小睿说测量 02｜从敲一下到可复测：锤击试验怎样编进软件

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一块刹车盘摆上工作台，力锤和传感器也接好了。接下来，软件里该先填哪个框？采集多久，采哪些通道，频率又从哪里算出来？

要让别人接着复测，软件里至少要留下两路信号来自哪里、何时采集、用了哪些参数，以及原始记录怎样找到。把这些条件与计算连接起来，就是测量编排。下面用一份刹车盘锤击方案，说明它们怎样落实到衡准 Metrivon的通道、工步和计算项目中。

本文依据现有通用机制设计方案，尚不代表某套力锤与采集设备已经完成整机验证。设备选定后，还要验证同步、标定和分析方法。正文保留理解编排所需的对象关系，具体字段与公式语法另列技术补充。

先决定这次要得到怎样的结果

固有频率，是结构在给定条件下的自由振动特征频率：起振的外部作用结束后，它仍靠弹性和惯性继续振动，频率描述每秒振动多少次，单位是Hz。结构可以按不同形状振动，这些形状叫振型；通常把固有频率、振型和描述能量损耗的阻尼一起称为一个模态的特征。本文采用常见的无阻尼固有频率约定，小阻尼下实际衰减频率通常与它接近。[1]

先把任务缩到可执行的范围：在规定的软支撑状态下，记录一次敲击的输入力与盘面法向加速度，检查数据质量，在关注频段寻找候选频率，保留后续复核所需的原始记录。法向，就是垂直于盘面的方向。

支撑和装配应在这里定下来。软支撑用于减小外界约束；轮毂装配则把连接和邻接部件的影响带进系统。哪种正确，要看任务问的是零件本体，还是装配后的特性。把支撑位置、测点方向和装配状态写进程序说明与现场记录，比测完后再凭印象补齐要可靠。[2]

硬件和动作先于公式

这份方案采用人工力锤敲击。力锤里有力传感器，能把输入力转换为电信号；盘上的加速度传感器记录响应。它们需要接到与信号类型、带宽和量程匹配的采集盒上。

带宽是测量链能可靠接收的频率范围，量程是它能接收的信号大小范围。调理则是为传感器供电、放大或滤波，让信号能被采集设备正确接收。关注频段要落在传感器、调理和采集设备共同有效的范围内；力与响应两路还要满足分析方法的同步要求。

传感器位置同样属于方案。某个模态在特定方向上几乎不动的位置，叫节点；在节点附近敲击或接收响应，可能看不清那个模态。先用几个位置预试，再固定正式测点，通常比一路加大敲击力度更有意义。传感器要安装牢靠，电缆留出松弛，避免拉着盘改变它的运动。

图1 人工锤击测试的通用信号路径。力锤和盘上的加速度传感器分别形成输入与响应通道，经过适配的调理与采集设备，沿共同时间基准保存记录。波形仅说明冲击与衰减的关系；实际同步、接线、安装与标定仍需验证，不代表某台设备的已验证配置。

衡准 Metrivon已经有多种设备适配器。适配器负责按相应协议连接和控制设备，把其输出整理成软件可以使用的数据。选择适配器，要跟着现场的设备走：位移盒、角度编码器和动态信号采集设备各有用途，接入同一平台，并不意味着它们可以互换承担高频振动测量。

如果测量机有PLC，也就是可编程逻辑控制器，它可以按设备协议管理夹持、移动或测量节拍。工步能够配合这些动作，却不能仅凭在说明栏写下“敲一下”，就让一套没有执行机构的设备产生敲击。

先让软件中的通道对应真实信号

硬件输入接好以后，要让软件中的“力”和“响应”确实指向对应通道。衡准 Metrivon把供程序引用的数据通道称为逻辑传感器，用T加编号标识。例如T0、T1可以分别引用同一个适配器输出的两列数据。编号是引用名称，物理含义仍由接线、单位和标定决定。

本方案把T0命名为“力锤输入电压”，先保留mV；把T1命名为“盘面法向加速度”，经确认换算后使用m/s²。mV是毫伏，是电压单位；m/s²表示加速度。用已知输入核对两路的名称、方向和单位，再进入计算。

以现有G8000适配器为例，它提供mV和加速度相关目标单位，没有直接选择N的力锤专用选项。若力锤与输入电路兼容，可以保留电压，后续用标定灵敏度换算为力。例如灵敏度为10 mV/N，已处理偏置与增益的电压为50 mV，则力为50÷10=5 N。这里N是牛顿，表示力；这组数字只说明换算，不是推荐设备参数。

灵敏度取自实际传感器和校准资料。适配器与逻辑传感器都可能有增益、偏置或反向设置，所以要检查整条换算链，避免一处已经转成加速度，另一处又重复换算。界面“精度”若用于显示小数位，也不能被当成设备测量准确度。

在工步里安排采集 在设备里落实采样

接下来建一个测量程序，命名为“刹车盘锤击响应检查”。程序把这次任务的工步、常数和计算项组织在一起。

程序中的工步规定一次采集怎样开始、等待和结束。本方案把这一工步记作MS0，采样设备选为提供力与响应的适配器。先安排覆盖敲击前后和衰减过程的记录窗口，再把这些要求落实到采集模式、时长和结束条件。

时间采集模式适合表达持续一段时间的采集任务；脉冲模式则使用计数信号作为条件。不要因为力锤产生一个短促的力脉冲，就把工步切成“pulse”：这里的脉冲计数条件不等于力信号越过门限的冲击触发。

人工锤击可以先安排一段覆盖敲击与衰减的采集窗口，再由操作人员在有效记录期间完成敲击。若采用力门限触发和预触发，必须确认具体设备与驱动支持。预触发是保留触发点之前的数据；后处理可以截取已经采到的片段，补不回一开始就没记录的冲击。

图2 采样与分析分属三个层次：设备决定实际采样，工步安排采集过程，算法用采样率建立坐标。图中Fs为采样率，N为参与快速傅里叶变换（FFT）的有效样本数；不额外零填充时，频率网格间隔Δf=Fs/N。图为配置方案示意，不是可直接导入的设备参数。

采样率表示每秒采多少点，决定相邻样本的时间间隔。设备可能直接设置采样率，也可能设置采样周期。G8000按微秒配置周期，理论采样率为1000000除以这个周期；当前驱动会将结果舍入为整数采样率。分析时应核对设备实际接受的设置和记录元数据，不能只用“目标样本数除以界面上的时间”猜一个值。

“目标样本数”也不等于给硬件设置采样率。时间模式会结合采集时长和样本数量判断结束；对批量返回的设备，还可能先停止并刷新缓存，再等待数据齐全。软件等到数据和硬件何时采到数据，需要分别理解。

频谱还受有效记录时长影响。均匀采样时，不加零填充的频率网格间隔为记录时长的倒数：0.2秒对应5 Hz，1秒对应1 Hz。这只是说明网格疏密的教学数字，不是某块盘的推荐设置。记录应覆盖关注的衰减过程，频段则要同时满足有效带宽与抗混叠要求。抗混叠用于防止过高频率在采样后冒充较低频率。[3]

算出候选峰以后 怎样继续确认

最简单的响应谱筛查，可以用经过检查的自由衰减记录做FFT，并依据真实采样率建立Hz轴，寻找关注频带的候选峰。FFT是快速傅里叶变换，用来分解记录中的频率成分。这里的结果还要结合测点、激励和重复性判断。

若要比较响应相对于输入力的变化，则在算法中计算FRF，也就是频率响应函数。对加速度响应，单位为(m/s²)/N。它使用同一次测试的力与响应信息；其中相位描述同一频率下响应相对于输入的先后关系。多次有效敲击的平均、相位和相干性，可以进一步帮助检查结果。[4]

相干性是0到1之间的量，在适当的重复平均与估计条件下，帮助检查输入与输出的线性关系是否一致。单次记录得到很高的相干性，并不能代替重复性检查；响应很弱的位置也可能因噪声占比高而下降。

这些方法可以通过衡准 Metrivon的公式、变量脚本或扩展函数编排。做双通道FRF时，要明确采用什么估计方法、怎样处理窗口、哪些敲击参加平均；需要阻尼或近邻模态识别时，再选择适合的拟合方法，并验证其输入输出。通用计算环境提供了实现位置，具体方法仍由试验目标决定。

第一批数据尤其值得认真看：力信号是否双击或削顶，关注频段内的激励是否足够，响应是否在记录结束前充分衰减。削顶表示信号超过可用范围，波形顶部被截平。遇到这些问题，先调整采集和操作，再谈峰值。

加窗，是给记录中不同时刻的数据乘上不同权重，可以减轻有限记录截断等影响，但也会改变数据。特别是指数窗会引入人为衰减，影响阻尼解释。质量检查参数应来自方法验证，不能因为软件有“上限”“下限”两个框，就随便填一组合格线。[5]

测量项的“数据质量可接受”和“频率满足产品要求”也应分别判断。没有有效数据，无法据此报合格；得到一个稳定频率，是否符合要求则要有相应设计或验收依据。

把确认过的方法接成计算关系

现在已经知道要检查哪些信号、怎样寻找候选峰，才适合决定哪些参数、中间曲线和结果要留在程序中。

采样率、力锤灵敏度、分析频带和质量检查参数，可以集中放在程序常数K中，供各计算项共同引用。把采样率写进K，只是给算法一个输入，不会替设备改变采样速度。设备设置有变动时，应先核实新记录的实际采样率，再决定是否更新K。

力与响应需要共同分析时，可以用结构化变量V组织一次计算。它能同时返回换算后的时程、频率轴、幅度谱和质量标志，让几项后续分析沿用同一份输入和参数。这里的时程，就是信号随时间变化的曲线。

预处理项目P在界面中也称预运算项，用来计算和保留后续还要引用的中间数据。本方案保留频率轴、响应谱，以及力与响应时程；测量项M再提取要报告的候选频率和数据质量结果。字母只是软件的对象名称，重要的是能从最终数值回到使用过的曲线与参数。[6]

计算有先后关系：先完成共同分析，再保存中间曲线，最后提取报告值。衡准 Metrivon按既定对象与编号次序执行，不会替配置者自动重排任意依赖。因此要检查每项引用的结果在使用前是否已经算出；具体次序和示例语法见技术补充。

也要分清两个容易看错的“预处理”：工步里的“预处理操作”是开始采集前的动作或交互，可能涉及设备；P预处理项目则是采集后的数据计算。两者名字接近，作用与后果不同。

用第一批数据回查这套编排

先做一次可检查的教学推演。假设设备均匀采样率为12800 Hz，分析使用其中2560点，且不额外零填充，那么有效记录时长为2560÷12800=0.2秒，频率网格为12800÷2560=5 Hz。把这份原始记录交给另一个人，在输入、参数和处理方法完全相同时，应能复现同一条谱和候选峰。若改用12800点的有效记录，网格变成1 Hz，分析记录本身已变；若重新装夹后再采，则物理条件也可能变。两种变化都不能直接归结为零件出了问题。

带着这个对照回查程序：T0、T1对应哪两路，MS0是否采到了它们，K中的采样率有没有设备依据，计算项是否保留了有效样本数与频率轴。需要改动时记录旧值、新值及依据；涉及PLC交互的工步改动，还要检查后续设备动作。算法先用代表性数据验证，再交现场试采。

方案确认后，现场按既有测量机流程采集。保存时应检查原始T数据、关键P轨迹、M结果，以及程序、采样和校零等记录是否完整；传感器与适配器信息也应纳入复核。软件具有相应保存结构，现场仍要配置保存期限和重要数据的归档方式。

原始输入仍完整保留时，衡准 Metrivon的历史重算可以用当前程序和当前校零重新计算旧数据。校零是依据基准建立测量修正的过程。重算适合比较算法变化，却没有重新敲击，也没有恢复原来的安装环境。传感器安装、支撑或采集带宽改变后，需要现场复测来判断影响。

留下一套别人能够接着做的测量

锤击试验编进软件，留下的应是一套可执行、可核对的方法：支撑和测点定义被测状态，通道保留信号含义，设备与工步落实采集，常数和计算项说明结果怎样得出。下一次换人接手时，可以沿同样的关系检查原始时程、频响和结果，而不必从几个配置编号猜测这次究竟测了什么。

参考来源

[1] Brüel & Kjær，Frequency Analysis，附录C；Polytec，Experimental modal analysis and modal testing。固有频率与模态。 来源1 来源2

[2] Siemens，Modal Testing A Practical Guide；Brüel & Kjær，Structural Testing Part I。测试边界、传感器与测点。 来源1 来源2

[3] Siemens，Digital Signal Processing Sampling Rates Bandwidth Spectral Lines and more。采样与频率网格。 来源

[4] Siemens，What is a Frequency Response Function FRF。输入输出关系、估计与相干性。 来源

[5] Siemens，Simcenter Testlab Impact Testing；Modal Impact Postprocessing Getting the Best FRF。锤击质量与窗口。 来源1 来源2

[6] 衡准 Metrivon设备适配、传感器、工步、变量、预运算项、测量项和结果接口。产品机制核对至2026年10月5日。