动响应测试实验报告

1、动响应测试分析固有频率变化及刚度退化原因分析邓星宇，林宏磊，陆海翔，汤足熠，范黎，李琛摘要：本次实验主要针对于试验室提供的L型钢筋梁动响应的测试。实验中采用了D-600-5电动振动实验台为钢筋梁提供振动加速度，利用PS-1502A变压器为ODC1200-01激光测震系统供电。实验中利用金属梁遮挡光幕的面积来获得信号的输出，进而完成进一步固有频率等动响应参数的测定。在测试方面，实验采用了NI数据采集系统、计算机数据采集系统，主要辅以labview编程，将信号最终转换为频率时间的变换关系，进而确定梁的固有频率。整个实验过程并非一帆风顺，在试样的选择和金属梁挠度初始标定、labview软件调试时，实

2、验遇到了很大的困难，在何顶顶等多位老师的帮助下最终找到了解决的办法。随后的实验过程较为顺利，我们顺利拿到了频率时间变化曲线，完成了金属梁固有频率的测定，并分析了梁刚度退化原因等相关问题。关键词：L型金属梁，动响应测试，labview编程，固有频率，刚度退化引 言随着科学技术的成熟与发展，土木工程结构为各领域所广泛需求。土木工程结构通常具有较长的服役期，在长时间的服役期间，多样性的建筑结构由于自身材料的老化、温度效应与外部环境侵蚀、人为使用以及自然灾害等诸多影响，内外部损伤的形成是无法避免的。内外部损伤的逐步累积，导致结构存在着危险漏洞，进而引发突发性的重大安全事故，直接威胁到国家经济正常运作与

3、人身财产安全。因此，土木工程的损伤检测变得越发重要，对损伤检测技术更深入的研究与运用成为对建筑结构健康维护的主流趋势。而基于固有频率的结构损伤检测是比较常见的一种方式。 结构固有频率容易测量且与测量位置无关，频率测量对周围噪声的敏感度也较低，相对振型和阻尼的测量误差小，故基于频率的损伤检测起步较早，应用也较为广泛 。众所周知，当结构发生损伤时，结构的固有频率也随之变化，损伤后结构固有频率暗含损伤信息，将损伤前后的频率进行对比，从而识别结构损伤，识别方法将直接影响损伤检测结果的精度或正确性。一般通过有限元建立未损伤结构模型，通过对已建成后的实际结构来修正有限元模型，使其能真实反映实际结构；结构发

4、生损伤后，根据实测频率来修改有限元模型，将未损伤有限元模型和修改后的有限元模型进行比较，从而检测出结构的损伤位置和程度。但是对于大型或复杂结构，进行实际测量存在困难，测点有限，且测量数据受噪声干扰严重及测量数据严重不足，这就使得建立的未损伤有限元模型与实际损伤前结构存在差别，将直接影响损伤检测的精确性。这都将增加结构损伤检测难度。这些不足之处限制了该方法在结构损伤检测中的应用。 用结构的振动测量信号进行结构损伤检测是目前国内外研究的热点.基本思路是首先探测出结构振动响应或结构动态特性的变化,然后利用结构的固有特性如特征方程、振型的正交性等建立结构动态特性变化与结构参数变化的关系,进而判定结构损

5、伤的位置和程度,该实验测试了在随机谱激励下构建的动响应，由激光测振系统测得试样的振幅，基于labview进行数据处理，分析构件在外荷载下的固有频率的变化情况。该实验的方法具有普遍意义，通过该实验可以加深对于labview编程的理解，以及为类似振动实验提供了借鉴。实验设备和材料PS-1502A变压器ODC1200-01激光测震系统 D-600-5电动振动实验台 试样梁NI数据采集系统 计算机数据采集系统 木工钳 l型钢筋梁1 实验原理1.1激光测震系统总体结构分为发射器与接收器，发射器发出激光形成光幕，由接收器接收。当实验梁处于光幕中振动时，根据遮挡激光面积的变化，使物体的振动信号转化为电压信号

6、的变化，达到监测物体振动的目的。1.2设计原理在随机谱激励下，振动台在竖直方向做着无规则振动，使固定在上方的试样梁受到无规则的力不断振动。此时试样梁会不断振动，但其振动频率和振动台振动频率不一致，在某段极小时间内当其加速度达到最大值时，此时的振动频率即为它的固有频率。理论上当该时间段的长度接近于无限小（一点）时，即可得到该时间点的振动梁的固有频率。但由于受到条件以及技术限制，目前我们只能做到测出某一时间段内梁的固有频率。 通过激光测震系统监测试样梁的振动，将其振动信号转化为电压信号的变化，再通过ni数据采集系统和计算机数据采集系统转化为模拟信号，从而得出振幅时间曲线。达到监测试样梁振动的目的。

7、再通过fft变换将其转化为加速度频率曲线。利用已知物理规律，当某物体做受迫振动振幅最大时，该振动频率即为其固有频率（共振现象）。由此推知，其振动加速度最大时，其频率即为固有频率。所以某一时间段内的振动加速度的最大值对应的频率，即为该时间段内试样梁的固有频率。每隔固定时间段（实验中取10分钟和5分钟）进行取样，取一段时间段内测出其振幅时间曲线，通过滤波器去除其杂音等因素造成的不良影响使曲线趋于平稳，得出加速度频率曲线后，取加速度最大峰值对应的频率即为该时间段内的试样梁的固有频率。2实验设计2.1实验过程要点计算机数据采集系统labview软件的设计与编程，激光测震系统的搭建，以及金属梁初始标定（

8、后放弃）。试样梁的选择与振动台的使用（由老师帮忙进行）。2.2搭建测振系统使用ODC1200-01激光测振系统，由一个发射器与一个接收器组成。因为使用电压为3-10v，所以我们选择使用了PS1502a变压器，使220v电压控制在7v左右，使发射的激光稳定且足够强烈。由于其监测原理是，物体在光幕中振动，根据其遮挡光幕的面积的变化，使得接收器接受到的激光信号产生变化，从而发出的电压信号随振动变化。所以，遮挡面积变化越明显，其电压信号变化越明显。如果试样梁整体处于光幕中时，其遮挡光幕面积无变化。所以我们设计成只将试样梁侧面的二分之一遮挡激光光幕，从而使其遮挡面积变化更为明显，数据更为精确。同时，将激

9、光保持在水平面，并与试样梁垂直，可保证面积变化率最大化。因为L型钢筋梁为工业系统生产用于建筑，其弯曲程度较小，所以我们将激光测震系统通过木工钳固定在钢筋梁上保证接收器能接收发射器发出的激光。同时，在两边的工作台上，通过工业统一生产的砖块，钢铁块，保证搭在上方的钢筋梁左右高度一致从而达到水平。最后使试样梁与钢筋梁垂直保证其与发射出的激光光幕垂直。尽可能将激光测震系统可能产生的误差控制在最小。2.3 Labview的设计与编程起初，我们设想是构筑单纯的FFT变化数据处理程序，通过在静荷载情况下挠度，电压信号，以及零荷载情况下的电压信号，用挠度除以电压信号的相应值，得出挠度（振幅）与电压信号的关系值

10、。但实际实验中我们发现，由于试样梁的材质为金属合金，其硬度较高，即使是较大荷载下的挠度依旧微小，同时其电压信号在静荷载与零荷载的情况下数值十分接近，测量误差较大。再者，我们取值是通过肉眼观察曲线图，所以误差会很大。最终我们放弃了，构筑单纯的FFT变换数字程式，采用挠度与电压差进行初始标定的方法。 在labview程序中，不是编单纯的FFT变换的数字处理程式，而是通过FFT频谱图进行自动标定的程式，从而将肉眼观察等误差排除，保证实验结果的精确性。而通过多次测试，我们发现这种方法可行而且精确度高。3实验主要内容3.1 开始我们进行了器材的选择与准备。首先是激光测震系统，由于工作电压是在3v10v左

11、右，所以我们选择了 PS-1502AV变压器，可对输出电压自行调控。为了保证发射的激光的稳定以及强度，我们将电压控制在了7v左右。同时将激光测震系统与计算机，NI数据处理模块相连接，使其能将电压信号通过ni数据处理系统转化为模拟信号并传输进计算机的数据处理系统中。同时制作了一个建议的labview数据处理系统，为一个振幅时间曲线。连接NI数据处理系统后，在工作状态下我们将发射器与接收器对准后，用手进行遮挡，保证其能接收信号并进行处理。进行取样后，曲线框内出现了振幅随着时间变化的曲线，从而证明了激光测震系统的可用性。3.2我们主要完成了激光测震系统的校准工作。为使精确度达到尽可能的高，我们需要控

12、制接收器接受的激光达到最大，即为二者保证完全对齐，同时距离控制得当。所以我们找到了一根L型钢筋梁，将接收器与发射器固定在L型钢筋梁内部，同时使用木工钳固定。由于钢筋梁为工业系统生产用于建筑建造，其弯曲程度极小，从而保证了发射器能完全对准接收器。同时，我们找到了统一制备的工业砖块与钢铁块，合理拼搭使搭在上方的钢筋梁的两端高度一致，从而使激光保持水平。同时我们对钢筋梁两边进行标记，保证其位置是一定的，不会产生额外偏差。再将搭载点控制在钢筋梁的两端，使其尽可能的远离振动台，从而保证其基本不受振动台的振动影响。3.3对labview程序进行编程。先是制作了一个单纯的FFT变换的数字处理程式，通过滤波器

13、后的信号传输进程式中，通过FFT变换转化为加速度频率的曲线图。但因为只是单纯的数字处理程式，其中的电压与振幅的关系系数是未知的，所以我们设计在静荷载与零荷载情况下进行挠度和电压信号的测定，用挠度（对应某一时刻的振幅）除以电压信号对应值之差，得出振幅与电压变化的关系系数。然而我们发现，基于振动台结构的特殊性，我们无法在上面固定百分表进行挠度测定，所以选择在边上放置一稳定的钢铁块，再在上面固定百分表进行测定。由于试样梁固定后，其与振动台的间距较小，所以我们无法从下方进行挠度测定，于是我们从上方固定百分表进行测定。而且因为试样梁材质为金属合金，质地较硬，在加载了4kg的砝码情况下挠度很小，通过肉眼观

14、察百分表变化得出的数字误差较大。同时，静荷载与零荷载情况下的电压差很小。从而导致关系系数的误差必然很大。所以我们决定先回去商量对策，下一次进行修正，并改进实验方案。3.4 我们主要进行了静荷载与零荷载情况下电压差较小的问题的修正。我们发现，试样梁在激光测震系统中侧面全部在光幕中并遮挡了一半有余的光幕，从而导致了试样梁振动时，遮挡面积变化不明显，以及后续的电压变化不明显等。所以我们选择了在试样梁下方垫了两层垫圈使其增高的手段，垫高了大约为3mm的高度，使试样梁侧面大约一半在光幕中，同时遮挡光幕面积约为四分之一到三分之一，面积变化更为明显，同时对钢筋梁的位置等进行了相应调整。 由于试样梁的连接处发

15、生改变，其挠度变化也会相应变化，于是我们重新进行了挠度测量。由于没有想到更好的测量方法，我们依旧采用了之前的方法，但增加了测量次数，去掉最值取平均值的方法，但依旧无法避免误差较大的事实，这是方法上的缺陷，只能尽可能地将误差减小。然而在后续的电压信号测量时我们发现，静荷载与零荷载情况下，电压变化依旧很小，虽然改良了激光测震系统，但收效其微。并且因为电压差值是作为分母，同时差值的数量级只在0.0x，一个很小的误差就会导致关系系数的极大的偏差。我们意识到我们的设计方法在出发点就有了错误，于是选择回去讨论，下次实验进行改良。3.5我们意识到，前面的失败这是程序设计中的算法问题。单纯的FFT变换数字处理

16、程式过于片面，同时初始标定求关系系数的方法可控因素过少，误差太大，所以我们决定换一个程序，换一个算法，使其不需要进行误差极大的初始标定方法，而是通过动态监测处理的方法，使误差控制在最小。于是我们设计编程了FFT变换频谱图，使其不仅能监测电压信号的变化，还能在动态环境下进行关系系数的计算以及处理。但由于是系统自带模块的改进，所以我们并不知道其关系系数处理的原理以及方法。在一切准备就绪后，我们先是将取样时间控制在3s左右，使其时间不至于过短或者过长。同时，我们进行了敲击实验。然而我们发现，在频率合理范围：150-500hz内，并没有出现峰值，这说明程序出现问题，在咨询老师后我们发现我们将程序的截止

17、频率设定在了10hz，也就是说10hz以上的信号都被滤波器处理了，从而导致了在频率合理范围内没有峰值。 我们将截止频率设定在500hz，并再次进行了敲击实验对程序进行检测，在大力敲击与轻微敲击情况下，频率也随之不同并且相差较大，并在合理范围内，曲线也符合要求，从而证明了此方法的可行性。之后我们请老师打开了振动台，进行了两种随机谱：长时间低量级随机振动，以及，短时间高量级随机振动。低量级振动我们选择了10min，同时每一分钟进行一次采样，采样的时间长度为5s，高量级我们选择了5min，同样是每一分钟进行一次采样，采样时间长度为5s。每次采样，得出振幅时间曲线图，通过滤波器去除了不必要的杂波使曲线

18、趋于光滑易于观测。之后通过FFT变换的频谱图程序，得出了加速度频率曲线，并取其最大峰值对应的频率即为该时间段内试样梁的固有频率。最后画出固有频率时间曲线图，观察固有频率随着时间变化的变化关系，并分析原因。4数据分析t/min f/Hz0 225.101 225.10 2225.103224.824225.105224.606224.857225.388224.359224.85按照之前讨论的实验原理，振幅时间曲线经过FFT变换后变成了加速度频率曲线，取样的时间段内，加速度最大峰值对应的频率即为试样梁在该时间点（段）的固有频率。 但是在试验后取得的数据进行绘图后，我们发现，画出的频率时间曲线是一

19、个类似于正弦曲线的，且振幅在不断变大的曲线，然后又通过线性拟合后，变成了一个线性减小的直线，符合之前的实验原理。 所以我们的分析是：因为试样梁的硬度很高，随机振动情况下固有频率变化会很微小（频率变化在1hz甚至0.1hz以内），我们读数时误差会不可避免的相当大。同时。在查询了labview程序中所有的组件，我们并没有查询到相关的可以自动识别某频率区间内，最大峰值对应的频率的程序设计方法，这就将读数方法局限在用肉眼观察上。 我们试过将读数放大倍数的方法，然而虽然横坐标频率的刻度值小了，但频率的曲线也放大相当大的倍数，导致原本在低倍数条件下看到的最大峰值，放大相当大倍数后，变成了数个很难判断大小，依旧只能靠肉眼观察的峰，很难判断哪个是最大的峰值。 鉴于实验目的是观察随机谱激励条件下，试样梁随机振动时固有频率的变化。于是我们采用了线性拟合的方法，使描出的点均匀分布在线性直线两边，直线上对应的点最接近相应时间点上试样梁的固有频率。从而看出，随着时间变化，试样梁的固有频率在不断减小。由于试样梁的材质为金属且为合金，质地十分坚硬，在仅仅随机振动10min的情况下，试样梁的固有频率减小的极