测试技术与数据处理试验.docx

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测试技术与数据处理试验

南京林业大学

试验报告

2014～2015学年第二学期

报告名称：

测试技术与数据处理试验

专业：

建筑与土木工程

学号：

作者：

任课教师：

二○一五年六月

（一）应变式拉力传感器的制作与静态标定试验报告

一、实验目的

1、初步掌握常温用电阻应变片的粘贴技术

2、熟悉应变式拉力传感器的制作方法

3、学习半桥的接线与静态标定方法

4、学习电阻应变仪操作方法

5、了解信号采样的原理和方法

二、设备和器材

1、电阻应变片、导线、万用表或电桥、砝码、25瓦电烙铁、焊锡、松香、镊子

2、502粘结剂、丙酮、石蜡或清漆、康铜皮、细砂纸、棉纱、塑料薄膜

3、电阻应变仪

三、实验原理

弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。

四、实验步骤

1、测量电阻应变片电阻值,选择2~4片电阻值非常接近的电阻应变片

2、剪一小块矩形状的康铜皮并弯成弓形;在康铜皮待贴位置用细砂纸打成45交叉纹，用丙酮醮棉纱将贴片位置附近擦洗干净直到棉纱洁白为止。

3、将502粘结剂瓶口打一小细孔。

一手捏住应变片引出线，一手拿502粘结剂瓶。

将瓶口向下在应变片基底底面上涂抹一层502粘结剂，立即将应变片底面向下平放在试件贴片部位上，并使应变片基准对准康铜皮纵轴线方向。

将一小片塑料薄膜盖在应变片上，用手指按应变片挤出多余粘结剂（按住时不要使应变片移动）手指保持不动1分钟后再放开,轻轻掀开薄膜，检查有无气泡、翘曲、脱胶等现象，否则需重贴。

4、用万用表检查应变片是否通路，否则需重贴或补焊。

5、按半桥电路原理用电烙铁焊接有关焊点，检查应变片公线与康铜皮之间的绝缘电阻，应在兆欧量级。

6、用石蜡或清漆复盖应变片区域作防湿层（本实验免去这一步骤）

7、分别半桥电路将传威器与电阻应变仪相连

8、检查无误后,开启电阻应变仪,预热15~30分钟后，调节传感器受力砝码和电阻应变仪灵敏度,使传感器最大受力时,电阻应变仪输出电压在4V左右。

9、对自制的拉力传感器进行标定；从零开始，每加载一次砝码，记录一次读数；加到最大值后，每卸载一次砝码，也记录一次读数，直到卸载为零，此时读数一般不能返回到零。

10、用线性回归对标定数据进行拟合，求出回归公式、标准差、相关系数、非线性度、回程误差。

五、试验数据记录及数据处理

1、数据记录

砝码重（克）

0

200

400

600

800

600

400

200

0

应变

0

932

1770

2480

3090

2460

1758

923

0.916

2、数据处理

3、试验数据处理代码

x=[2.4512.4422.4442.4452.4482.465];k6=1.82;X=mean（x）

S=std（x）

abs（（2.465-X）/S）-k6

xx=[02004006008006004002000];

yy=[0932177024803090246017589230.916];

polytool（xx,yy,1）

polyfit（xx,yy,1）

aa=91.1165;bb=3.9356;

YY=aa+bb.*xx

YY=1.0e+003*

SM=6.4059e+004

SS=sqrt（SM/（11-2））

corrcoef（xx,yy）

a=[14.817.018.820.521.823.8];

b=[1.591.631.671.691.681.62];

polytool（a,b,3）

六、注意事项

1、拉力传感器要轻拿轻放，尤其对于用合金铝材料作为弹性体的小容量传感器，任何振动造成的冲击或者跌落，都很有可能造成很大的输出误差。

2、设计加载装置及安装时应保证加载力的作用线与拉力传感器受力轴线重合，使倾斜负荷和偏心负荷的影响减至最小。

3、在水平调整方面。

如果使用的是单只拉力传感器的话，其底座的安装平面要使用水平仪调整直到水平;如果是多个传感器同时测量的情况，那么它们底座的安装面要尽量保持在一个水平面上，这样做的目的主要是为了保证每个传感器所承受的力量基本一致。

4、按照其说明中拉力传感器的量程选定来确定所用传感器的额定载荷。

5、传感器的底座安装面应尽可能的平整和清洁，没有任何油污或者胶膜等存在。

安装底座本身应具备足够的强度和刚性，通常要求高于传感器本身的强度和刚度。

6、传感器外壳、保护盖板、引线接头均经密封处理，用户不准打开。

7、为防止化学腐蚀.安装时宜用凡士林涂抹拉力传感器外表面。

应避免阳光直晒和环境温度剧变的场台使用。

8、防止大电流直接窜过传感器本体而损坏传感器禁止在传感器安装后进行电焊作业，在万不得已时应

9、说明中的拉力传感器量程选定来确定所用传感器的额定载荷，拉力传感器虽然本身具备一定的过载能力，但在安装和使用过程中应尽量避免此种情况。

有时短时间的超载，也可能会造成传感器永久损坏。

（二）变时基锤击法模态测试（实验）

一、目的

1、学习变时基信号采样的原理和应用方法。

2、学会用变时基锤击法进行简支梁模态测试与分析的实验方法。

二、仪器安装示意图

三、模态分析方法的意义和应用领域

模态分析方法是把复杂的实际结构简化成模态模型来进行系统的参数识别，从而简化了系统的数学运算。

通过实验测得实际响应来寻示相应的模型或调整预想的模型参数，使其成为实际结构的最隹描述。

主要应用有：

①用于振动测量和结构动力学分析。

可测得比较精确的固有频率,模态振型,模态阻尼,模态质童和模态刚度。

②可用模态试验结果去指导有限元理论模型的修正，使计算模型更趋完善和合理。

③用来进行结构动力学修改,灵敏度分析和反问题的计算。

④用来进行响应计算和载荷识别。

四、模态分析基本原理

工程实际中的振动系统都是连续弹性体，其质量与刚度具有分布的性质，只有掌握无限多个点在每瞬时的运动情况，才能全面描述系统的振动。

因此，理论上它们都属于无限多自由度的系统，需要用连续模型才能加以描述。

但实际上不可能这样做，通常采用简化的方法，归结为有限个自由度的模型来进行分析，即将系统抽象为由一些集中质量块和弹性元件组成的模型。

如果简化的系统模型中有n个集中质量，一般它便是一个n自由度的系统，需要n个独立坐标来描述它们的运动，系统的运动方程是n个二阶互相耦合（联立）的常微分方程。

模态分析是在承认实际结构可以运用所谓“模态模型”来描述其动态响应的条件下，通过实验数据的处理和分析，寻求其“模态参数”，是一种参数识别的方法。

模态分析的实质，是一种坐标转换。

其目的在于把原在物理坐标系统中描述的响应向量，放到所谓“模态坐标系统”中来描述。

这一坐标系统的每一个基向量恰是振动系统的一个特征向量。

也就是说在这个坐标下，振动方程是一组互无耦合的方程，分别描述振动系统的各阶振动型式，每个坐标均可单独求解，得到系统的某阶结构参数。

经离散化处理后，一个结构的动态特性可由N阶矩阵微分方程描述：

（1）

式中f（t）为N维激振力向量：

X、X、X分别为N维位移、速度和加速度响应向量；M、K、C分别为结构的质量、刚度和阻尼矩阵，通常为实对称N阶矩阵。

设系统的初始状态为零，对方程式（l）两边进行拉普拉斯变换,可以得到以复为变量的矩阵代数方程

[Ms2+Cs+K]x（S）=f（S）

（2）

式中的矩阵z（S）=[Ms2+Cs+K]（3）

反映了系统动态特性，称为系统动态矩阵或广义阻抗矩阵。

其逆阵

h（S）=[Ms2+Cs+K]-1（4）

称为广义导纳矩阵，也就是传递函数矩阵。

由式

（2）可知

X（S）＝H（S）F（S）（5）

在上式中令S=jω，即可得到系统在频域中输出（响应向量X（ω））和输入（激振向量F（ω））的关系式

X（ω）=H（ω）F（ω）（6）

式中H（ω）为频率响应函数矩阵。

H（ω）矩阵中第i行第j列的元素

Hij（ω）=Xi（ω）/Fj（ω）（7）

等于仅在j坐标激振（其余坐标激振力为零）时，i坐标响应与激振力之比。

在（3）式中令S=jω，可得阻抗矩阵

Z（ω）=（K—ω2M）+jωC（8）

利用实对称矩阵的加权正交性，有

..

ΦTMΦ=mrΦTKΦ=kr

..

其中矩阵Φ=[Φ1,Φ2,……..ΦN]称为振型矩阵，假设阻尼矩阵C也满足振型正交性关系代入（8）式得到

..

ΦTCΦ=Cr代入（8）式得到Z（ω）=Φ-TZrΦ-1

..

.

式中Zr=（Kr—ω2Mr）+jωCr,因此H（ω）=Z（ω）-1=ΦZrΦT

。

NΦriΦrj

Hij（ω）=∑mr[（ωr2-ω2）+j2ξrωrω]

上式中,ωr2=kr/mr,ξr=cr/2mrωr

mr、kr分别称为第r阶模态质量和模态刚度（又称为广义质量和广义刚度）。

ωr、ξr和Φr分别称为第r阶模态频率、模态阻尼比和模态振型。

不难发现，N自由度系统的频率响应，等于N个单自由度系统频率响应的线形叠加。

为了确定全部模态参数ωr、ξr和Φr（r=l，2，…，N），实际上只需测量频率响应矩阵的一列（对应一点激振，各点测量的H（ω））或一行（对应依次各点激振，一点测量的H（ω）T）就够了。

试验模态分析或模态参数识别的任务就是由一定频段内的实测频率响应函数数据，确定系统的模态参数——模态频率ωr、模态阻尼比ξr和振型Φr＝（Φr1,Φr2,…ΦrN）T,r=1,2,…n

（n为系统在测试频段内的模态数）。

五、模态分析方法和测试过程

1）激励方法

为进行模态分析，首先要测得激振力及相应的响应信号，进行传递函数分析。

传递函数分析实质上就是机械导纳，i和j两点之间的传递函数表示在j点作用单位力时，在i点所引起的响应。

要得到i和j点之间的传递导纳，只要在j点加一个频率为的正弦的力信号激振，而在i点测量其引起的响应，就可得到计算传递函数曲线上的一个点。

如果是连续变化的，分别测得其相应的响应，就可以得到传递函数曲线。

然后建立结构模型，采用适当的方法进行模态拟合，得到各阶模态参数和相应的模态动画，形象地描述出系统的振动型态。

根据据模态分析原理，我们要测得传递函数矩阵中的任一行或任一列，由此可采用不同的测试方法。

要得到矩阵中的任一行，要求采用各点轮流激励，一点响应的方法：

要得到矩阵中任一列，采用一点激励，多点测量响应的方法。

实际应用时，单点响应法，常用锤击法激振，用于结构较为轻小，阻力不大的情况.对于笨重,大型及阻尼较大的系统,常用固定点激振的方法，用激振器激励，以提供足够的能量.

当结构过于巨大和笨重,以至于采用单点激振时不能提供足够的能量把我们感兴趣的模态激励出来.或者是结构在同一频率时可能有多个模态，这样单点激振就不能把它们分离出来,这时就要采用多点激励的方法,采用两个甚至更多的激励来激发结构的振动。

2）结构安装方式

在测试中使结构系统处于何种状态，是试验准备工作的一个重要方面。

一种是经常采用的自由状态。

即使试验对象在任一座标上都不与地面相连接，自由地悬浮在空中。

如放在很软的泡沫塑料上；或用很长的柔索将结构吊起而在水平方向激振，可认为在水平方面处于自由状态。

另一种是地面支承状态，结构上有一点或若干选定点与地面固结。

如果我们所关心的实际工况支承条件下的模态，这时，可在实际支承条件下进行实验。

但最好还是以自由支承为佳。

因为自由状态具有更多的自由度。

3）变时基方法的应用，

在进行瞬态信号与响应信号采样时，激励与响应之间，特征时间与特征频率的差异太大，激励是mS级的，响应是几百mS级到秒级。

如果采用等时基传递函数做瞬态激励传函分析时，就存在频率分辨力（采样频率越低，分辨力越高）和时域波形精度（采样频率越高，时域波形精度越高）这一对无法克服的矛盾。

由于脉冲激励信号作用时间较短，为了确保频率分辨力，采样频率不能太高，从而导致以下几种情况：

（l）采到的激励信号偏大;

（2）采到的激励信号偏小：

（3）激励信号没有采上。

计算出来的导纳值重复性差，相位不准。

因此在变时基提出之前，大型结构无法用锤击法测出模态，只能使用火箭激励，因为火箭激励时加长了激励时间，且它可以产生方波激励信号。

变时基的原理：

用较高的频率对力脉冲进行采样，用较低的频率对响应信号进行采样，两个采样频率的倍数就是变时倍数。

采用变时基就可以解决以上问题。

六、步骤

有一根梁如下图所示，长（x向）680mm，宽（y向）50mm，高（z向）8mm。

欲使用多点敲击单点响应方法做其z方向的振动模态，可按以下步骤进行。

1、测点的确定

此梁在yz方向尺寸和x方向（尺寸）相差较大，可以简化为杆件，所以只需在x方向顺序布遭若干敲击点即可（本例乐用多点移步敲击单点响应方法），敲击点的数目视要得到的模态阶数而定,敲击点数目要多于所要求的阶数，得出的高阶模态结果才可信。

此例中在x方向把梁分成16等份，即可以布17个测点。

选取拾振点时要尽量避免使拾振点在模态振型的节点上，此处取拾振点在第6个敲击点处。

2、仪器连接

仪器连接如下图所示，力锤传感器接振教仪第一通道的电荷输入端，压电加速度传感器接振教仪第二通道的电荷输入端，振教仪的输入选择相应拨到压电加速度一端，其输出分别接采集仪第1，2通道。

1234567891011121314151617

振教仪采集仪

3、结构生成

仪器连接好后，启动DASP2000软件，选择模态分析按钮，进入模态分析教学系统界面。

在左边信息窗口中结构采样分析动画选择结构,选择并设置结构参数。

选择结构置1（1为筒支梁，2为等截面悬臂梁，3为等强度变截面悬臂梁，4为圆板）。

然后在右面窗口中按x~16y~1z~1分布测点。

4、参数设置与采样

在左边信息窗口中结构采样分析动画选择采样，进入采样界面

在测量设置中设置传感器类型总测点数和原点导纳位置。

总测点数根据结构自动读取，不可更改。

在多次触发采样设置中设置每个测点触发采样次数，变时基倍数为4等。

用力锤敲击各个测点，观察有无波形，若无波形或波形不正常，就要检查仪器连接是否正确导线是否接通传感器工作是否正常等，直至示波波形正确为止。

在

采样参数设置中选定采样频率（例如12000Hz）和变时倍数（例如

4倍），采样长度2k，程控倍数为1，使用适当的敲击力敲击各测点，调节放大器的放大倍数或INV的程控倍数，直到力的波形和响应的波形即不过载又不是太小.选定采样时自动增加测点号，准备采样。

本例采样名为:

NLD;试验号默认为:

1;数据路径:

D:

\DASPOUT.分析结果路径和数据路径相同,可按更改来设置文件名和采样数据存储路径;采样类型设为:

变时基;单位类型设为:

第一通道的工程单位设为:

N（牛顿）,第二通道的工程单位设为:

m/s2（加速度）;其余通道本例不用。

最后输入标定值和工程单位.通过示波已经定好了放大器的档位,传感器灵敏度为KCH（PC/U）,（PC/U表示每个工程单位输出多少PC的电荷,如是力,而且参数表中工程单位设为牛顿N,则此处为PC/N;如是加速度,而且参数表中工程单位设为m/s2,则此处为PC/m/s2）。

振教仪输出增益为KE;灵敏度适调为KSH（PC/U）;积分增益为KJ（振教仪的一次积分和二次积分KJ=1）;仪器标称值为KD（mV/U）。

加速度（或力）峰值力200m/s2时输出为满量程5V,则KD=5/200=0.025（V/m/s2）;

速度峰值为200m/s时输出为满量程5V,则KD=5/200=0.025（V/m/s）;

位移峰值为2000μm时输出为满量程5V,则KD=5/2000=0.0025（V/μm）。

则DASP参数设置表中的标定值:

K=KCH×KE×KJ×KD×1000/KSH（mV/U）

参数设置完后，选择自动增加测点号，按左窗下面的开始采样按钮，进入触发变时基采样状态，等待触发，并提示当前采样的点号和触发次数。

根据提示从第一点按设定的触发次数测试到最后一个测点，自动记录下每次测试结果。

测试过程中尽量避免连击现象，如果有连击现象，按中止采样按钮，改变测点号重新开始采样，将复盖原来数据。

5、分析

（1）调采样数据

采样完成后在结构采样分析功率中迭择分析,打开分析对话框，对采样数据进行传函分析，打开对话框，对采样数据进行传函分析。

首先迭择要调入的测点号，按调入波形按钮，右面窗口中显示该测点的波形。

以每一通道的力信号加力窗，按鼠标左键在力信号的左边，桉左窗口中的左边按钮，按鼠标左键在力信号的右边，桉左窗口中的右边按钮，宗成对力信号的力窗设置。

对响应信号加指数窗，迭择系数。

当系数为0时为不加指数窗。

如图所示

（2）传函分析

设置宪成后按进行传函计算,完成迭定点传函分析,显示分析结果。

按自动计算全部传函按扭,可以分析完全部采样点的传函分析,计算完成后提示:

所有测点的传函计算完毕。

（3）模态拟合

该软件采用集总平均的方法进行模态定阶，桉开始模态定阶，显示集总平均后的结果，用鼠标分别点峰值点，收取该阶频率，侬次收取各阶峰值，按保存按钮存盘。

如果收取有误可按清除按钮清除当前结果。

如图所示：

模态拟合采用复模态单自由度拟合的方法，按开始模态拟合得到拟合结果。

（4）振型编辑

质量归一和振型归一两种方式,本例迭择质量归一,完成后显示:

模态振型编辑完毕!

以后可以观察打印和保存分析结果,也可以观察模态振型的动画显示。

（5）动画显示

按结构采样分析动画进入动画显示对话框,根据每个对话框中的相应按钮可以动画进行控制,如更换显示阶数显示轨迹;在视图迭择中迭取显示方式:

单视图多模态和三视图;改变显示色彩方式;振幅速度和大小,以及几何位置.对于当前动画可输虫AVI格式的动画文档,可直接用媒体播放器播放.按模态输出为AVI文件,弹出文件名对话框,模态动画视频压缩对话中的压缩程序迭择MicorsoftVideo1.0方式,确定后即可生成动画文件.在保存的目录下调用文件,显示动画。

输出报告数据文本图形打印图形存盘图形复制

七、结果和分析

1、记录模态参数

模态参数

第一阶

第二阶

第三阶

第四阶

频率

36.229

89.267

177.142

248.709

质量

1.0000e+000

1.0000e+000

1.0000e+000

1.0000e+000

刚度

5.1817e+004

3.1459e+005

1.2388e+006

2.4420e+006

阻尼

0.079

0.115

0.643

0.296

2、打印出各阶模态振型图