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1 土木桥梁动态测试基础知识 第一版 2 主要内容 1测试项目测试系统组成A 静应变测试系统B 动应变测试系统C 振动模态测试系统D 索力测试系统E 测试系统组成部分F 传感器种类G 应变调理H 采集仪种类I 24位采集仪特点J 16位和24位采集对比现场试验测试A 传感器选型B 试验准备C 传感器常见安装方式D 传感器保护E 测试导线如何处理F 检查信号是否正常G 应变测试常见问题数采相关知识A 主要技术指标B ADC 采样频率D 输入量程E 动态范围F 输入噪声G 信噪比H 信号失真I 通道一致性J 抗混叠滤波K 信号输入类型L 数据传输方式信号处理基本知识A 信号采样B 泄漏C 窗函数D 滤波E 幅域分析F 时域分析G 频谱分析H 求取混叠后的频率I 阶与自由度 3 1测试项目 荷载试验静态载荷力作用下的桥梁承载能力测试项目 静应变 静挠度动载试验动态载荷力作用下的桥梁特性试验项目 跑车 跳车 刹车试验测试项目 冲击系数 动应变 动挠度 阻尼比等脉动试验识别桥梁结构参数测试项目 固有频率 模态参数索力试验 4 2测试系统组成 静应变测试系统 用于混凝土的应变片 INV2312N静态应变仪 DASP测量分析软件 5 2测试系统组成 无线组网示意图 总线组网示意图 6 动应变测试系统 2测试系统组成 用于混凝土的应变片 INV1861动态应变调理仪 INV3060 3018 3020系列采集仪 DASP测量分析软件 7 振动 模态测试系统 2测试系统组成 891 941型传感器 INV3062 3060 30183020系列采集仪 DASP测量分析软件 8 索力测试系统 2测试系统组成 索力测量工装 INV3062 3018系列采集仪 DASP测量分析软件 INV9828加速度传感器 INV3080手持式索力分析仪 或者 9 2测试系统组成 构成测试系统的四部分 传感器信号调理采集仪测量分析软件 10 加速度传感器 IEPE型 用于索力测试 要求高灵敏度 低频性能好 例如 INV9828 传感器的种类 2测试系统组成 11 速度传感器 891 941系列 常用于低频 中频信号的测量 例如 桥梁 楼房的振动 模态测量领域 传感器的种类 2测试系统组成 12 应变信号调理器 应变信号需经过应变调理 INV1861动态应变仪 可接入INV3018 INV3060 INV3020系列24位采集仪中 2测试系统组成 13 AD 国内外主流均为24采集仪通道数 从4通道到几百通道 采集仪种类 2测试系统组成 14 24位采集仪的特点 2测试系统组成 以INV3018系列为例高精度 每通道独立24bit 方式AD技术高性能 连续不间断海量全并行采集高速度 每通道采样频率51 2K 102 4K 204 8KHz可选高动态范围 120dB典型值 110dB保证值 单核 高抗混滤波性能 超过 300db oct低噪声 0 03mVrms 10V量程多输入方式 AC DC ICP 外接电荷 应变 15 24位采集仪的特点 2测试系统组成 最突出优点 1 测试仪器更轻巧 便携对于测量加速度的ICP传感器和测量桥梁 楼房的电压输出型传感器 不在需要测试中的放大器 滤波器 2 让测试变得更简单具有高动态范围 避免了放大器档位设置不合适引起信号太小 信号过载的情况 16 16位采集系统与24位采集系统的配置区别采用16位采集仪的测试系统采用24位采集仪的测试系统 多台 2测试系统组成 17 3现场试验测试 传感器选型1 传感器种类2 频率范围3 传感器量程4 传感器尺寸 重量5 环境要求 高温 防水等 18 3现场试验测试 试验准备1 选择合适的传感器2 检查传感器 导线和采集仪3 导线编码4 技术方案5 人员分工6 其他辅助工具 19 3现场试验测试 传感器常见安装方式1 螺栓连接2 磁座安装3 胶粘4 蜂腊5 橡皮泥 20 安装后的传感器如何保护 1 合适的工作环境 并做出适当的保护 避免由于绝缘 潮湿等原因造成损坏或信号异常 3现场试验测试 21 3现场试验测试 2 传感器需要在室外过夜 有雨等情况 传感器要做好防水 防潮等保护措施 3 在高空操作时 为了避免传感器跌落造成人身 财产安全 传感器需要采用绳索固定等保护措施 22 3现场试验测试 传感器与导线的接头如何保护 1 接触良好 避免短路 断路和接触不良情况存在 2 将导线端固定 避免由于长导线作用而使传感器受到拉力 891 2型传感器接头防护 23 3现场试验测试 3 对于加速度传感器 接头为M5或者M3 要保证拧紧 没有松动 振动剧烈的情况下测试中出现问题人无法进行重新安装对M5接头处弯成环形后用胶带固紧 24 3现场试验测试 测试导线如何处理 导线的固定 固定导线末端 防止导线晃动对信号的干扰 25 3现场试验测试 系统连接后 检查信号是否正常 1 连接后 测点振动量值微弱 但信号较大 有上百毫伏 同时有周期性 频谱峰值为50Hz 100Hz 150Hz 200Hz 250Hz等 解决 检查是否为接触不良引起的 可以检查导线接头 26 3现场试验测试 M5接头接触不良 导致的错误信号 27 3现场试验测试 2 连接后 可以让工作人员在传感器周围轻轻敲击或者晃动传感器 看软件屏幕是否具有信号变化 如没有信号变化 则为连接导线不通或者仪器档位设置不合适 解决 检查接线接头 传感器安装及档位 28 3现场试验测试 信号正常时 随振动变化 信号幅值随之改变 29 3现场试验测试 应变测量经常遇到的问题 1 动态应变仪无法平衡 常见的有两种情况 1 应变片与导线的接线接触不良 接线头断开 无法构成四个桥臂 因此无法平衡 解决方法 检查桥盒接线接头 30 3现场试验测试 2 应变片连线后的输出电阻偏大 标准应该为120欧姆 如果超过太多 比如131欧姆 动态应变仪将无法平衡 解决方法 重新贴片或者更换测点或使用半桥接法接入另一个没有变形的应变片 31 3现场试验测试 2 工频50Hz信号干扰严重工频干扰严重是由于接地不好造成的 解决的方法时良好接地 良好的接地点可以是 打入地下的长钢板 深入地下的金属框架结构 接线板地线等 通过导线将仪器外壳和良好接地点相连 32 4数采相关知识 数据采集仪功能 1 模拟信号转换成数字信号2 集成放大器的部分功能 如滤波 33 数采主要指标 4数采相关知识 AD位数采样频率输入量程增益放大倍数输入噪声 等效输入噪声失真度THD THD N动态范围 信噪比通道一致性 幅值 时间差和相位差抗混叠滤波 衰减率 阻带衰减其他串扰 幅值线性度 直流偏置信号输入类型 电压DC AC ICP 应变 电荷等数据传输类型 USB 网口 WIFI CPCI总线 PXI等 34 4数采相关知识 数采AD芯片发展 早期8位 12位 16位现在24位 方式 高精度低噪声 0 03mVrms 10V量程高动态 110dB 120dB高抗混叠 超 300dB oct 前置模拟 数字 以上指标以INV3018 INV3020为例 35 4数采相关知识 AD芯片的位数 A D的精度 量化误差 对于满量程为 A V 的n位AD转换 最小可分辨2 A 2n 的电压变化例如 10V 20Vp p 量程8位AD 精度约为78mV12位AD 精度约为4 88mV16位AD 精度约为0 3mV24位AD 精度约为0 0012mV 1 2uV 36 4数采相关知识 采样频率Hz 采样定理SF 2AF否则混叠抗混叠滤波工程应用SF 2 56AF1000还是1024SF 1000 dt 1ms df 0 9765625HzSF 1024 dt 0 9765625ms df 1Hz计算df时以1024点FFT为例 37 4数采相关知识 输入量程 量程10V1V100mV10mV1mV增益 放大倍数110100100010000 38 4数采相关知识 动态范围DR 指设备不受噪声影响能获得不失真输出的测量上限值Ymax和下限值Ymin之比 以dB为单位 39 动态范围比较 24位双核采集仪 可达160dB24位单核采集仪 通常110 120dB 理论144dB16位采集仪 通常60 80dB 理论96dB12位采集仪通常50 60dB 理论72dB 4数采相关知识 40 4数采相关知识 41 4数采相关知识 输入噪声 输入短路 电阻小于50欧姆增益1倍时 测量到的信号为输入噪声增益大于1时 则为等效输入噪声折合到输入端为实际硬件噪声除以增益倍数例如1mVrms 增益1倍 10V量程100uVrms 增益10倍 1V量程10uVrms 增益100倍 100mV量程1uVrms 增益1000倍 100mV量程 42 4数采相关知识 输入噪声 INV系列24Bit采集仪30uVrms 10V量程增益后 折合到输入端0 3uVrms 增益100倍 100mV量程一般16bit采集仪200 500uVrms 10V量程增益后 折合到输入端20 50uVrms 增益10倍 1V量程0 2 0 5uVrms 增益1000倍 10mV量程 43 4数采相关知识 信噪比SNR 指信号功率Ns与干扰 噪声 功率Na之比 以dB为单位有时也用信号电压和噪声电压之比来表示 44 4数采相关知识 信号失真 THD总谐波失真例如0 01 0 0001 80dB总失真THD N 45 4数采相关知识 通道一致性 任意两通道 输入完全相同信号测量结果的幅值比和相位差幅值一致性如0 1dB为1 0116 相差1 16 相位一致性 46 4数采相关知识 通道一致性 47 4数采相关知识 抗混叠滤波 采样定理SF 2AF采样前必须滤除SF 2以上频率的信号注意 必须采样前的模拟滤波 不可采样之后再进行数字滤波 48 4数采相关知识 滤波器指标 倍频程衰减率dB Oct 24位 300dB Oct 阻带衰减dB 24位90dB 存在过渡带常用SF 2 56 49 4数采相关知识 信号输入方式 24位或多核采集仪高精度 高动态范围 高抗混滤波大大省略信号放大调理器等二次仪表 50 4数采相关知识 数据传输方式 基于计算机的外设端口方式RS232 COM LPT GPIB 1394 USB1 1 2 0 LAN等基于计算机的内部总线方式ISA ESA PCI PCMCIA VXI CPCI PXI等无线传输射频 Wifi等 51 4数采相关知识 外设端口传输方式 采集仪独立于PC 通过端口连接GPIB RS232 速度很低LPT并口 速度较低 稳定性差USB1 1 速度较低 稳定 便捷1394 速度较快 通用性很差USB2 0 速度较快 稳定 可直接供电LAN 速度较快 稳定 级联性好 LXI推荐 USB2 0和LAN 52 4数采相关知识 USB2 0VSLAN USB2 0优点 可操作性较好 即插即用 不影响其他设备缺点 级联性能较差 传输线很短LAN优点 级联性能很好 远距离 无线缺点 操作性稍差 需设置IP地址 占用网口 53 4数采相关知识 内部总线传输方式 采集仪与计算机为一体台式PC ISA和EISA 性能低 PCI笔记本PC PCMCIA 性能低VXI 规模大 使用少CPCI PXI 目前较为普及推荐 CPCI PXI 54 PCI 通用 普通计算机速度快 数目局限2 4 无时钟同步功能CPCI CompactPCI机箱速度快 数目理论上可达256 无时钟同步非常普及的工业控制标准改进CPCI 增加时钟同步功能PXI 基于CPCI发展 PXI机箱比普通CPCI增加时钟同步等功能 4数采相关知识 PCI CPCI PXI 55 4数采相关知识 CPCI PXIvsUSB LAN外端口 内部总线CPCI PXI速度快 可实现多通道的高速采样坚固的机箱 系统稳定可靠内置嵌入电脑 成本较高外部端口USB LAN等速度相对较低或通道较少需要注意连接线的可靠性便捷方便 灵活连接不同计算机 56 数据传输方式 无线WIFI射频方式优点 无传输导线 内置存储 无需外供电缺点 级联性差 传输距离有限 易丢点 采样速度低 4数采相关知识 57 dB分贝 声音基准20uPa振动基准1E 6m ss无特殊要求 基准为1 线性乘以10倍 dB增加20线性乘以2倍 dB增加60dB表示A A0A必须大于03dB1 412 26dB1 995 210dB3 162 1020dB10 5信号处理基本知识 58 5信号处理基本知识 信号采样 动态信号数字化采样 也称抽样 是信号在时间上的离散化 即按照一定时间间隔 t在模拟信号x t 上逐点采取其瞬时值 59 5信号处理基本知识 量化 是对幅值进行离散化 即将实际连续的振动幅值归到接近的二进制量化电平表示 60 5信号处理基本知识 采样和量化示意 61 5信号处理基本知识 采样频率和信号混叠 采样定理采样频率SF必须大于信号频率fs的2倍 即SF 2fs通常取2 56倍以上不满足采样定理将造成信号混叠 信号混叠就是把本该是高频的信号误认为低频信号 62 5信号处理基本知识 采样频率的选取 首先必须满足采样定理 对于不感兴趣的较高频率 可以使用抗混滤波器滤除 若重点为时域波形 则应尽量提高采样频率SF 使时间间隔 t较小 SF 20 50倍fs之间若重点为频谱分析 则应尽量降低采样频率SF 使频率间隔 f较小 SF 2 56 25 6倍fs之间 时间间隔 频率间隔 N FFT计算的数据点数 63 5信号处理基本知识 64 5信号处理基本知识 标定值问题 从传感器 放大器 滤波器等到AD采样的全过程中 结构振动的1个工程单位 EU 转变为A个mV电压 则系统标定值为A mV EU 一般情形为传感器灵敏度 放大器放大倍数 精确测定系统标定值 常常通过振动台进行标定 65 5信号处理基本知识 抗混叠滤波 采样定理只保证了信号不被歪曲为低频信号 但不能保证不受高频信号的干扰在采样前 应把比所需信号fs更高的频率成分滤掉 这就是抗混滤波 66 5信号处理基本知识 采样长度和频率分辨率 采样长度即采样时间的长短采样时 首先要保证能反映信号的全貌兼顾考虑信号平均的要求 减少计算量等因素 采样长度不宜过长采样点数N一般选为2 m的倍数 使用较多的有512 1024 2048 4096个样本数据点给定分析频率时 采样长度 T 越大 则 f便越小 即分辨率越高 可见频率分辨率是与采样长度呈反比 67 5信号处理基本知识 信号截断 计算机每次只能对有限长度 如1024点 的离散数据进行分析原先连续的时域信号 要截断成若干固定长度的信号 再由计算机对被截取的信号一段段进行分析截断会使频谱分析精度受到影响 68 5信号处理基本知识 泄漏 整周期截断周期性信号无精度损失非整周期截断将使信号波形两端产生突变 会产生原信号中不存在的频率成分 称为泄漏 即原先集中的频率信息泄漏到旁边频段去了截断随机信号使原来连续的频谱出现皱纹 即皱纹效应 也会频谱影响精度信号截断造成信号失真 进而产生泄漏 69 5信号处理基本知识 信号截断泄漏示意 70 5信号处理基本知识 加窗 加窗的主要目的是减少泄漏误差加窗的主导想法是用比较光滑的窗函数代替截取信号样本的矩形窗函数 对截断的时序信号进行特定的不等加权 使被截断的波形两端突变变得平滑工程上常用的是矩形窗 汉宁窗 平顶窗 力 指数窗等 71 5信号处理基本知识 加窗 加权函数 目的是为使信号满足FFT变换要求 以最小化泄漏 但不能消除泄漏是一个令人讨厌的东西 但又离不开它所有窗函数都会使数据失真 使测量的峰值失真 增大了结构的阻尼 相比泄漏造成的严重畸变而言 还是更能让人接受加窗会引起数据失真 应尽量实施无泄漏的测量 避免加窗最常用的窗函数是矩形窗 汉宁窗 平顶窗和力窗 指数窗 72 5信号处理基本知识 常用窗函数波形和谱图 73 5信号处理基本知识 窗的特性和加窗原则 冲击过程和瞬态过程的测量 应该使用矩形窗 也称力窗 随机和周期激振信号 多用Hanning窗自由衰减信号 多用指数窗 74 5信号处理基本知识 信号加窗示意 75 5信号处理基本知识 滤波 滤波的主要目的 使噪声与有用信号分离 并予以抑制和消除 以提高信噪比基本类型 低通 高通 带通和带阻滤波方式 模拟滤波和数字滤波两种 76 5信号处理基本知识 幅域分析 振动幅值是振动强弱的一种度量 是信号分析最基础的数据幅域统计指标 最大值 最小值 峰峰值 均值 方差 有效值等 对随机信号 均值 方差 概率密度和概率分布函数等峰值反映动态信号瞬时绝对值得最大值均值反映信号中心位置和变化的平均水平方差反映信号在中心位置上的波动程度均方值 有效值平方 反映信号动态与静态总的平均能量水平 77 5信号处理基本知识 概率分析 描述数据在幅值域的分布1概率密度函数 描述信号的幅值在某一个范围内的概率2概率分布函数 描述信号的幅值小于某个值的概率 78 5信号处理基本知识 典型信号的概率密度函数 79 5信号处理基本知识 时域分析 相关函数分析 相关 是指变量之间的线性关系相关分析 反映信号之间的相关性两种相关函数 自相关函数 是描述信号x t 一个时刻的取值与另一个时刻的取值之间的依赖关系互相关函数 是对两个信号x t 和y t 进行分析的 描述x t 一个时刻的取值与y t 另一个时刻的取值之间的依赖关系自相关系数和互相关系数的值总是在 1 1 的区间上 80 5信号处理基本知识 相关函数的应用 自相关函数 判断原信号的性质检测混于随机噪声中的确定性信号其傅立叶变换可以求得信号的功率谱密度互相关函数 互相关函数在时间位移等于信号通道系统所需时间时 将出现峰值 即系统的时间滞后直接可用输出输入互相关函数中峰值的时间位移来确定利用互相时延和能量信息可对传输通道进行识别其傅立叶变换可以求得信号的互功率谱密度 81 5信号处理基本知识 频谱分析 频谱分析 就是将在时间域变化的信号变换为在频 率 域中有效值或均方值随频率的分布基本