结构动力特性测量实验辅导资料
主 题：结构动力特性测量实验的辅导资料
学习时间：2012年12月24日－2013年1月20日 内 容：
这周我们将学习结构动力特性测量实验的相关内容。
一、学习要求
学习要求及需要掌握的重点内容如下： 1、掌握实验的目的；
2、掌握实验主要的仪器和设备； 3、掌握实验的整个实验步骤； 4、掌握实验数据的处理方法。 二、主要内容
结构动力特性是反映结构本身所固有的动力性能，主要包括结构的自振频率、阻尼系数和振型等，这些参数与外荷载无关。
测量结构动力特性参数是结构动力试验的基本内容，在研究建筑结构或其他工程结构的抗震、抗风或抵御其它动荷载的性能和能力时，都必须要进行结构动力特性试验。
通过结构动力特性的测量，能够得到结构的自振频率，可以避免和防止动荷载所产生的干扰与结构共同作用产生的共振现象。此外，受损开裂结构的刚度减小，导致结构自振周期变长，阻尼变大，因此结构动力特性试验可以为检测、诊断结构的损伤积累提供可靠的资料和数据。
本次实验的题目为《结构动力特性测量实验》。 （一）本次试验的目的
1、了解动力参数的测量原理； 2、掌握传感器、仪器及使用方法；
3、通过振动衰减波形求出简支梁的固有频率和阻尼比； （二）本次试验使用的仪器、设备及试验构件 本次实验需要用到的仪器和设备主要包括三个：
1、振动传感器DH105，也叫拾振器，主要是用来将振动信号转换成电荷信号输出；优点是体积小、重量轻、对被测物体影响小，频率范围宽、动态范围大，主要参数如表所示，我们在振动传感器的选择上最关心的指标是灵敏度、频率范围和量程。
2、与之配套的电荷适配器，主要作用是将压电传感器的电荷信号转换成电压信号；
3、东华DH5922动态信号测试分析仪，主要用来采集振动传感器输出的电信号，并将其转换成数字量传递给计算机。
除了上述传感器和数据采集设备，试验中还用到了用于数据记录的笔记本电脑、锤子和木制简支梁，其参数如下表所示：
（三）试验原理
1、阻尼比和固有频率的计算方法
究竟如何来确定体系的阻尼比和固有频率呢？同学们看下面公式：
f d =f
-ζ
2
这里ζ为阻尼比，f d 和f 分别为有阻尼和无阻尼振动频率。 由于工程实际中阻尼比常在0.02～0.2之间，远小于1，则有
即，有阻尼的振动频率可以近似等于无阻尼的振动频率，相应地，有阻尼的振动周期可以近似等于无阻尼的振动周期：
T d =
1f d
≈1f =T
f d =f
-ζ
2
≈f
此处，T d 和T 分别为有阻尼和无阻尼振动周期。 因此，阻尼比可以近似等于
ζ≈
1 2πn
ln
A (t i ) A (t i +nT d )
其中
A (t i ) 代表第
i 个周期的振幅，A (t i +nT d ) 代表i+n个周期的振幅。
2、结构动力特性测量的主要方法 结构动力特性试验的方法主要有：（1）人工激振法（2） 环境随机振动法 试验室中通常采用人工激振法测量结构自振频率，包括强迫振动（也就是振动）和自由振动法。
自由振动法就是在试验中采用初位移或初速度的突卸载或突加载的方法，使结构受一冲击荷载作用而产生自由振动。本次实验采用手锤敲击的方法对简支梁进行激振，从而产生振动；
试验时将振动传感器布置在简支梁的跨中，通过振动传感器和动态测试仪器，对振动信号进行记录，可以得到结构的有阻尼自由振动曲线，在曲线上量取振动波型中相邻周期波峰所对应的时刻和振幅，通过时刻差可以直接求出振动周期，从而得到结构的自振频率；而通过相邻周期波峰的振幅，通过上述公式，可以直接计算出简支梁的阻尼比。
3、压电式加速度传感器
振动时质量块产生的惯性力，使压电元件产生变形，从而产生与加速度成正比的电荷，经后级电荷放大器后得到与加速度成正比的电压值。
优点：
（1）体积小，重量轻，对被测体的影响小。
（3）传感器的横向比要小，以尽可能减小横向扰动对测量频率的影响； 5、使用的注意事项 安装面要平整、光洁。
安装方式：不同安装方式对测试频率的响应影响很大：某一振动传感器，螺钉刚性连接使用频率为10kHz ；胶粘安装6kHz ；磁力吸座2kHz ；双面胶1kHz 。
加速度传感器的质量、灵敏度与使用频率成反比，即灵敏度高，质量大的传感器使用频率低。
（四）实验步骤
1、下面我们进行连线。首先将振动传感器与电荷适配器相连，之后将已连接好的设备与动态采集系统相连，最后将动态采集系统与记录数据的电脑相连。
2、开启计算机，打开动态应变仪的电源，预热10min 。当采集系统中的红灯熄灭，表示系统自检完毕。
3、启动DHDAS-5920动态信号采集分析软件，熟悉界面。 4、设置测量参数： （1）分析参数设置 采样频率：1k ～2kHz ； 采用连续采样方式，即一直不断的采集和记录数据。 其余不用设置。 （2）系统参数设置
选定测量通道：2-1，并屏蔽未用通道，避免干扰。
灵敏度：将传感器灵敏度输入相应的通道的灵敏度设置栏内。由于本试验采用的是加速度传感器，因此参数表中工程单位EU 应设为m/s2，传感器灵敏度单位为PC/EU，表示每个工程单位输出多少电荷，DH105振动传感器给定的参数的为300PC/EU，即300PC/m/s2。
量程范围：调整量程范围，使实验数据达到较好的信噪比。调整原则：不要
使仪器过载，也不要使得信号过小。
5、现在设备已经预热完毕。我来把整个过程演示一下，请同学们注意观察。 在进行测量之前，首先要对动态应变仪清零。
6、启动数据采集，用手锤敲击简支梁，使其产生自由衰减振动。
7、现在屏幕上显示的是拾振器测量的单自由度自由衰减振动波形，记录6次冲击后停止采集。
8、根据采集的波形可进行数据读取，如下图所示。
s 幅值 / m /2
21.621.822.022.222.422.6
时间 / s
本次试验中采集的数据如下表所示：
（五）数据处理
1、简支梁的基本数据如上表所示
2、为了提高准确度，选择波形较好的几个周期进行分析； 试验中得出的第i 个周期和第i+n个周期的数据如上表所示；
3、将读取的数据填入到实验报告的表格中，根据实验数据按下列公式计算
结构动力特性测量实验辅导资料
主 题：结构动力特性测量实验的辅导资料
学习时间：2012年12月24日－2013年1月20日 内 容：
这周我们将学习结构动力特性测量实验的相关内容。
一、学习要求
学习要求及需要掌握的重点内容如下： 1、掌握实验的目的；
2、掌握实验主要的仪器和设备； 3、掌握实验的整个实验步骤； 4、掌握实验数据的处理方法。 二、主要内容
结构动力特性是反映结构本身所固有的动力性能，主要包括结构的自振频率、阻尼系数和振型等，这些参数与外荷载无关。
测量结构动力特性参数是结构动力试验的基本内容，在研究建筑结构或其他工程结构的抗震、抗风或抵御其它动荷载的性能和能力时，都必须要进行结构动力特性试验。
通过结构动力特性的测量，能够得到结构的自振频率，可以避免和防止动荷载所产生的干扰与结构共同作用产生的共振现象。此外，受损开裂结构的刚度减小，导致结构自振周期变长，阻尼变大，因此结构动力特性试验可以为检测、诊断结构的损伤积累提供可靠的资料和数据。
本次实验的题目为《结构动力特性测量实验》。 （一）本次试验的目的
1、了解动力参数的测量原理； 2、掌握传感器、仪器及使用方法；
3、通过振动衰减波形求出简支梁的固有频率和阻尼比； （二）本次试验使用的仪器、设备及试验构件 本次实验需要用到的仪器和设备主要包括三个：
1、振动传感器DH105，也叫拾振器，主要是用来将振动信号转换成电荷信号输出；优点是体积小、重量轻、对被测物体影响小，频率范围宽、动态范围大，主要参数如表所示，我们在振动传感器的选择上最关心的指标是灵敏度、频率范围和量程。
2、与之配套的电荷适配器，主要作用是将压电传感器的电荷信号转换成电压信号；
3、东华DH5922动态信号测试分析仪，主要用来采集振动传感器输出的电信号，并将其转换成数字量传递给计算机。
除了上述传感器和数据采集设备，试验中还用到了用于数据记录的笔记本电脑、锤子和木制简支梁，其参数如下表所示：
（三）试验原理
1、阻尼比和固有频率的计算方法
究竟如何来确定体系的阻尼比和固有频率呢？同学们看下面公式：
f d =f
-ζ
2
这里ζ为阻尼比，f d 和f 分别为有阻尼和无阻尼振动频率。 由于工程实际中阻尼比常在0.02～0.2之间，远小于1，则有
即，有阻尼的振动频率可以近似等于无阻尼的振动频率，相应地，有阻尼的振动周期可以近似等于无阻尼的振动周期：
T d =
1f d
≈1f =T
f d =f
-ζ
2
≈f
此处，T d 和T 分别为有阻尼和无阻尼振动周期。 因此，阻尼比可以近似等于
ζ≈
1 2πn
ln
A (t i ) A (t i +nT d )
其中
A (t i ) 代表第
i 个周期的振幅，A (t i +nT d ) 代表i+n个周期的振幅。
2、结构动力特性测量的主要方法 结构动力特性试验的方法主要有：（1）人工激振法（2） 环境随机振动法 试验室中通常采用人工激振法测量结构自振频率，包括强迫振动（也就是振动）和自由振动法。
自由振动法就是在试验中采用初位移或初速度的突卸载或突加载的方法，使结构受一冲击荷载作用而产生自由振动。本次实验采用手锤敲击的方法对简支梁进行激振，从而产生振动；
试验时将振动传感器布置在简支梁的跨中，通过振动传感器和动态测试仪器，对振动信号进行记录，可以得到结构的有阻尼自由振动曲线，在曲线上量取振动波型中相邻周期波峰所对应的时刻和振幅，通过时刻差可以直接求出振动周期，从而得到结构的自振频率；而通过相邻周期波峰的振幅，通过上述公式，可以直接计算出简支梁的阻尼比。
3、压电式加速度传感器
振动时质量块产生的惯性力，使压电元件产生变形，从而产生与加速度成正比的电荷，经后级电荷放大器后得到与加速度成正比的电压值。
优点：
（1）体积小，重量轻，对被测体的影响小。
（3）传感器的横向比要小，以尽可能减小横向扰动对测量频率的影响； 5、使用的注意事项 安装面要平整、光洁。
安装方式：不同安装方式对测试频率的响应影响很大：某一振动传感器，螺钉刚性连接使用频率为10kHz ；胶粘安装6kHz ；磁力吸座2kHz ；双面胶1kHz 。
加速度传感器的质量、灵敏度与使用频率成反比，即灵敏度高，质量大的传感器使用频率低。
（四）实验步骤
1、下面我们进行连线。首先将振动传感器与电荷适配器相连，之后将已连接好的设备与动态采集系统相连，最后将动态采集系统与记录数据的电脑相连。
2、开启计算机，打开动态应变仪的电源，预热10min 。当采集系统中的红灯熄灭，表示系统自检完毕。
3、启动DHDAS-5920动态信号采集分析软件，熟悉界面。 4、设置测量参数： （1）分析参数设置 采样频率：1k ～2kHz ； 采用连续采样方式，即一直不断的采集和记录数据。 其余不用设置。 （2）系统参数设置
选定测量通道：2-1，并屏蔽未用通道，避免干扰。
灵敏度：将传感器灵敏度输入相应的通道的灵敏度设置栏内。由于本试验采用的是加速度传感器，因此参数表中工程单位EU 应设为m/s2，传感器灵敏度单位为PC/EU，表示每个工程单位输出多少电荷，DH105振动传感器给定的参数的为300PC/EU，即300PC/m/s2。
量程范围：调整量程范围，使实验数据达到较好的信噪比。调整原则：不要
使仪器过载，也不要使得信号过小。
5、现在设备已经预热完毕。我来把整个过程演示一下，请同学们注意观察。 在进行测量之前，首先要对动态应变仪清零。
6、启动数据采集，用手锤敲击简支梁，使其产生自由衰减振动。
7、现在屏幕上显示的是拾振器测量的单自由度自由衰减振动波形，记录6次冲击后停止采集。
8、根据采集的波形可进行数据读取，如下图所示。
s 幅值 / m /2
21.621.822.022.222.422.6
时间 / s
本次试验中采集的数据如下表所示：
（五）数据处理
1、简支梁的基本数据如上表所示
2、为了提高准确度，选择波形较好的几个周期进行分析； 试验中得出的第i 个周期和第i+n个周期的数据如上表所示；
3、将读取的数据填入到实验报告的表格中，根据实验数据按下列公式计算