在振动测试领域，质量加载是一个重大的障碍。施加在动态振动试样（或被测设备，DUT）上的附加质量会对其行为产生深远影响。这一现象在振动悬臂梁中尤为明显，而当涉及涡轮叶片等弯曲悬臂梁时，情况则变得更加复杂。 使用加速度计准确测量涡轮叶片的共振频率是一项复杂的任务，这主要归因于质量加载。值得注意的是，即便是最微小的加速度计也会引入质量，从而扰乱涡轮叶片的固有频率，使得精确测量变得极具挑战性。
避免质量载荷影响的一种方法是使用激光光学传感器（如激光多普勒振动计）以非接触方式测量涡轮叶片的加速度。在下面的案例研究中，一个轻量级加速度计（7.5 g）测量了一根短涡轮叶片（20.4 g）的共振频率。 测试数据再次通过Polytec 振动传感器VibroGo® （激光振动计）以非接触方式进行评估。Vibration Research公司的ObserVR1000动态信号分析仪负责记录数据。
程序
本次测试所用的激光振动计虽处于速度测量模式，但其实也具备直接测量位移的能力。之所以优先选择速度测量，是因为通过连接加速度、速度和位移的标度因子，速度能提供更稳定的频率响应。当加速度随频率增加而增大、位移随频率增加而减小时，速度的响应则保持相对稳定。 选择速度模式是为了避免数据处理中可能出现的延迟或不准确。
本次测试采用1 kHz的带宽。考虑到速度范围以1 m/s（峰值）为最佳，以避免解码器饱和并由此导致的超量程。
最后，为优化测量效果，将激光振动计放置在理想的测量距离处。 所用振动计的基本工作距离计算公式为 463 mm + (183 mm * n)。如图 1 所示，振动计被放置在距涡轮叶片尖端 877 mm 的位置。需要注意的是，虽然没有强制要求将振动计放置在最佳工作距离处，但如果时间和空间允许，这仍是首选的操作方案。
激光振动计的设置
- 带宽：1 kHz
- 高通滤波器：13 Hz
- 速度范围：1 米/秒
- 灵敏度：250 毫米/秒/伏特
- 最佳间距：877 毫米
在涡轮叶片上进行了一次从50 Hz到500 Hz的1 g平滑正弦扫频试验，扫频速率为1个八度/分钟。该试验分别在有质量加载和无质量加载的情况下进行；此处的“质量”指的是安装在叶片上的加速度计。
在第一次试验中，将加速度计安装在涡轮叶片末端（带质量载荷情况），以测量涡轮叶片的共振频率。与此同时，振动计在与加速度计相同的位置采集数据（图2）。
在第二次试验中，拆下了加速度计（未施加质量载荷），振动计从涡轮叶片末端采集了振动数据（图3）。
通过对比这些测试结果，证实了激光振动计能够采集与加速度计相同的数据，并验证了质量加载对共振梁的影响。
结果
对涡轮叶片进行了1 g平坦正弦扫频试验，以每分钟1个八度（1-oct/min）的扫频速率从500 Hz扫频至30 Hz。在此正弦试验过程中检测到多个共振点。加速度计和振动计均能检测到相同的共振点（图4）。
测试结果表明，质量加载会导致涡轮叶片的共振频率向下偏移（图5）。这与基本单自由度模型（SDOF，单自由度）的预测相吻合，该模型表明固有频率与质量之间存在反比关系。
结果还表明，当涡轮叶片上没有质量时，控制器能够在公差范围内实现更好的控制（图6）。质量载荷会增加通过共振进行控制的难度。
结论
该案例研究揭示了三个要点。首先，结果表明，激光振动计可以提供与传统加速度计相同的测量结果。其次，结果表明，质量加载效应确实是工程师需要积极应对的问题。当移除加速度计时，涡轮叶片的共振频率发生了变化。 最后，结果表明，激光多普勒振动测量等非接触式测量技术能够准确测定特别容易受到质量载荷问题影响的样品的共振频率。通过使用非接触式传感器精确测定样品的共振频率，控制器在涡轮叶片受到质量载荷问题影响时，也能比以往更好地控制通过共振的过程。
本文改编自www.VibrationResearch.com的应用说明：《质量载荷与激光振动计的优势》。
