振動(dòng)測試與分析實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書資料

1、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書基于弦索振動(dòng)頻率測試張力實(shí)驗(yàn)范晨光 高芳清 張剛 編西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院二一一年五月學(xué)生實(shí)驗(yàn)須知1. 實(shí)驗(yàn)前，必須預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中相關(guān)內(nèi)容，了解本次實(shí)驗(yàn)的目的、要求及注意事項(xiàng)。2. 按預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間準(zhǔn)時(shí)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，不得無故遲到、早退、缺席。3. 進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，不得高聲喧嘩和擅動(dòng)儀器設(shè)備。4. 保持實(shí)驗(yàn)室整潔，不準(zhǔn)在機(jī)器、儀器及桌上涂寫，不準(zhǔn)亂丟紙屑，不準(zhǔn)隨地吐痰。5. 實(shí)驗(yàn)中，嚴(yán)格遵守操作步驟和注意事項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)室，儀器設(shè)備發(fā)生故障，要立即報(bào)告指導(dǎo)老師，及時(shí)檢查，排除故障后方能繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。6. 實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生不按儀器操作規(guī)程操作損壞儀器設(shè)備者，將按學(xué)校損壞儀器賠償規(guī)定處理。7. 實(shí)驗(yàn)

2、過程中，同學(xué)們要相互配合，認(rèn)真測取數(shù)據(jù)和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。8. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)將儀器、工具清理擺正。不得將實(shí)驗(yàn)室的工具、儀器、材料等帶出實(shí)驗(yàn)室。9. 實(shí)驗(yàn)完畢，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)續(xù)經(jīng)指導(dǎo)老師認(rèn)可，蓋章后方能離開實(shí)驗(yàn)室。10. 實(shí)驗(yàn)報(bào)告只提供大體格式，具體報(bào)告格式由學(xué)生自行擬定。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求做到字跡端正、繪圖清晰、表格簡明、語言順暢。前 言 本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以西南交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)技術(shù)項(xiàng)目為依托，結(jié)合西南交通大學(xué)力學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)中心個(gè)性化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目而開發(fā)。通過本實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生深化力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，了解、熟悉力學(xué)知識(shí)在實(shí)際工程中的應(yīng)用，培養(yǎng)動(dòng)手能力、分析解決問題的方法和技能，開拓學(xué)生對(duì)力學(xué)知識(shí)在工程應(yīng)用中的視野。本實(shí)驗(yàn)涉及

3、振動(dòng)理論、數(shù)字信號(hào)處理、譜分析等方面深層知識(shí)以及振動(dòng)信號(hào)采集、分析方面的新發(fā)展，旨在培養(yǎng)學(xué)生操作動(dòng)態(tài)測試相關(guān)儀器的能力，掌握頻率法測試弦索內(nèi)力的方法，并學(xué)會(huì)運(yùn)用相關(guān)理論來解釋分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而達(dá)到鞏固理論知識(shí)和學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)方法的雙重目的。本指導(dǎo)書由實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)儀器簡介、數(shù)據(jù)分析處理、實(shí)驗(yàn)報(bào)告組成。本個(gè)性化實(shí)驗(yàn)主要面向土木、力學(xué)、檢測類專業(yè)本科生開放。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）通過振動(dòng)測試系統(tǒng)測得弦索各階固有頻率；（2）通過力傳感器測得弦索內(nèi)力；（3）將實(shí)測的固有頻率通過公式計(jì)算得到弦索內(nèi)力計(jì)算值，并與實(shí)測值進(jìn)行比較。二、實(shí)驗(yàn)裝置、測試儀器及測試軟件介紹1實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖本實(shí)驗(yàn)

4、裝置包括底座、固定支座、滑動(dòng)支座、弦索、加力器和力傳感器等五部分。裝置各部分細(xì)節(jié)如圖2a至圖2d所示。 （a）固定支座 （b） 可動(dòng)支座 （c） 力傳感器 （d） 加力器圖2 裝置細(xì)節(jié)圖2測試儀器由加速度傳感器、YE5853A模擬放大器和Wavebook數(shù)字采集器組成的振動(dòng)測試系統(tǒng)，操作較為復(fù)雜，只作簡單介紹。加速度傳感器如圖3所示。圖3 加速度傳感器YE5853A型電荷放大器如圖4所示。圖4 YE5853A型電荷放大器 YE5853A型電荷放大器是一種多通道組合式電荷放大器，它和壓電加速度傳感器連接，組成測試系統(tǒng)，可對(duì)振動(dòng)、沖擊等物理參數(shù)進(jìn)行測量。其測試頻率范圍為1Hz100KHz。Wave

5、book512A型數(shù)字采集器如圖5所示圖5 Wavebook512A型數(shù)字采集器Wavebook512A型數(shù)字采集器為16通道高頻數(shù)字信號(hào)采集器，通常與電荷放大器連接構(gòu)成振動(dòng)測試系統(tǒng)。將YE5853A電荷放大器和Wavebook數(shù)字采集器與壓電式加速度傳感器連接，然后將Wavebook數(shù)字采集器接入計(jì)算機(jī)，即可對(duì)弦索振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，存儲(chǔ)和分析。3測試軟件DasyLab虛擬實(shí)驗(yàn)室DasyLab是一個(gè)數(shù)據(jù)采集過程控制和分析系統(tǒng)，它可以利用Microsoft Windows提供的全部有利的功能和圖形接口。DasyLab的最突出的設(shè)計(jì)方案是它集成了市場上主要的控制設(shè)備，形成真正直觀操作環(huán)境來提供了豐

6、富的幫助功能，最大的信號(hào)處理速度以及最有效的圖形顯示效果。 在程序中選擇“Dasylab7.0”并打開，可以看到Dasylab7.0虛擬實(shí)驗(yàn)室的軟件界面如圖6。首先，在控制面板里激活“DaqConfiguration”，測試Wavebook采集器是否處于工作狀態(tài)，其方法見圖7a至圖7d。然后可以參照?qǐng)D8至圖12的方法建立測試程序。 將采集得到的振動(dòng)時(shí)域信號(hào)經(jīng)過快速傅立葉變換（FFT，可在軟件中自建），得到頻域中的幅值譜，比較不同長度、材料組成的弦索，其頻率隨張力變化的規(guī)律，并與公式對(duì)比。圖6 Dasylab7.0虛擬實(shí)驗(yàn)室界面 （a） （b） （c） （d）圖7 激活Wavebook采集儀 圖

7、8 添加A/D硬件 圖9 添加示波器 圖10 設(shè)置采集結(jié)果文件存盤圖11 設(shè)置采集參數(shù)圖12 采集信號(hào)三、頻率法測試的基本原理索力測定的理論基礎(chǔ)是弦振動(dòng)理論。主要承受軸向拉力的吊桿，如果考慮吊桿的抗彎剛度，則應(yīng)用動(dòng)力學(xué)普遍原理可以建立均勻線密度的吊桿在無阻尼時(shí)的自由振動(dòng)方程為： （1）式中：弦的線密度； 橫向位移函數(shù)； 縱向坐標(biāo)； 時(shí)間； 內(nèi)力； 吊桿的抗彎剛度。當(dāng)構(gòu)件兩端的邊界條件可以簡化為兩端鉸接時(shí)，則微分方程（1）的解為： （2）式中：吊桿拉索的計(jì)算長度； 為第階固有頻率； 振動(dòng)階次。當(dāng)?shù)鯒U拉索的抗彎剛度很小，與吊桿索長的平方相比 ，可以忽略不計(jì)，則： （3）因?yàn)椴ㄩL最長的駐波的頻率對(duì)應(yīng)

8、于，此時(shí)： （4）式中：為基頻。如果已知吊桿拉索的計(jì)算長度，弦的線密度，再測出它的前幾階振動(dòng)頻率，則可根據(jù)式（3）就可以求出它所受的拉力，這就是振弦式索力測試儀的基本原理。四、實(shí)驗(yàn)方法1、資料查新，了解弦索振動(dòng)頻率與內(nèi)力之間關(guān)系；2、在指導(dǎo)老師指導(dǎo)下，學(xué)習(xí)動(dòng)測法涉及的結(jié)構(gòu)振動(dòng)基本知識(shí)，理解振動(dòng)信號(hào)的分析與處理方法；3、在指導(dǎo)老師指導(dǎo)下，對(duì)力學(xué)傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，并記錄標(biāo)定值；4、設(shè)定弦索長度并固定滑動(dòng)支座端，通過加力器施加初始內(nèi)力；5、組配測試儀器，連接傳感器與信號(hào)采集設(shè)備；6、接通電源，設(shè)置振動(dòng)信號(hào)采集儀的系統(tǒng)觸發(fā)，對(duì)弦索施加瞬時(shí)激勵(lì)，采集傳感器信號(hào)并存儲(chǔ)；7可選取相同長度不同內(nèi)力進(jìn)行多次測量，也可改變弦長進(jìn)行測量，記錄測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；8、對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析，得到弦索的各階頻率；9、對(duì)采集的各階頻率數(shù)據(jù)以及記錄弦的長度、內(nèi)力等參數(shù)進(jìn)行處理；10、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 “基于弦振動(dòng)理論的頻率法測索力實(shí)驗(yàn)”實(shí)驗(yàn)報(bào)告專業(yè)： 學(xué)號(hào)： 姓名： 日期：一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩?實(shí)驗(yàn)儀器三、 實(shí)驗(yàn)原理及步驟四、數(shù)據(jù)記錄1記錄弦索長度、力傳感器示數(shù)以及各階頻率實(shí)測值于表1表1 材料： 直徑：弦