測試技術(shù)與數(shù)據(jù)處理試驗

1、南 京 林 業(yè) 大 學(xué)試驗報告2014 2015 學(xué) 年 第 二 學(xué)期 報告名稱：測試技術(shù)與數(shù)據(jù)處理試驗專 業(yè)：建筑與土木工程學(xué) 號：作 者： 任課教師： 二一五 年 六 月（一） 應(yīng)變式拉力傳感器的制作與靜態(tài)標(biāo)定試驗報告一、實驗?zāi)康?、初步掌握常溫用電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)2、熟悉應(yīng)變式拉力傳感器的制作方法3、學(xué)習(xí)半橋的接線與靜態(tài)標(biāo)定方法4、學(xué)習(xí)電阻應(yīng)變儀操作方法5、了解信號采樣的原理和方法二、設(shè)備和器材1、電阻應(yīng)變片、導(dǎo)線、萬用表或電橋、砝碼、25瓦電烙鐵、焊錫、松香、鑷子2、502粘結(jié)劑、丙酮、石蠟或清漆、康銅皮、細(xì)砂紙、棉紗、塑料薄膜3、電阻應(yīng)變儀三、實驗原理彈性體（彈性元件，敏感梁）在外

2、力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應(yīng)變片（轉(zhuǎn)換元件）也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減小），再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。四、實驗步驟1、測量電阻應(yīng)變片電阻值, 選擇24片電阻值非常接近的電阻應(yīng)變片2、剪一小塊矩形狀的康銅皮并彎成弓形;在康銅皮待貼位置用細(xì)砂紙打成45交叉紋，用丙酮醮棉紗將貼片位置附近擦洗干凈直到棉紗潔白為止。3、將502粘結(jié)劑瓶口打一小細(xì)孔。一手捏住應(yīng)變片引出線，一手拿502粘結(jié)劑瓶。將瓶口向下在應(yīng)變片基底底面上涂抹一層502粘結(jié)劑，立即將應(yīng)變片底面向下平放在試件貼片部位上，

3、并使應(yīng)變片基準(zhǔn)對準(zhǔn)康銅皮縱軸線方向。將一小片塑料薄膜蓋在應(yīng)變片上，用手指按應(yīng)變片擠出多余粘結(jié)劑(按住時不要使應(yīng)變片移動) 手指保持不動1分鐘后再放開,輕輕掀開薄膜，檢查有無氣泡、翹曲、脫膠等現(xiàn)象，否則需重貼。4、用萬用表檢查應(yīng)變片是否通路，否則需重貼或補焊。 5、按半橋電路原理用電烙鐵焊接有關(guān)焊點，檢查應(yīng)變片公線與康銅皮之間的絕緣電阻，應(yīng)在兆歐量級。6、用石蠟或清漆復(fù)蓋應(yīng)變片區(qū)域作防濕層(本實驗免去這一步驟)7、分別半橋電路將傳威器與電阻應(yīng)變儀相連8、檢查無誤后, 開啟電阻應(yīng)變儀, 預(yù)熱1530分鐘后，調(diào)節(jié)傳感器受力砝碼和電阻應(yīng)變儀靈敏度, 使傳感器最大受力時, 電阻應(yīng)變儀輸出電壓在4V左右。

4、9、對自制的拉力傳感器進行標(biāo)定；從零開始，每加載一次砝碼，記錄一次讀數(shù)；加到最大值后，每卸載一次砝碼，也記錄一次讀數(shù)，直到卸載為零，此時讀數(shù)一般不能返回到零。10、用線性回歸對標(biāo)定數(shù)據(jù)進行擬合，求出回歸公式、標(biāo)準(zhǔn)差、相關(guān)系數(shù)、非線性度、回程誤差。 五、試驗數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理1、數(shù)據(jù)記錄砝碼重（克）02004006008006004002000應(yīng)變0932177024803090246017589230.9162、數(shù)據(jù)處理3、試驗數(shù)據(jù)處理代碼x=2.451 2.442 2.444 2.445 2.448 2.465;k6=1.82;X=mean(x)S=std(x)abs(2.465-X)/S)

5、-k6xx=0 200 400 600 800 600 400 200 0;yy=0 932 1770 2480 3090 2460 1758 923 0.916;polytool(xx,yy,1)polyfit(xx,yy,1)aa=91.1165;bb=3.9356;YY=aa+bb.*xxYY =1.0e+003 *SM =6.4059e+004SS=sqrt(SM/(11-2)corrcoef(xx,yy)a=14.8 17.0 18.8 20.5 21.8 23.8;b=1.59 1.63 1.67 1.69 1.68 1.62;polytool(a,b,3)六、注意事項1、拉力傳感

6、器要輕拿輕放，尤其對于用合金鋁材料作為彈性體的小容量傳感器，任何振動造成的沖擊或者跌落，都很有可能造成很大的輸出誤差。2、設(shè)計加載裝置及安裝時應(yīng)保證加載力的作用線與拉力傳感器受力軸線重合，使傾斜負(fù)荷和偏心負(fù)荷的影響減至最小。3、在水平調(diào)整方面。如果使用的是單只拉力傳感器的話，其底座的安裝平面要使用水平儀調(diào)整直到水平;如果是多個傳感器同時測量的情況，那么它們底座的安裝面要盡量保持在一個水平面上，這樣做的目的主要是為了保證每個傳感器所承受的力量基本一致。4、按照其說明中拉力傳感器的量程選定來確定所用傳感器的額定載荷。5、傳感器的底座安裝面應(yīng)盡可能的平整和清潔，沒有任何油污或者膠膜等存在。安裝底座本

7、身應(yīng)具備足夠的強度和剛性，通常要求高于傳感器本身的強度和剛度。6、傳感器外殼、保護蓋板、引線接頭均經(jīng)密封處理，用戶不準(zhǔn)打開。7、為防止化學(xué)腐蝕.安裝時宜用凡士林涂抹拉力傳感器外表面。應(yīng)避免陽光直曬和環(huán)境溫度劇變的場臺使用。8、防止大電流直接竄過傳感器本體而損壞傳感器禁止在傳感器安裝后進行電焊作業(yè)，在萬不得已時應(yīng)9、說明中的拉力傳感器量程選定來確定所用傳感器的額定載荷，拉力傳感器雖然本身具備一定的過載能力，但在安裝和使用過程中應(yīng)盡量避免此種情況。有時短時間的超載，也可能會造成傳感器永久損壞。（二）變時基錘擊法模態(tài)測試（實驗）一、目的1、學(xué)習(xí)變時基信號采樣的原理和應(yīng)用方法。2、學(xué)會用變時基錘擊法進

8、行簡支梁模態(tài)測試與分析的實驗方法。二、儀器安裝示意圖三、模態(tài)分析方法的意義和應(yīng)用領(lǐng)域模態(tài)分析方法是把復(fù)雜的實際結(jié)構(gòu)簡化成模態(tài)模型來進行系統(tǒng)的參數(shù)識別，從而簡化了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)運算。通過實驗測得實際響應(yīng)來尋示相應(yīng)的模型或調(diào)整預(yù)想的模型參數(shù)，使其成為實際結(jié)構(gòu)的最隹描述。主要應(yīng)用有：用于振動測量和結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析。可測得比較精確的固有頻率,模態(tài)振型,模態(tài)阻尼,模態(tài)質(zhì)童和模態(tài)剛度?？捎媚B(tài)試驗結(jié)果去指導(dǎo)有限元理論模型的修正，使計算模型更趨完善和合理。用來進行結(jié)構(gòu)動力學(xué)修改,靈敏度分析和反問題的計算。用來進行響應(yīng)計算和載荷識別。四、模態(tài)分析基本原理 工程實際中的振動系統(tǒng)都是連續(xù)彈性體，其質(zhì)量與剛度具有分布的性

9、質(zhì)，只有掌握無限多個點在每瞬時的運動情況，才能全面描述系統(tǒng)的振動。因此，理論上它們都屬于無限多自由度的系統(tǒng)，需要用連續(xù)模型才能加以描述。但實際上不可能這樣做，通常采用簡化的方法，歸結(jié)為有限個自由度的模型來進行分析，即將系統(tǒng)抽象為由一些集中質(zhì)量塊和彈性元件組成的模型。如果簡化的系統(tǒng)模型中有n個集中質(zhì)量，一般它便是一個n自由度的系統(tǒng)，需要n個獨立坐標(biāo)來描述它們的運動，系統(tǒng)的運動方程是n個二階互相耦合(聯(lián)立)的常微分方程。 模態(tài)分析是在承認(rèn)實際結(jié)構(gòu)可以運用所謂“模態(tài)模型”來描述其動態(tài)響應(yīng)的條件下，通過實驗數(shù)據(jù)的處理和分析，尋求其“模態(tài)參數(shù)”，是一種參數(shù)識別的方法。 模態(tài)分析的實質(zhì)，是一種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。其

10、目的在于把原在物理坐標(biāo)系統(tǒng)中描述的響應(yīng)向量，放到所謂“模態(tài)坐標(biāo)系統(tǒng)”中來描述。這一坐標(biāo)系統(tǒng)的每一個基向量恰是振動系統(tǒng)的一個特征向量。也就是說在這個坐標(biāo)下，振動方程是一組互無耦合的方程，分別描述振動系統(tǒng)的各階振動型式，每個坐標(biāo)均可單獨求解，得到系統(tǒng)的某階結(jié)構(gòu)參數(shù)。經(jīng)離散化處理后，一個結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性可由 N階矩陣微分方程描述： (1) 式中 f(t)為N維激振力向量：X、X、X分別為 N維位移、速度和加速度響應(yīng)向量； M、 K、 C分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度和阻尼矩陣，通常為實對稱 N階矩陣。設(shè)系統(tǒng)的初始狀態(tài)為零，對方程式(l)兩邊進行拉普拉斯變換, 可以得到以復(fù)為變量的矩陣代數(shù)方程 Ms2 + Cs

11、 +Kx(S) = f(S) (2)式中的矩陣 z(S) = Ms2 + Cs +K (3)反映了系統(tǒng)動態(tài)特性，稱為系統(tǒng)動態(tài)矩陣或廣義阻抗矩陣。其逆陣 h(S) = Ms2 + Cs +K-1 (4)稱為廣義導(dǎo)納矩陣，也就是傳遞函數(shù)矩陣。由式(2)可知 X(S) H(S)F(S) (5)在上式中令S=j，即可得到系統(tǒng)在頻域中輸出(響應(yīng)向量 X()和輸入(激振向量 F()的關(guān)系式 X() = H()F() (6)式中 H()為頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣。H()矩陣中第 i行第j列的元素 Hij() = Xi()/Fj() (7)等于僅在j坐標(biāo)激振(其余坐標(biāo)激振力為零)時，i坐標(biāo)響應(yīng)與激振力之比。 在(3)

12、式中令S=j，可得阻抗矩陣 Z() = (K2M)+jC (8)利用實對稱矩陣的加權(quán)正交性，有 . . TM= mr TK= kr . .其中矩陣 =1, 2,. N稱為振型矩陣，假設(shè)阻尼矩陣 C也滿足振型正交性關(guān)系代入(8)式得到 . . TC= Cr 代入(8)式得到 Z()= -T Zr -1 . . .式中 Zr=(Kr2Mr)+jCr ,因此H()=Z()-1= Zr T 。 N rirj Hij()= mr(r2-2)+j2rr 上式中, r2=kr/mr, r=cr/2mrrmr、 kr分別稱為第 r階模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)剛度(又稱為廣義質(zhì)量和廣義剛度)。r、r和r分別稱為第 r階模態(tài)

13、頻率、模態(tài)阻尼比和模態(tài)振型。 不難發(fā)現(xiàn)，N自由度系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，等于N個單自由度系統(tǒng)頻率響應(yīng)的線形疊加。為了確定全部模態(tài)參數(shù) r、r和r( r=l，2， N)，實際上只需測量頻率響應(yīng)矩陣的一列(對應(yīng)一點激振，各點測量的 H()或一行(對應(yīng)依次各點激振，一點測量的 H()T)就夠了。試驗?zāi)B(tài)分析或模態(tài)參數(shù)識別的任務(wù)就是由一定頻段內(nèi)的實測頻率響應(yīng)函數(shù)數(shù)據(jù)，確定系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)模態(tài)頻率r、模態(tài)阻尼比r 和振型r(r1,r2,rN)T, r=1,2,n(n為系統(tǒng)在測試頻段內(nèi)的模態(tài)數(shù))。五、模態(tài)分析方法和測試過程 1)激勵方法 為進行模態(tài)分析，首先要測得激振力及相應(yīng)的響應(yīng)信號，進行傳遞函數(shù)分析。傳遞函數(shù)分

14、析實質(zhì)上就是機械導(dǎo)納， i和j兩點之間的傳遞函數(shù)表示在j點作用單位力時，在i點所引起的響應(yīng)。要得到i和j點之間的傳遞導(dǎo)納，只要在j點加一個頻率為 的正弦的力信號激振，而在 i點測量其引起的響應(yīng)，就可得到計算傳遞函數(shù)曲線上的一個點。如果 是連續(xù)變化的，分別測得其相應(yīng)的響應(yīng)，就可以得到傳遞函數(shù)曲線。然后建立結(jié)構(gòu)模型，采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM行模態(tài)擬合，得到各階模態(tài)參數(shù)和相應(yīng)的模態(tài)動畫，形象地描述出系統(tǒng)的振動型態(tài)。 根據(jù)據(jù)模態(tài)分析原理，我們要測得傳遞函數(shù)矩陣中的任一行或任一列，由此可采用不同的測試方法。要得到矩陣中的任一行，要求采用各點輪流激勵，一點響應(yīng)的方法：要得到矩陣中任一列，采用一點激勵，多點測量響應(yīng)

15、的方法。實際應(yīng)用時，單點響應(yīng)法，常用錘擊法激振，用于結(jié)構(gòu)較為輕小，阻力不大的情況.對于笨重,大型及阻尼較大的系統(tǒng),常用固定點激振的方法，用激振器激勵，以提供足夠的能量. 當(dāng)結(jié)構(gòu)過于巨大和笨重,以至于采用單點激振時不能提供足夠的能量把我們感興趣的模態(tài)激勵出來.或者是結(jié)構(gòu)在同一頻率時可能有多個模態(tài)，這樣單點激振就不能把它們分離出來,這時就要采用多點激勵的方法,采用兩個甚至更多的激勵來激發(fā)結(jié)構(gòu)的振動。 2)結(jié)構(gòu)安裝方式 在測試中使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)處于何種狀態(tài)，是試驗準(zhǔn)備工作的一個重要方面。一種是經(jīng)常采用的自由狀態(tài)。即使試驗對象在任一座標(biāo)上都不與地面相連接，自由地懸浮在空中。如放在很軟的泡沫塑料上；或用很長的

16、柔索將結(jié)構(gòu)吊起而在水平方向激振，可認(rèn)為在水平方面處于自由狀態(tài)。另一種是地面支承狀態(tài)，結(jié)構(gòu)上有一點或若干選定點與地面固結(jié)。 如果我們所關(guān)心的實際工況支承條件下的模態(tài)，這時，可在實際支承條件下進行實驗。但最好還是以自由支承為佳。因為自由狀態(tài)具有更多的自由度。 3)變時基方法的應(yīng)用 ， 在進行瞬態(tài)信號與響應(yīng)信號采樣時，激勵與響應(yīng)之間，特征時間與特征頻率的差異太大，激勵是mS級的，響應(yīng)是幾百 mS級到秒級。如果采用等時基傳遞函數(shù)做瞬態(tài)激勵傳函分析時，就存在頻率分辨力(采樣頻率越低，分辨力越高)和時域波形精度(采樣頻率越高，時域波形精度越高)這一對無法克服的矛盾。由于脈沖激勵信號作用時間較短，為了確保頻

17、率分辨力，采樣頻率不能太高，從而導(dǎo)致以下幾種情況：(l)采到的激勵信號偏大;(2)采到的激勵信號偏?。?3)激勵信號沒有采上。計算出來的導(dǎo)納值重復(fù)性差，相位不準(zhǔn)。因此在變時基提出之前，大型結(jié)構(gòu)無法用錘擊法測出模態(tài)，只能使用火箭激勵，因為火箭激勵時加長了激勵時間，且它可以產(chǎn)生方波激勵信號。 變時基的原理：用較高的頻率對力脈沖進行采樣，用較低的頻率對響應(yīng)信號進行采樣，兩個采樣頻率的倍數(shù)就是變時倍數(shù)。采用變時基就可以解決以上問題。六、步驟有一根梁如下圖所示，長(x向) 680mm，寬(y向) 50mm，高(z向) 8mm。欲使用多點敲擊 單點響應(yīng)方法做其z方向的振動模態(tài)，可按以下步驟進行。1、測點的

18、確定此梁在yz方向尺寸和x方向(尺寸)相差較大，可以簡化為桿件，所以只需在x方向順序布遭若干敲擊點即可(本例樂用多點移步敲擊 單點響應(yīng)方法)，敲擊點的數(shù)目視要得到的模態(tài)階數(shù)而定, 敲擊點數(shù)目要多于所要求的階數(shù)，得出的高階模態(tài)結(jié)果才可信。此例中在x方向把梁分成16等份，即可以布17個測點。選取拾振點時要盡量避免使拾振點在模態(tài)振型的節(jié)點上，此處取拾振點在第6個敲擊點處。2、儀器連接儀器連接如下圖所示，力錘傳感器接振教儀第一通道的電荷輸入端，壓電加速度傳感器接振教儀第二通道的電荷輸入端，振教儀的輸入選擇相應(yīng)撥到壓電加速度一端，其輸出分別接采集儀第1，2通道。1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

19、11 12 13 14 15 16 17 振教儀 采集儀 3、結(jié)構(gòu)生成儀器連接好后，啟動DASP2000軟件，選擇 模態(tài)分析 按鈕，進入模態(tài)分析教學(xué)系統(tǒng)界面。在左邊信息窗口中 結(jié)構(gòu) 采樣 分析 動畫 選擇 結(jié)構(gòu) , 選擇并設(shè)置結(jié)構(gòu)參數(shù)。選擇結(jié)構(gòu)置1 (1為筒支梁，2為等截面懸臂梁，3為等強度變截面懸臂梁，4為圓板)。然后在右面窗口中按x16 y1 z1分布測點。4、參數(shù)設(shè)置與采樣在左邊信息窗口中 結(jié)構(gòu) 采樣 分析 動畫 選擇 采樣 ， 進入采樣界面在測量設(shè)置中設(shè)置傳感器類型總測點數(shù)和原點導(dǎo)納位置?？倻y點數(shù)根據(jù)結(jié)構(gòu)自動讀取，不可更改。在多次觸發(fā)采樣設(shè)置中設(shè)置每個測點觸發(fā)采樣次數(shù)，變時基倍數(shù)為4等

20、。用力錘敲擊各個測點，觀察有無波形，若無波形或波形不正常，就要檢查儀器連接是否正確導(dǎo)線是否接通傳感器工作是否正常等，直至示波波形正確為止。在采樣 參數(shù) 設(shè)置中選定采樣頻率(例如12000Hz)和變時倍數(shù)(例如4倍)，采樣長度2k，程控倍數(shù)為1，使用適當(dāng)?shù)那脫袅η脫舾鳒y點，調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)或INV的程控倍數(shù)，直到力的波形和響應(yīng)的波形即不過載又不是太小.選定采樣時自動增加測點號，準(zhǔn)備采樣。本例采樣名為: NLD; 試驗號默認(rèn)為: 1; 數(shù)據(jù)路徑: D:DASPOUT. 分析結(jié)果路徑和數(shù)據(jù)路徑相同, 可按 更改 來設(shè)置文件名和采樣數(shù)據(jù)存儲路徑; 采樣類型設(shè)為: 變時基; 單位類型設(shè)為: 第一通道

21、的工程單位設(shè)為: N (牛頓), 第二通道的工程單位設(shè)為: m/s2 (加速度); 其余通道本例不用。最后輸入標(biāo)定值和工程單位. 通過示波已經(jīng)定好了放大器的檔位, 傳感器靈敏度為KCH(PC/U), (PC/U表示每個工程單位輸出多少PC的電荷, 如是力, 而且參數(shù)表中工程單位設(shè)為牛頓N, 則此處為PC/N; 如是加速度, 而且參數(shù)表中工程單位設(shè)為m/s2 , 則此處為PC/m/s2 )。振教儀輸出增益為KE ; 靈敏度適調(diào)為KSH (PC/U); 積分增益為KJ (振教儀的一次積分和二次積分KJ = 1); 儀器標(biāo)稱值為KD(mV/U)。加速度(或力)峰值力200m/s2時輸出為滿量程5V,

22、 則KD = 5/200 = 0.025 (V/m/s2);速度峰值為200m/s時輸出為滿量程5V, 則KD = 5/200 = 0.025 (V/m/s);位移峰值為2000m時輸出為滿量程5V, 則KD = 5/2000 =0.0025 (V/m)。則DASP參數(shù)設(shè)置表中的標(biāo)定值:K = KCH×KE×KJ×KD×1000/KSH (mV/U)參數(shù)設(shè)置完后，選擇自動增加測點號，按左窗下面的開始采樣按鈕，進入觸發(fā)變時 基采樣狀態(tài)，等待觸發(fā)，并提示當(dāng)前采樣的點號和觸發(fā)次數(shù)。根據(jù)提示從第一點按設(shè)定的觸發(fā)次數(shù)測試到最后一個測點，自動記錄下每次測試結(jié)果。測試過程中盡量避免連擊現(xiàn)象，如果有連擊現(xiàn)象，按中止采樣按鈕，改變測點號重新開始采樣，將復(fù)蓋原來數(shù)據(jù)。5、分析(1) 調(diào)采樣數(shù)據(jù)采樣完成后在 結(jié)構(gòu) 采樣 分析 功率 中迭擇 分析, 打開分析對話框，對采樣數(shù)據(jù)進行傳函分析，打開對話框，對采樣數(shù)據(jù)進行傳函分析。首先迭擇要調(diào)入的測點號，按 調(diào)入波形 按鈕，右面窗口中顯示該測點的波形。以每一通道的力信號加力窗，按鼠標(biāo)左鍵在力信號的左邊，桉左窗口中的左邊按鈕，按鼠標(biāo)左鍵在力信號的右邊，桉左窗口中的右邊按鈕，宗成對力信號的力窗設(shè)置。對響應(yīng)信號加指數(shù)窗，迭擇系數(shù)。當(dāng)系數(shù)為0時為不加指數(shù)窗。如圖所示(2) 傳函分析設(shè)置憲成后按 進行傳函計算 ,