结构动力特性测试方法及原理

1构造动力特性的测试方法及应用(讲稿)一.概述n个自由度的构造体系的振动方程如下： Cy

M

CK

分别为构造的总体质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵，均为n维矩阵；pt为外部作用力的nyt为位移响应的nt为速度响应的n维随机过程列阵；t为加速度响应的n维随机过程列阵。表征构造动力特性的主要参数是构造的自振频率〔其倒数即自振周期、振型Y(i)阻尼比，这些数值在构造动力计算中常常用到。任何构造都可看作是由刚度、质量、阻尼矩阵〔统称构造参数〕构成的动力学系统，破损，进而提出修复方案，现代进展起来的“构造破损诊断”技术就是这样一种方法。其最地完成构造破损的在线监测与诊断。从传感器测试设备到相应的信号处理软件,振动模态测〔参数等。目前，很多国家在一些已建和在建桥梁上进展该方面有益的尝试。确定各共振频率下构造的振型和对应的阻尼比。传递函数法是用各种不同的方法对构造进展鼓励〔如正弦鼓励、脉冲鼓励或随机鼓励等〕,测出鼓励力和各点的响应，利用专用的分析〔包括振型、频率、阻尼比。脉动测试法是利用构造物〔尤其是高柔性构造〕在自然环境振源〔如风、行车、水流、地脉动等〕的影响下，所产生的随机振动，通过传感器记录、经谱分析，求得构造物的动力特性参数。自由振动法是:通过外力使被测构造沿某个主轴方向产生肯定的初位移后突然释放，使之产生一个初速度，以激发起被测构造的自由振动。尼比,但其缺点是，承受单点激振时只能求得低阶振型时的自振特性，而承受多点激振需较于尺度很大的实际构造要用较大的鼓励力才能使构造振动起来数，这在实际测试工作中往往有肯定的困难。年来随着计算机技术及FFT理论的普及而进展起来的，现已被广泛应用于建筑物的动力分〔脉动卓越周期，反响了不同地区地质土壤的动力特性对构造模态参数〔固有频率、振型、阻尼比等〕进展识别。通常斜拉桥的环境随机振动检测往往是在限制交通的状况下进展的的振动检测往往在桥梁运营的前期进展熟的理论和实践支持，目前的成果仅停留在通过测试车辆对桥梁的振动响应来求算冲击系数。然而，对斜拉桥进展安康监测、破损诊断，必需提取运营期间的动力指纹，安康监测占用时间长〔全天候的，因此无法限制交通；振动监测应当真实反映桥梁实际状态下固有的振动特性，限制交通无法反映这种真实的状态。因此，承受车辆振动作为振源，进展斜拉桥模态参数识别成为将来安康诊断的必定趋势。测试方法很多，下面只介绍常用的方法。二.稳态正弦激振法〔扫频法〕稳态正弦激振法是使用最早至今仍被广泛应用的的方法。其特点是原理简明，分析方法通常在试验室中应用于模型或体积较小的原型试验测试。此种方法的试验步骤为：沿被测设备的主轴方向，将起振机或激振器安装在适当的加〔〕的稳态迫振反响幅值对激振频率的曲线，称共振曲线。根本原理P0sint作扫描时，如设备的各阶自振频率并不密集时，可略去其相邻振振曲线相像，对于i阶频率，两者仅差一个称作振型参与系数iu可表示为

〔常数。位移的反响幅值P 2

1 Pu 0 a2K

2a2

0 〔1〕K式中a为频率比，即迫振频率f和设备无阻尼自振频率f 之比；为动力放大系数，表示0单自由度体系中动静位移幅值比；K为被测设备〔试件〕的刚度；为被测设备〔试件〕的阻尼比。相位滞后角可表示为tan

2a1a2

〔2〕P0

/KP0

sint作用下被测设备〔试件〕的静态位移。假设试验是在P0

m2ug

，2ug

u

为测点对台面的g相对位移反响值，m为被测质点质量。分析方法由对应位移反响峰值u 的频率可求得被测设备的自振频率f将对应f的各测点max 0 0的位移反响值按其中的最大值归一化，并考虑相互间的相位关系〔与最大值同相或反向即可求得被测设备的振型。进一步可从共振曲线确定振型阻尼比。由〔1〕式知，动力放大系数为 2

11a2

2a2

2 〔3〕可以解得其峰值

max

和对应的频率比a ，即 max

2

1 〔4〕12122a f /fm m

2 〔5〕一般钢构造的阻尼比值都很小所以可近似地从无阻尼共振状态a 1时的动力放大0系数 1/2求得阻尼比为0 1 〔6〕2实际上直接按式〔6〕求阻尼比值是很困难的，由于对作为多自由度体系的实际构造，从其实测共振曲线求动力放大系数X主轴向振动时的振型参与系数 为x x n

nmxi ix1 m x2y2z2i i i ii1xyzx，y，zmi点的质量。i i i i难以简洁算出；并且在用激振器等激振时，构造在力P0

P0

/K也是未知的。因此，不能直接从共振曲线求得动力放大系数。2目前通常都承受半功率法或带宽法，从实测的共振曲线直接求得阻尼比值。这个方法的原理如下。2u

u

/max

max

〕的两点。在这两点处，输入功率为共振频率时的一半，其相应的频率比，可将u /2代入式〔1〕左端解得。max由于u

1

，故得12

11a21

2

22

〔8〕解此方程得出频率比a为12a21212

〔9〕当阻尼比很小时，2<<1，式〔9〕右端其次项根号中的21相比可以略去。从而可得a21222，a21 2

1222

〔10〕 或者 f21

f 0

，f22

f 0由此 f22由于 f0

f21f1

4f0umaxumax0.707umaxff f1 0 2共振曲线22所以

f f2

ff f 2f2 1 0式中 ff f2 1明显，用半功率法求阻尼比的精度取决于半功率范围内共振曲线的精度，并限于值很小的状况下。留意事项用谐波迫振法确定构造的动力特性时，需要留意以下几点：为保证共振曲线的测试精度，对于自振频率低的构造宜承受位移反响共振1倍频程/分。即每分钟频率的变化不超过1倍。在被测构造很大时，留意激振器基座的稳定、局部振动的影响，激振系统的自振频率肯定要远离被测构造的频率，以削减动态耦合影响。当构造的各阶自振频率比较密集，振型间的耦合较严密时，用用上述简洁的方法已不再适合，需要承受模态识别技术进展分析。三.自由振动法自由振动法在现场和室内试验都可应用，起主要原理是:通过外力使被测构造沿某个主轴方向产生肯定的初位移后，突然释放。或者借助瞬时冲击荷载,使之产生一个初速度,以激由衰减振动。从而可以简捷地直接求得被测构造的根本振型频率f和阻尼比，通过同一0的简谐运动，其自振周期T或自振频率f可以很便利地从时程曲线中获得。通常取相隔m1 1周的反响波峰计算阻尼比的近似值： 12m

ln un uunm海上平台及一般钢构造通常取0.05四.随机测试法随机测试法是利用被测构造对随机振动源的反响，按随机振动理论分析其动力特性。地面振动〔即地脉动。室内试验一般承受对振动台或激振器施加白躁声信号。地脉动的主要特点：由于地脉动无固定振源，其影响因素众多，且不断变化，因而具有完全的随机性，是在足够长时间的一次取样过程中就包含体系样本总体的全部统计特征。地脉动为微幅振动，其最大振幅一般不超过1mm，频带较宽，包含从0.1秒到数十秒大作用，在其反响中突出了设备或构造本身的动力特性。白躁声随机波所谓白躁声随机波是由无限多个等能量的频率重量组成的平稳各态历经随机过程含无限多个频率重量的抱负白躁声随机波度的有限带宽白躁声随机波。利用地脉动测定设备或构造动力特性时应留意的问题：排解某些特别的干扰因素，保证地脉动的随机性。，分析时要留意推断。一般，被测设备或构造的共振反响要比地基共振反响显著得多。测试仪器要有足够的灵敏度和稳定性。此外，在这些微幅振动下测出的阻尼比往往偏低。五数据采集根本学问对于一些试验争论，需要把传感器输出的模拟电压或电流信号转换为数字量，输入到A/D”Vib”SYS采集仪、USB数据采集仪、数字式应变仪等。数据采集设备的主要技术指标是其总采样频率、区分率等。数据采集系统根本构成：传感器传感器抗干扰滤波器模拟放大器数据采集器计算机抗干扰滤波器〔被测信号幅值大于噪声信号几倍以上Vi”SYS程序的数〔噪声信号幅值接近被测信号幅值或大于被测信号幅值，用ViSYS所以应考虑使用模拟抗干扰滤波器，使用模拟抗干扰滤波器可以把噪声信号在A/D转换之前滤掉。数据采集噪声我们要清楚，任何A/D转换自身都有肯定的噪声信号，固然，噪声信号越小越好，那么如何知道采集仪的噪声信号有多大呢？首先把采集仪的一个通道短接看采集的数据的峰值，既可知道采集仪的本底噪声。数据采集增益依据用户的需要，各种采集卡、采集仪可选择程控增益，一般程控增益为1、2、4、8、16倍，采集仪的程控增益不要太大(1、10、100、1000倍)，由于采集仪有肯定的本底噪择其他模拟放大器。同步数据采集由于多数数据采集卡、数据采集仪的工作方式承受一个A/D模数转换芯片，所以多通道采集是挨次进展的，那么，各通道之间都有肯定的相移，相移的大小可以按下式估量：

1

[单位：秒]当该相移不能满足试验要求时，可选用采样保持器〔采保，即在采集卡、采集仪加配本钱。数据采集精度数据采集设备的区分率的凹凸能打算模数转换的精度，采集设备的转换精度与其A/D的区分率之间的关系：A/D16Bits(16位)12Bits(12位)比照，当其最大量程都为10伏时，转换精度对应关系是：模拟输入 16位模数转换数字量 12位模数转换数字量──────────────────────────────+10伏 32767 20480〔对应于〕00-10-32767-2048──────────────────────────────转化精度 0.000305伏 0.00488伏11610/327680.000305伏；12位模拟量10/40960.00488伏。可以看出，16位A/D12位A/D16倍。示波Vib”SYS〔通道〕示波程序，示波程序具有以下功能：可同时显示两个通道的模拟信号；示波程序同时可显示两个通道信号的最大值；假设采集仪内置了程控增益，示波程序还可选择程控增益；标大小，使小信号或大信号能满窗口显示。可选择示波采样频率和示波时间；波形显示的频率和时间的选择可影响波形的刷速度。示波显示时间越短波形显示刷越快；采样频率高，采集的数据点数多，也会使显示速度减慢。数据采集数据采集方式：直接(手动)数据采集这种采集需要建立采集文件、输入采集频率(Hz)、采集时间(Sec)、采集开头通道、采集完毕通道和程控增益参数，当试验就绪以后，按“开头采集”按钮开头采集，采集过程将持续假设干秒(采集时间参数)。峰值触发采集这种采集需要建立采集文件、输入采集频率(Hz)、每次触发的采集时间(Sec)、采集开头通道、采集完毕通道、程控增益、触发峰值(电压：伏)、触发峰值掌握通道和是否选择屡次触发参数，当试验就绪以后，按“开头触发采集”按钮开头等待采集，当模拟那么采集连续等待下次触发采集。选择屡次触发采集可应用于连续锤击试验数据采集，这样可只采集触发后的信号，去掉多余的信号采集。触发采集还承受了“不丢头”技术，既触发峰值到达或超过触发[采集留意事项]1当某通道的模拟输入幅值超过采集的最大量程时，会引起其它采集通道工作不正常。当输入幅值太大时，还会烧毁采集卡或采集仪。2〔输入信号至少要大于噪声几倍。当模拟输入信号的噪声比较大时，有时甚至大于被测信号，虽然Vib”SYS程序有噪声信号的频率。这时要考虑选用模拟抗干扰滤波器。3A/D模数转换芯片的最高转换速度，采集仪的转换速度与计算机的速度、并口或USB接口的传输速度有关，实际A/D的转换速度要根据测试结果确定。转换采集数据挨次存放，而Vib”SYS程序的时域文件构造是按数据块存放的，两者完全不同，所以必需把采集的数据经转换后才能供Vib”SYS程序使用。.AViSYS.TIViSYS程序对文件的扩展文件名是.TIMVib”SYS程序不对采集的数据文件(扩展文件名是.AD)了采集的数据后，想恢复原始数据时，重转换数据〔把.AD文件转换为.TIM文件。采集数据文件标定〔滤定〕数据采集是把传感器输出的电压或电流信号经A/D转换为数字信号，对于未标定的采集数据，幅值单位是电压〔伏。对采集数据文件标定的目的是把其电压单位转换为实际的工程单位，这样才可对数据进展进一步的分析和处理。在标定之前，需要知道采集的传感器的输出量与电压的对应关系，我们称为标定系数，〔被测量为加速度：1：用标准设备标定把被测加速度计放到标准试验台上，用试验台输出1g的正弦波，然后采集数据，设采0.72伏，那么，标定系数为：C=1g/0.72Volt=1.39g/Volt方法2：依据灵敏度系数标定1.56Volt/g，那么，标定系数为：C=1/1.56=0.64g/Volt标定过程：建立标定系数文件→标定系数文件名.CAL↓标定数据文件→时域数据文件名.TIM 〔坐标单位：伏〕↓时域数据文件名.TIM 〔坐标单位：工程单位〕建立标定系数文件选择菜单：信号采集建立标定文件扩展名为：.CA