專利名稱：真空電子器件的模態(tài)驗證方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及產(chǎn)品的模態(tài)驗證技術(shù)，尤其涉及一種真空電子器件的模態(tài)驗證方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
真空電子器件是當代國防科技、信息系統(tǒng)以及人民日常工作中廣泛使用地一類最重要的電子器件之一。為了驗證真空電子產(chǎn)品的抗振性能，需要對真空電子產(chǎn)品進行振動試驗，而模態(tài)試驗又是其他振動試驗分析的基礎(chǔ)，模態(tài)試驗中檢測到產(chǎn)品的模態(tài)參數(shù)(固有頻率和振型)是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)。
由于真空電子器件是一種國防裝備用電子元器件，國外公開的相關(guān)研究報道很少。歐洲航天局于1997年發(fā)布的行波管設(shè)計導(dǎo)則中在力學設(shè)計的要求方面唯一明確指出的就是必須進行振動載荷下的機械/力學分析；美國國防部發(fā)起的MMACE計劃(毫米波/微波真空電子器件的先進計算環(huán)境)中也將振動載荷下的動力學分析列為主要研究內(nèi)容。遺憾的是，具體的動力學模態(tài)試驗及其驗證技術(shù)的研究內(nèi)容無法獲取。
目前國內(nèi)的模態(tài)試驗僅是針對一些大型機械結(jié)構(gòu)，如飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑等，真空電子器件的結(jié)構(gòu)一般是比較復(fù)雜的微型結(jié)構(gòu)，并且其密封特性也使得內(nèi)部的模態(tài)參數(shù)無法通過成品直接檢測。目前國內(nèi)一些單位也僅通過計算機模擬仿真的方法得到真空電子器件微型結(jié)構(gòu)內(nèi)部的模態(tài)參數(shù)，并沒有一套完整的模態(tài)驗證系統(tǒng)來驗證其模擬結(jié)果的準確性，而且國內(nèi)對于真空電子產(chǎn)品的振動特性的模擬仿真研究還不成熟，所以沒有試驗驗證的模擬分析是難以令人信服的。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的是提供一種真空電子器件的模態(tài)驗證方法及系統(tǒng)，用于檢測微型結(jié)構(gòu)電子產(chǎn)品的模態(tài)參數(shù)，掌握其結(jié)構(gòu)的動力特性，檢驗其抗振性能，解決了真空電子器件微型結(jié)構(gòu)內(nèi)部模態(tài)驗證這一難題，實際模態(tài)試驗得到了理想的數(shù)據(jù)結(jié)果，能使模擬計算結(jié)果得到較好的驗證。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明真空電子器件的模態(tài)驗證方法的技術(shù)方案為一種真空電子器件的模態(tài)驗證方法，它包括如下步驟(1)將被測真空電子器件夾緊并固定；(2)對被測真空電子器件實施激勵；(3)將被測真空電子器件因激勵而產(chǎn)生的物理量轉(zhuǎn)換成電信號；(4)將所述電信號放大或衰減后進行分析處理得到被測真空電子器件的模態(tài)參數(shù)；(5)將所述的被測真空電子器件的模態(tài)參數(shù)與通過計算機仿真方法得到的模態(tài)參數(shù)進行驗證。
上述方法還進一步包括在步驟(2)中，將被測真空電子器件劃分為兩個或兩個以上區(qū)域，分別單獨對各個區(qū)域進行激勵；因此還進一步包括步驟(6)，在步驟(6)中，再將各個區(qū)域組合成整體模型計算模態(tài)。
在步驟(1)中，被測真空電子器件的夾緊并與固定是由一半月形卡槽式防振夾具來實現(xiàn)，該半月形卡槽式防振夾具采用鋁合金材料制成，其各個組成部件之間的聯(lián)接為螺紋聯(lián)接。
在步驟(2)中，采用錘擊法來實現(xiàn)對被測真空電子器件的激勵。
在被測真空電子器件的縱向和橫向上分別用力錘進行多點激振。
在步驟(3)中，利用微型的壓電式傳感器將力和響應(yīng)加速度變換成電信號，用蠟將該壓電式傳感器牢牢粘貼在被測真空電子器件的測點上。
在步驟(5)中，所述的分析處理過程是由計算機根據(jù)該電信號實時顯示錘擊頻響曲線，并通過多次疊加平均計算出每個測振點的傳遞函數(shù)、自功率譜、互功率譜、相干函數(shù)和傅立葉譜。
同時，本發(fā)明真空電子器件的模態(tài)驗證系統(tǒng)的技術(shù)方案為一種真空電子器件的模態(tài)驗證系統(tǒng)，它包括被測真空電子器件，它還包括激勵部分、測量部分和信號處理部分；所述的激勵部分包括振動臺、夾具和激振器，夾具夾緊被測真空電子器件后放置在振動臺上，由激振器完成對被測真空電子器件的激勵；所述的測量部分包括傳感器、加速度計、第一電荷放大器和第二電荷放大器，傳感器為微型的壓電式傳感器并被用蠟牢牢粘貼在被測真空電子器件的測點上，第一電荷放大器與傳感器連接，加速度計被放在振動臺上與第二電荷放大器；所述的信號處理部分包括計算機系統(tǒng)，該計算機系統(tǒng)分別與第一、第二電荷放大器連接。
所述的夾具為半月形卡槽式防振夾具，它采用鋁合金材料制成，其各個組成部件之間的聯(lián)接為螺紋聯(lián)接。
所述的激振器為力錘。
本發(fā)明的有益效果采用了一套完整的真空電子器件的模態(tài)驗證方法及系統(tǒng)，用于檢測微型結(jié)構(gòu)電子產(chǎn)品的模態(tài)參數(shù)，掌握其結(jié)構(gòu)的動力特性，檢驗其抗振性能。
由于真空電子器件整體難以探測內(nèi)部模態(tài)，所以采用分解部件方法，由部分到整體的驗證思路，局部模態(tài)驗證與整體模型驗證相結(jié)合的方法，對真空電子器件微型內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行模態(tài)試驗，提取其模態(tài)參數(shù)。
采用了專門設(shè)計的半月形卡槽式試驗夾具，與試品連接時能很好的鎖住試品的約束位置，避免了夾具與試品間出現(xiàn)振動位移；采用具有較高剛性質(zhì)量比和高阻尼鋁合金材料；采用盡可能多的螺紋連接以保證夾具各部件剛性連接，消除試品的自激振蕩；所有接觸面達到所需的平整度以保證良好的機械接觸。所設(shè)計的夾具能將振動臺所產(chǎn)生的應(yīng)力如實地傳給試品，并且確保在樣品的固定點上滿足規(guī)范要求。
采用微小質(zhì)量的壓電式傳感器進行檢測，它具有工作頻帶寬體積小、重量輕、安裝方便等優(yōu)異的特點，解決了由于真空電子器件微型結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易安裝傳感器的問題。壓電式傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。


圖1是本發(fā)明的模態(tài)驗證系統(tǒng)框圖。
圖2是本發(fā)明的電子槍錘擊振動測試原理框圖。
圖3是本發(fā)明的電子槍振動試驗橫向測點布置圖。
圖4是本發(fā)明的電子槍振動試驗軸向測點布置圖。
圖5是本發(fā)明的電子槍一階振型(橫向)圖(f＝1188Hz)。
圖6是本發(fā)明的電子槍二階振型(橫向)圖(f＝1353Hz)。
圖7是本發(fā)明的電子槍三階振型(軸向)圖(f＝1871Hz)。
具體實施例方式
本實施方式的真空電子器件的模態(tài)驗證方法包括如下步驟(1)將被測真空電子器件夾緊并固定。被測真空電子器件的夾緊并與固定是由一半月形卡槽式防振夾具來實現(xiàn)，該半月形卡槽式防振夾具采用鋁合金材料制成，其各個組成部件之間的聯(lián)接為螺紋聯(lián)接。
(2)對被測真空電子器件實施激勵。將被測真空電子器件劃分為兩個或兩個以上區(qū)域，分別單獨對各個區(qū)域采用錘擊法來實現(xiàn)對被測真空電子器件的激勵，并且是在縱向和橫向上分別用力錘進行多點激振。
(3)將被測真空電子器件因激勵而產(chǎn)生的物理量轉(zhuǎn)換成電信號。利用微型的壓電式傳感器將力和響應(yīng)加速度變換成電信號，用蠟將該壓電式傳感器牢牢粘貼在被測真空電子器件的測點上。
(4)將電信號放大或衰減后進行分析處理得到被測真空電子器件的模態(tài)參數(shù)；(5)分別將被測真空電子器件的各個區(qū)域的模態(tài)參數(shù)與通過計算機仿真方法得到的模態(tài)參數(shù)進行驗證。所述的分析處理過程是由計算機根據(jù)該電信號實時顯示錘擊頻響曲線，并通過多次疊加平均計算出每個測振點的傳遞函數(shù)、自功率譜、互功率譜、相干函數(shù)和傅立葉譜。
(6)再將被測真空電子器件各個區(qū)域組合成整體模型計算模態(tài)。
本方法的原理如下通常用有限元的方法研究復(fù)雜系統(tǒng)的動態(tài)特性，由于采用了一系列人為的假設(shè)與邊界條件，其結(jié)果往往與實際情況不相一致，真空電子器件的結(jié)構(gòu)是一個極為復(fù)雜且密封的微型機械結(jié)構(gòu)，試驗?zāi)B(tài)法不能探測到所有的模態(tài)參數(shù)，特別是探測器無法接觸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模態(tài)，因此對電真空器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)而言，需要采用計算模擬與試驗探測相結(jié)合的模態(tài)分析方法。
在模態(tài)試驗中，由于真空電子器件整體難以探測內(nèi)部模態(tài)，所以采用分解部件方法，由部分到整體的驗證思路，局部模態(tài)驗證與整體模型驗證相結(jié)合的方法，對真空電子器件微型內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行模態(tài)試驗，提取其模態(tài)參數(shù)。
試驗?zāi)B(tài)法是直接測量系統(tǒng)固有頻率和振型的一種試驗方法，它通過同時測量系統(tǒng)的輸入信號和輸出信號，根據(jù)試驗測得的傳遞函數(shù)曲線，進行曲線擬合，從而計算固有頻率、模態(tài)剛度、模態(tài)質(zhì)量等。
在實際結(jié)構(gòu)或模型振動試驗中，得出結(jié)構(gòu)的自振頻率是許多試驗的目的，用錘擊法測出結(jié)構(gòu)的自振頻率是一種比較經(jīng)濟、理想的測振方法，這種方法可實現(xiàn)多點激振(用力錘對多點敲擊)和單點響應(yīng)(一只加速度計)，在計算機上實時顯示錘擊頻響曲線，通過多次疊加平均計算出每個錘擊測振點的傳遞函數(shù)、自功率譜、互功率譜、相干函數(shù)和傅立葉譜。
請參閱圖1，實現(xiàn)上述方法的系統(tǒng)包括樣品(被測真空電子器件)，它還包括激勵部分、測量部分和信號處理部分。所述的激勵部分包括振動臺、測試夾具和力錘(激振器)，測試夾具夾緊被測真空電子器件后放置在振動臺上，由激力錘完成對被測真空電子器件的激勵；所述的測量部分包括傳感器、加速度計(圖中未示出)、第一電荷放大器和第二電荷放大器，其功能是把被測量(力和響應(yīng)加速度)通過傳感器變換成電信號，然后經(jīng)電荷放大器或衰減后，進入FFT分析儀或模態(tài)分析專用處理系統(tǒng)進行處理，傳感器為微型的壓電式傳感器并被用蠟牢牢粘貼在被測真空電子器件的測點上，第一電荷放大器與傳感器連接，加速度計被放在振動臺上與第二電荷放大器；所述的信號處理部分包括分析儀及微機(軟件包)、打印機等外圍設(shè)備，分析儀的作用是測量和分析由傳感器所產(chǎn)生的信號，直至獲取傳遞函數(shù)數(shù)據(jù)，它是以快速傅立葉變換(FFT)技術(shù)為核心的數(shù)字信號分析系統(tǒng)，分析儀與第一電荷放大器連接，微機與第二電荷放大器連接。所述的測試夾具是一種為電子槍這種微型電子產(chǎn)品振動試驗專門設(shè)計的試驗夾具。采用剛性好、重量低、具有較高的剛性質(zhì)量比和高阻尼特性的鋁合金材料；夾具中單個部件用整塊材料加工而成，部件間用盡可能多的螺紋連接以保證夾具各部件剛性連接，消除夾具的自激振蕩；所有接觸面達到所需的平整度以保證良好的機械接觸。真空電子器件微型結(jié)構(gòu)，尺寸小結(jié)構(gòu)復(fù)雜質(zhì)量小，在掃頻振動試驗和隨機振動試驗中的共振探測困難，為了使盡量使傳感器的貼置不影響試品本身的模態(tài)，需要采用微小體積和質(zhì)量傳感器進行檢測。在此模態(tài)驗證系統(tǒng)中采用ENDEVCO22型壓電式傳感器，重量僅0.14g，它具有重量輕、體積小和頻率范圍寬等優(yōu)點。測點選擇在振動模型的典型位置，對于軸對稱結(jié)構(gòu)的試品可選擇對稱的測點同時檢測。由于此類產(chǎn)品的試驗振動強度不大、傳感器非常輕，故采用蠟將這種傳感器牢牢的貼在試件的測點上，即可以最大限度的不增加傳感器質(zhì)量，又可以保證傳感器的應(yīng)變與被測試件的應(yīng)變相等。
下面的實例是對一種真空電子器件-行波管中電子槍模型進行的模態(tài)驗證請參閱圖2，為了尋找電子槍打火的原因，以及掌握其結(jié)構(gòu)的動力特性，對電子槍樣品進行錘擊振動試驗，通過分析獲得電子槍樣品的固有頻率、模態(tài)振型和模態(tài)阻尼比，以驗證模擬仿真計算結(jié)果。
因為整個電子槍結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，一次完成整體建模其內(nèi)部的模態(tài)無法檢測到，為了能把電子槍所有代表位置點的模態(tài)都能驗證，所以將電子槍整體分解為外筒零件(1#)和內(nèi)陰極零件(2#)，分別單獨驗證驗證1#和2#模態(tài)，模擬計算的結(jié)果與試驗驗證結(jié)果符合后，再將這兩部分組合成整體模型計算模態(tài)，保證了計算的正確性。
測試的布點圖如圖3和圖4所示，箭頭的方向表示振動的測量方向，其中縱向振動的測量位置為實測點的投影位置。型號為Endevco22的微型傳感器用特殊的蠟粘在樣品上。采樣頻率為10KHz，每次測試每通道采樣300×512個數(shù)。這種方法實現(xiàn)多點激振(用力錘對多點敲擊)和單點響應(yīng)(一只加速度計)，在計算機上實時顯示錘擊頻響曲線，通過多次疊加平均計算出每個錘擊測振點的傳遞函數(shù)、自功率譜、互功率譜、相干函數(shù)和傅立葉譜。
電子槍整體由于界面的對稱性特點，橫向振動與縱向振動所測得的模態(tài)頻率是相同的。從各測點的橫向、軸向的測試結(jié)果，做出電子槍模型的模態(tài)振型示意圖。
表1列出了模型模態(tài)分析的參數(shù)結(jié)果，相應(yīng)的部分的振型如圖5、圖6和圖7所示表1

這些結(jié)果足以說明在電子槍模態(tài)頻率附近，如果遇上較大的振動激勵，則系統(tǒng)將發(fā)生強烈的共振，導(dǎo)致電子槍內(nèi)部陰柵之間出現(xiàn)打火。
做電子槍這樣的復(fù)雜的微型結(jié)構(gòu)模型的模態(tài)試驗比較難做，本專利介紹的真空電子器件微型結(jié)構(gòu)模態(tài)驗證方法解決了這一難題，實際模態(tài)試驗得到了理想的數(shù)據(jù)結(jié)果，能使模擬計算結(jié)果得到較好的驗證。
通過對真空電子器件內(nèi)部微型結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)的測試，提取其固有頻率和模態(tài)振型，可以掌握其振動特性，檢驗其抗振性能，有利于進一步提高其可靠性。帶來的有益效果體現(xiàn)在兩個方面一方面用于檢測微型結(jié)構(gòu)電子產(chǎn)品的模態(tài)參數(shù)，掌握其結(jié)構(gòu)的動力特性，檢驗其抗振性能，填補國內(nèi)空白；另一方面真空電子器件微型結(jié)構(gòu)模態(tài)驗證系統(tǒng)的建立有利于提高國內(nèi)此類產(chǎn)品動力學模態(tài)分析方法，有利于微型電子產(chǎn)品可靠性環(huán)境試驗的發(fā)展。
權(quán)利要求
1.一種真空電子器件的模態(tài)驗證方法，其特征在于，它包括如下步驟(1)將被測真空電子器件夾緊并固定；(2)對被測真空電子器件實施激勵；(3)將被測真空電子器件因激勵而產(chǎn)生的物理量轉(zhuǎn)換成電信號；(4)將所述電信號放大或衰減后進行分析處理得到被測真空電子器件的模態(tài)參數(shù)；(5)將所述的被測真空電子器件的模態(tài)參數(shù)與通過計算機仿真方法得到的模態(tài)參數(shù)進行驗證。
2.如權(quán)利要求1所述的真空電子器件的模態(tài)驗證方法，其特征在于在步驟(2)中，將被測真空電子器件劃分為兩個或兩個以上區(qū)域，分別單獨對各個區(qū)域進行激勵；因此還進一步包括步驟(6)，在步驟(6)中，再將各個區(qū)域組合成整體模型計算模態(tài)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的真空電子器件的模態(tài)驗證方法，其特征在于，在步驟(1)中，被測真空電子器件的夾緊并與固定是由一半月形卡槽式防振夾具來實現(xiàn)，該半月形卡槽式防振夾具采用鋁合金材料制成，其各個組成部件之間的聯(lián)接為螺紋聯(lián)接。
4.如權(quán)利要求1或2所述的真空電子器件的模態(tài)驗證方法，其特征在于，在步驟(2)中，采用錘擊法來實現(xiàn)對被測真空電子器件的激勵。
5.如權(quán)利要求4所述的真空電子器件的模態(tài)驗證方法，其特征在于，在被測真空電子器件的縱向和橫向上分別用力錘進行多點激振。
6.如權(quán)利要求1或2所述的真空電子器件的模態(tài)驗證方法，其特征在于，在步驟(3)中，利用微型的壓電式傳感器將力和響應(yīng)加速度變換成電信號，用蠟將該壓電式傳感器牢牢粘貼在被測真空電子器件的測點上。
7.如權(quán)利要求4所述的真空電子器件的模態(tài)驗證方法，其特征在于，在步驟(5)中，所述的分析處理過程是由計算機根據(jù)該電信號實時顯示錘擊頻響曲線，并通過多次疊加平均計算出每個測振點的傳遞函數(shù)、自功率譜、互功率譜、相干函數(shù)和傅立葉譜。
8.一種真空電子器件的模態(tài)驗證系統(tǒng)，它包括被測真空電子器件，其特征在于它還包括激勵部分、測量部分和信號處理部分；所述的激勵部分包括振動臺、夾具和激振器，夾具夾緊被測真空電子器件后放置在振動臺上，由激振器完成對被測真空電子器件的激勵；所述的測量部分包括傳感器、加速度計、第一電荷放大器和第二電荷放大器，傳感器為微型的壓電式傳感器并被用蠟牢牢粘貼在被測真空電子器件的測點上，第一電荷放大器與傳感器連接，加速度計被放在振動臺上與第二電荷放大器；所述的信號處理部分包括計算機系統(tǒng)，該計算機系統(tǒng)分別與第一、第二電荷放大器連接。
9.如權(quán)利要求8所述的真空電子器件的模態(tài)驗證系統(tǒng)，其特征在于所述的夾具為半月形卡槽式防振夾具，它采用鋁合金材料制成，其各個組成部件之間的聯(lián)接為螺紋聯(lián)接。
10.如權(quán)利要求8所述的真空電子器件的模態(tài)驗證系統(tǒng)，其特征在于所述的激振器為力錘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種真空電子器件的模態(tài)驗證方法包括如下步驟(1)將被測真空電子器件夾緊并固定；(2)對被測真空電子器件實施激勵；(3)將被測真空電子器件因激勵而產(chǎn)生的物理量轉(zhuǎn)換成電信號；(4)將所述電信號放大或衰減后進行分析處理得到被測真空電子器件的模態(tài)參數(shù)；(5)將所述的被測真空電子器件的模態(tài)參數(shù)與通過計算機仿真方法得到的模態(tài)參數(shù)進行驗證。本發(fā)明用于檢測微型結(jié)構(gòu)電子產(chǎn)品的模態(tài)參數(shù)，掌握其結(jié)構(gòu)的動力特性，檢驗其抗振性能，解決了真空電子器件微型結(jié)構(gòu)內(nèi)部模態(tài)驗證這一難題，實際模態(tài)試驗得到了理想的數(shù)據(jù)結(jié)果，能使模擬計算結(jié)果得到較好的驗證。
文檔編號G01M7/00GK1955750SQ20051010052
公開日2007年5月2日 申請日期2005年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月24日
發(fā)明者何小琦, 宋芳芳 申請人:信息產(chǎn)業(yè)部電子第五研究所