硬件较少,但需要机器处于稳定状态,以使各个测量 "兼容"。这是因为我们要将不同运行的测量结果 "拼接 "在一起,而且需要确保每次运行时机器的振动模式都是相同的。要做到这一点,最简单的方法就是以恒定的转速运行机器。
您有兴趣了解有关 ODS 测量的更多信息吗?请阅读下一期的 m+p Analyzer Basics,我们将通过一个示例演示如何使用 m+p Analyzer 测量和提取 ODS。
在上一期的 m+p Analyzer Basics 系列中,我们介绍了操作变形形状的基础知识。今天,我们将演示如何使用以下方法测量和提取 ODS m+p Analyzer.
举例说明: 旋转机器的 ODS
我们测量旋转演示机的 ODS。它由一个矩形铝制底板组成,底板上安装有电机和旋转轴(见图)。我们的目标是通过测量运行过程中遇到的振动来测量机器基础(底板)的 ODS。
设置几何体
ODS 动画的第一个基本要求是被测系统的几何形状。为简单起见,我们只分析演示机的底板。在 m+p Analyzer "几何图形编辑器"(需要 AN-ODS/AN-eODS 许可证)中定义了底板上的八个测量点并创建了基本几何图形:
采用部分传感器设备法,用四个加速度计测量底板上的八个点。我们需要对所有点运行三次: 基准传感器始终保持在位置 (1)。三个 "巡回 "传感器在第一次运行中测量 2、3 和 4 号位置,然后在第二次运行中测量 5、6 和 7 号位置,最后只需一个传感器即可测量第 8 个位置。
采集设置
我们首先配置传感器各自的灵敏度,然后激活 IEPE 供电。将第一个传感器设置为 "激励"(所有其他传感器均为 "响应"),将其标记为相位参考传感器。我们选择的采样率为 2,048 Hz,频谱的最大频率为 800 Hz 即可。在配置保存页面,我们选择 "ODS-FRF",这将为我们提供相位参考频谱。注意:这些是 "伪 "频谱。因为我们使用的是振幅平均法,所以实际频谱不再包含有用的相位信息。在幕后,我们使用自动相关和交叉相关函数来生成具有有意义振幅和参考相位的 "ODS-FRF"。
数据采集
刚开始做这个实验时,我们想让机器以固定的转速运行,然后测量底板上的振动。我们希望电机能够引入足够的 "随机 "振动来激发弯曲模式。在设置好机器、配置好 m+p 分析仪并开始第一次测量后,我们看到了以下频谱:
这与我们的预期不同!很明显,频谱中出现了许多尖峰,这似乎不是结构振动。仔细观察可以发现,所有这些尖峰都是 100 赫兹的整数倍(50 赫兹是德国的电力线频率)。事实证明,每当电机处于负载状态(即必须加速轴)时,这些尖峰都会出现。因此,我们不得不改变计划: 我们加快了轴的转速,并关闭了电机,以测量机器的运行情况。结果看起来更有希望:
虽然这还不是最完美的光谱,但对于我们的目的来说已经足够了。这说明,即使是一台简单的演示机,也可能有自己的怪癖。找出获取数据的最佳方法是整个过程的一部分,而且往往要通过反复试验才能解决。这个频谱有两个感兴趣的区域。在较低的频率范围内(~ 0 - 100 Hz),我们可以看到由于轴旋转(~ 0 - 6000 RPM)而产生的高振动。这个区域相当宽,因为我们测量的是一个下降过程。因此,在频谱中发现了运行期间的所有不同转速(模糊)。第二个区域(150 - 500 Hz)是底板结构振动的区域。
ODS 提取
有了前面描述的测量结果,我们就可以开始使用 m+p Analyzer "工作变形形状 "向导提取 ODS 了。ODS 向导是一种直接提取 ODS 的工具。在三个窗格中(从左到右),我们可以看到所有有效测量值、用于选择提取 ODS 频率的图表以及最终的 ODS。注:ODS 动画窗口还包含频率和使用半功率法估算的阻尼比。
最后,我们可以将提取的 ODS 保存到工作区中。例如,我们提取了底板在 153 Hz 和 485 Hz 频率下第一和第二弯曲模式的挠度形状:
Closing words
工作挠度形状是分析结构在工作条件下动态特性的重要工具。它们可以帮助工程师发现并解决结构和声学问题。该程序依赖于结构(机器)的 "自生 "振动,因此结果只对给定的工作条件有效,并且只能发现在给定条件下激发的结构特性。不同的工作条件(如转速)可能会导致不同的结构响应。分析结构特性的更一般方法是 modal analysis, 这将是我们下一期 m+p 分析仪基础知识中的一个主题。