模态分析与振动测试技术
模态分析与振动测试技术
固体力学
S0902015
李鹏飞
模态分析与振动测试技术
模态分析的理论基础是在机械阻抗与导纳的概念上发展起来的。近二十多年来，模态分析理论吸取了振动理论、信号分析、数据处理数理统计以及自动控制理论中的有关“营养”，结合自身内容的发展，形成了一套独特的理论，为模态分析及参数识别技术的发展奠定了理论基础。
一、单自由度模态分析
单自由度系统是最基本的振动系统。虽然实际结构均为多自由度系统，但单自由度系统的分析能揭示振动系统很多基本的特性。由于他简单，因此常常作为振动分析的基础。从单自由度系统的分析出发分析系统的频响函数，将使我们便于分析和深刻理解他的基本特性。对于线性的多自由度系统常常可以看成为许多单自由度系统特性的线性叠加。
二、多自由度系统模态分析
对于多自由度系统频响函数数学表达式有很多种，一般可以根据一个实际系统来讨论，给出一种形式；也可根据问题的要求来讨论，给出其他不同的形式。为了课程的紧凑，直接联系本课程的模态分析问题，我们就直接讨论多自由度系统通过频响函数表达形式的模态参数和模态分析。即多自由度系统模态参数与模态分析。
多自由度系统模态分析将主要用矩阵分析方法来进行。
我们以N个自由度的比例阻尼系统作为讨论的对象。然后将所分析的结果推广到其他阻尼形式的系统。
设所研究的系统为N个自由度的定常系统。其运动微分方程为：
（2—1）
++=
M X CX KX F
?）阶式中M，C，K分别为系统的质量、阻尼及刚度矩阵。均为（N N
矩阵。并且M及K矩阵为实系数对称矩阵，而其中质量矩阵M是正定矩阵，刚度矩阵K对于无刚体运动的约束系统是正定的；对于有刚体运动的自由系统则是半正定的。当阻尼为比例阻尼时，阻尼矩阵C为对称矩阵（上述是解耦条件）。
N?阶矩阵。即
X及F分别为系统的位移响应向量及激励力向量，均为1
12
1
N
N x x X x ???
????=?
???????
； 121
N N f f F f ??
?
???
?
=?
?
?????
? （2—1）式是用系统的物理坐标X 、X
、X 描述的运动方程组。在其每一个方程中均包含系统各点的物理坐标，因此是一组耦合方程（请大家想象一下其
展开式）。当系统的自由度数很大时，求解很困难。我们能否将上述耦合方程变成非耦合的独立的微分方程组，就是模态分析所要解决的主要任务。故所以模态分析的经典定义是：以无阻尼系统的各阶主振型所对应的模态坐标来代替物理坐标，使坐标耦合的微分方程组解耦为各个坐标独立的微分方程组，从而使求出系统的各阶模态参数。
三、模态（导纳）测量技术
模态试验所用的测量技术对于我们所研究的对象（系统）与外界的关系一般可用如下的图来表示：
这里：)(t f ——输入激励（狭义地说是力，广义地说就不一定了） )(t x ——输出响应（位移、速度、加速度等）
)(t h ——系统转换函数（特性）
（注意自变量是时间）
用公式可表示为：
由此可见，只有当测定方
程中的两项时，才能完全测出试验对象的振动情况。
从机构的动态分析这角度来说，基本问题可以分成三类： 1、已知系统的特性和输入，求响应———振动分析问题
例如，一机器由于转动轴的偏心产生振动，这时输入激励是已知的，机器本身结构的特性也是已知的现在要求系统的位移、速度、加速度。这称为振动分析问题。
2、已知输出和系统的特性，要研究系统的输入———动载荷识别（作载荷谱）或环境测试问题。
例如汽车工业中的路面谱分析问题，这对汽车工业是很重要的问题。
噪声对人体的影响问题，就要分析噪声的频率成分，即噪声测量问题，也就
是环境测试问题。
3、已知系统输入和输出要识别或研究系统的动态特性——系统识别问题（试验模态分析）
也就是说我们要根据测得的输入、输出来确定系统的物理参数。试验模态分析就是要解决这类问题。有时这类测量统称为“导纳测量”
3.1基本测量系统
尽管测试问题各种各样、测量仪器各不相同，但基本测试系统还是十分简单的。可分为三大部分：即激励系统、响应测试系统和信号分析系统。这三个系统可由如下的简图来表示：
（论文撰写时测试方案一般也应用测试框图来表示）
3.2结构准备工作
导纳测量全过程的一个重要准备工作是在试验结构本身，一般人常常没有给予足够的注意，致使整个试验的价值引起不必要的降低。实际上是一个所做试验的边界条件是否与理论假设相符合（或近似），这对于搞力学专业的人较重视的。理论上要求被测对象是处于“自由”状态，故所试验的结构是处于“自由”，有两种方法来实现，即“悬挂”式和“地面支承”式。悬挂式是将被测对象自由地悬挂在空间。在这种状态下结构将呈现由其质量和惯性所确定的刚体模态，既无弯曲又无变形。对处于这种自由状态下的结构，我们可以确定其刚体模态，乃至质量和惯性特性，这些都是非常重要的数据。
3.3结构的激励
做试验模态分析必须使构件动起来，故必须做试验模态分析必须要有激励装置。激励装置从激励方式来分有：接触式和非接触式；从激励的信号类型看有：稳态激励（它包括周期激励，正弦慢扫描激励）；另外还有：随机激励；瞬态激励。根据测试的不同需要采用不同激励信号。狭义的说我们结构动态试验常用的是瞬态激励。
3.4传感器和放大器
现代传感器的功能可以定义为将我们要测量的物理量转换成电量（电压、电
阻、电荷、电流等）。目前工程上一般都要转换为电压，因为计算机、记录仪器信号分析仪器一般是接受电压信号。这种转换大多由二次仪表来完成，如电阻应变片是将应变这物理量转换为电阻量再由应变仪将电阻转换为电压信号；压电传感器是将被测的力、加速度等物理量转换为电荷信号，再由电荷放大器将电荷信号转换为电压信号。
压电式传感器是目前最流行的，也是试验模态测量中使用最广泛的一种传感器，只有在一些特殊情况下才使用其他类型的传感器。因此我们将讨论限制在这些压电型传感器上。
用于导纳测量的压电式传感器有三种：力传感器、加速度传感器、以及阻抗头（所谓阻抗头实际上就是将力传感器和加速度传感器组合在一个装置中）。
3.5分析仪
从测试系统中可以看出当二次仪表将被测信号转换成电压信号后必须要对所获得的信号根据我们问题要求进行分析处理。
早期还有一种称为跟踪滤波器它是一种模拟信号分析仪器现在已淘汰。后来常用的主要是频率响应分析仪和谱分析仪，这两种仪器现在都属数字分析仪器。
振动测试理论和方法综述
振动测试理论和方法综述 摘要:振动是工程技术和日常生活中常见的物理现象。在长期的科学研究和工程实践中，已逐步形成了一门较完整的振动工程学科，可供进行理论计算和分析。随着现代工业和现代科学技术的发展，对各种仪器设备提出了低振级和低噪声的要求，以及对主要生产过程或重要设备进行监测、诊断，对工作环境进行控制等等。这些都离不开振动的测量。振动测试技术在工业生产中起着十分重要的作用，为此设计和制造高效的振动测试系统便成为测试技术的重要内容。本文概述了振动测试的发展历程，总结和分析了振动测试系统的基本组成和应用理论，列举了几种机械振动测试系统的类型。最后分析了振动测试系统的几个发展趋势。 关键词：振动测试；振动测试系统；测试技术；激振测试系统 1.引言 振动问题广泛存在于生活和生产当中。建筑物、机器等在内界或者外界的激励下就会产生振动。而机械振动常常会破坏机械的正常工作，甚至会降低机械的使用寿命并对机器造成不可逆的损坏。多数的机械振动是有害的。因而对振动的研究不仅有利于改善人们的生活环境和生活水平，也有助于提高机械设备的使用寿命，提高人们的生产效率。正因如此振动测试在生产和科研等多方面都有着十分重要的地位[1]。为了控制振动，将振动给人们带来的危害降至最低，就需要我们了解振动的特性和规律，对振动进行测试和研究。振动测试应运而生。 振动测试有着较为长久的发展历史，是与人类社会的发展有着紧密的联系。随着计算机技术和相关高科技技术的问世和发展，振动测试系统也有了飞跃性的发展。振动测试系统从最早的简单机械设备的应用到如今的先进的计算机技术和设备的应用。从刚开始的检测人员的耳朵来进行测量、判断和计算出大概的故障点的原始方法到现在的计算机控制、存储、处理数据的处理[2]，无不体现出振动测试系统的长足发展和飞跃式的进步。与此同时，振动测试在理论方面也有了长足的发展，1656 年惠更斯首次提出物理摆的理论并且创造出了单摆机械钟到现今的自动控制原理和计算机的日趋完善，人们对机械振动分析的研究已日趋成熟。而伴随着振动测试系统的进步和日臻成熟，其在国民的日常生活和生产中所扮演的角色也愈发的重要。 2.振动测试与分析系统（TDM）的发展
模态分析与振动测试技术
模态分析与振动测试技术 固体力学 S0902015 李鹏飞
模态分析与振动测试技术 模态分析的理论基础是在机械阻抗与导纳的概念上发展起来的。近二十多年来，模态分析理论吸取了振动理论、信号分析、数据处理数理统计以及自动控制理论中的有关“营养”，结合自身内容的发展，形成了一套独特的理论，为模态分析及参数识别技术的发展奠定了理论基础。 一、单自由度模态分析 单自由度系统是最基本的振动系统。虽然实际结构均为多自由度系统，但单自由度系统的分析能揭示振动系统很多基本的特性。由于他简单，因此常常作为振动分析的基础。从单自由度系统的分析出发分析系统的频响函数，将使我们便于分析和深刻理解他的基本特性。对于线性的多自由度系统常常可以看成为许多单自由度系统特性的线性叠加。 二、多自由度系统模态分析 对于多自由度系统频响函数数学表达式有很多种，一般可以根据一个实际系统来讨论，给出一种形式；也可根据问题的要求来讨论，给出其他不同的形式。为了课程的紧凑，直接联系本课程的模态分析问题，我们就直接讨论多自由度系统通过频响函数表达形式的模态参数和模态分析。即多自由度系统模态参数与模态分析。 多自由度系统模态分析将主要用矩阵分析方法来进行。 我们以N个自由度的比例阻尼系统作为讨论的对象。然后将所分析的结果推广到其他阻尼形式的系统。 设所研究的系统为N个自由度的定常系统。其运动微分方程为： （2—1） ++= M X CX KX F ?）阶式中M，C，K分别为系统的质量、阻尼及刚度矩阵。均为（N N 矩阵。并且M及K矩阵为实系数对称矩阵，而其中质量矩阵M是正定矩阵，刚度矩阵K对于无刚体运动的约束系统是正定的；对于有刚体运动的自由系统则是半正定的。当阻尼为比例阻尼时，阻尼矩阵C为对称矩阵（上述是解耦条件）。 N?阶矩阵。即 X及F分别为系统的位移响应向量及激励力向量，均为1
模态试验分析系统
模态试验分析系统 系统简介 模态试验与分析系统是指通过数据采集系统获得激励（和响应）数据，经动态信号分析与模态参数识别，确定机械结构的固有频率、阻尼比、振型和模态参与因子等揭示结构动态特性的参数。模态实验广泛应用于振动排故、状态检测、故障诊断和结构健康监测，以及动态响应预报、结构动态修改、有限元模型修正、动态分析与设计、振动控制等。 系统特点 ★快速几何建模 1、集成交互式几何建模模块，实现节点、连线、多边形、3D对象的交互式选择、移动、旋转、放大、删除、修改等功能 2、可定义总体坐标和局部坐标，具有笛卡尔、柱、以及球等三种坐标系统，各种坐标系统间转换方便 3、可实现线段、直线、矩形、梯形、扇面、椭圆、圆台、球体等规则3D对象的快速建模，还可自
定义三维单元库 4、除了交互式几何建模，模型几何信息也可通过配置信息界面直接进行修改、添加、删除等操作 ★快速、易用的信号分析功能 1、向导式的信号处理参数设置，实现趋势去除、时域抽取、快速傅立叶变换（FFT）、加窗函数等功能 2、 FFT长度：基2整数，根据实测数据自由可选；重叠：0%～83%，可从下拉列表中选择；平均次数：用户自定义；窗函数：矩形窗、汉窗、海明窗、平顶窗、指数窗、力窗、指数窗等；分析频率范围：采样频率的1/2或1/2.56 3、功率谱估计：自谱、互谱、功率谱密度矩阵、半功率谱密度矩阵 4、单输入多输出（SIMO）的频率响应函数（FRF）估计：H1、H2估计 5、多输入多输出（MIMO）的频率响应函数估计及相干函数估计 6、多线程支持的信号处理过程，并可采用不同设置参数重复进行 ★灵活的二维\三维图形显示、控制和输出 1、提供专用的二维曲线与三维图形控制面板，以及鼠标、快捷键、菜单等多种控制方式 2、多种曲线表达方式，诸如频率响应函数的幅值（线性、对数、dB坐标）、相位、展开相位、实部、虚部、奈奎斯特图等 3、方便灵活的二维曲线显示与控制，网格、图例等元素可显示或隐藏，并能提供相应曲线的完善测量信息（测量节点、方向，是否原点测量等） 4、缩放（具有不同缩放状态的记忆能力）、选段、寻峰寻谷等实用功能 5、方便灵活的三维图形显示与控制，节点号、输入/输出标记、坐标轴等元素可显示或隐藏，并能轻易实现平移、缩放、旋转等功能 6、提供三维图形的俯仰、左右、前后等各向视图，能实现结构的框架线显示或着色面渲染 7、二维曲线和三维图形的各元素颜色均可自定义 8、基于OpenGL的三维图形动画控制，实现播放、暂停、帧播放、幅度控制、速度控制等功能 9、各种二维曲线和三维图形均可复制到操作系统剪贴板中，亦可一键存储为BMP或JPG文件 10、振型动画和ODS可直接输出成AVI文件 ★先进、准确、可靠的模态分析技术 1、EMA : 基于输入（激振力）、输出（响应）测量的试验模态分析技术 （1）单输入/多输出（SIMO）的全局模态识别技术，可识别得到全局模态参数 （2）多点激振的多输入/多输出（MIMO）模态识别技术，具有识别高密度或重频模态的能力，是大型、复杂结构试验模态分析的理想方法 （3）单参考点和多参考点锤击法（MRIT）模态识别技术。 2、OMA: 环境激励下仅有输出（响应）可测量的运行模态分析技术，可以对桥梁、建筑、汽车、飞机、旋转机械等机械结构在运行状态进行试验与分析，无须人工激振，只需测量响应 （1）不仅简单可行，同时还可获得结构在真实运行状态下的动态特性，且天然具备多参考点特性，具有解耦密集模态的能力 （2）基于全功率谱密度矩阵的窄带模态参数识别方法（频域空间域分解法，FSDD），方便易用，结
模态试验及分析的基本步骤
模态试验及分析的基本步骤 1.动态数据的采集及响应函数分析 首先应选取适当的激励方式。激励方式可以是正弦、随机或瞬态中的任何一种。激励方式不同，相应的模态参数识别方法也不同。目前主要有单输入单输出、单输入多输出和多输入多输出三种方法。然后进行数据采集。对于单输入单输出方法要求同时高速采集输入与输出两个点的信号，用不断移动激励点位置或响应点位置的办法取得振型数据;单输入多输出及多输入多输出的方法要求大量通道数据的高速采集，因此要求大量的振动测量传感器或激振器，试验成本极高。在采集信号数据以后，还要在时域或频域对信号进行处理，例如谱分析、传递函数估计、脉冲响应测量以及滤波、相关分析等。 2.建立结构数学模型 根据己知条件，建立一种描述结构状态及特性的模型，作为计算及参数识别的依据，目前一般假定系统为线性的。由于采用的识别方法不同，数学建模可分为频域建模和时域建模。根据阻尼特性及频率藕合程度又可分为实模态和复模态等。 3.参数识别 按识别域的不同可分为频域法、时域法和混合域法。激励方式不同，相应的识别参数方法也不尽相同。并非越复杂的方法识别的结果越可靠。对于目前能够进行的大多数不是十分复杂的结构，只要取得了可靠的频响数据，用简单的识别方法也可能获得良好的模态参数;反之，即使用最复杂的数学模型、最高级的拟合方法，如果频响测量数据不可靠，识别的结果也不会理想。 4.振型动画 参数识别的结果得到了结构的模态参数模型，即一组固有频率、模态阻尼以及相应各阶模态的振型。但是由于结构复杂，由许多自由度组成的振型的数组难以引起对振动直观的想象，所以必须采用振型动画的办法，将放大的振型叠加到原始的几何形状上。
振动测试与数据处理
振动 振动是一种机械振荡。他是指机械或结构系统在其平衡位置附近的往复运动，这种振荡的量值是确定机械系统运动状态的一个参数． 加速度导纳 加速度导纳是正弦激励时，加速度与力的复数比，其中包含着加速度和力之间的相位角．加速度导纳有时称为“惯量”． 加速度阻抗 加速度阻抗是正弦激振时，力与加速度的复数比，其中包含着力和加速度之间的相位角．加速度阻抗有时称为“动态质量”或“视在质量”． 电荷变换器 电荷变换器是一个可提供与瞬时输入电荷成正比的瞬时输出电压的电子线路． 有阻尼固有频率 有阻尼固有频率是有阻尼线性系统自由振动的频率．有阻尼系统的自由振动，尽管相邻周期的振幅逐步减小，但在零点(同向的)间的时间间隔保持不变的少数情况下，仍可看成是周期性的．振动频率是上述时间间隔的倒数(见“固有频率”和“无阻尼固有频率”)． 阻尼比 具有粘性阻尼的传感器，其阻尼比等于实际阻尼系数与临界阻尼系数之比． 分贝 分贝是用来表示一个量相对于某个规定的参考值的大小的一种单位，它用这两个量之比的以Iog为底的对数表示． 位移导纳 位移导纳是正弦激振时，位移与力的复数比，其中包含着位移与力之间的相位角．位移导纳有时称为“动柔度”． 位移阻抗 位移阻抗是正弦激振时，力与位移的复数比，其中包含着力与位移之间的相位角．他移阻抗有时称为“动刚度”。 谐波 谐波是一个正弦波，其频率等于相应的周期波的频率的整数倍． 固有频率 固有频率是单自由度系统作自由振动时的频率．对多自由度系统来说，固有频率指的是它的正则振型的频率． 压电式传感器 压电式传感器是利用某种非对称晶体的特性来工作的传感器，这种晶体的材料在变形时会产生电荷． 压电现象 压电现象是某些非对称晶体材料受到适当方向的攻变时，产生与应变成正比的电极化作用的现象；逆压电现象是某些非对称晶体材料受到外部电场作用时，产生与电场成正比的机械应变的现象 压阻式传感器 压阻式传感器的工作原理基于半导体或其他晶体材料的电阻率随施加于其上的应力而变化这一特性． 相位角 一个正弦振动的相位角是该振动相对于某一作为参照的正弦振动的相位超前(或滞后)．
试验模态分析的两种方法
试验模态分析的两种方法 模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。模态分析最终目标在是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。 试验模态分析主要有以下两种方法,OROS模态分析软件MODEL 2 完全具备了这两种常用的模态方 法。 锤击法模态测试 用于满足锤击法结构模态试验，以简明、直观的方法测量和处理输入力和响应数据，并显示结果。提供两种锤击方法：固定敲击点移动响应点和固定响应点移动敲击点。用力锤来激励结构，同时进行加速度和力信号的采集和处理，实时得到结构的传递函数矩阵。能够方便地设置测量参数，如触发量级、测量带宽和加窗类型，同时对最优的设置提供建议指导。 激振器法模态测试 主要是通过分析仪输出信号源来控制激振器，激励被测试件，输出信号有先进扫频正弦，随机噪声，正弦，调频脉冲等信号。支持单点激励（SIMO）与多点同时激励法(MIMO)。 1）几何建模 结构线架模型生成，节点数和部件数没有限制，测量点DOF自动加到通道标示；建立几何模型，以3维方式显示测量和分析结果。结构模型可以作为单个部件的装配，及采用不同的坐标系（直角、圆柱、球体坐标系），要求除点的定义外，还可定义线和面，真实的显示试验结构。结构线架模型生成，节点数和部件数没有限制，测量点自由度自动加到通道标示。
振动测试技术模态实验报告
研究生课程论文(2016-2017学年第二学期) 振动测试技术 研究生：
模态试验大作业 0 模态试验概述 模态试验（modal test）又称试验模态分析。为确定线性振动系统的模态参数所进行的振动试验。模态参数是在频率域中对振动系统固有特性的一种描述，一般指的是系统的固有频率、阻尼比、振型和模态质量等。 模态试验中通过对给定激励的系统进行测量，得到响应信号，再应用模态参数辨识方法得到系统的模态参数。由于振动在机械中的应用非常普遍。振动信号中包含着机械及结构的内在特性和运行状况的信息。振动的性质体现着机械运行的品质，如车辆、航空航天设备等运载工具的安全性与舒适性；也反映出诸如桥梁、水坝以及其它大型结构的承载情况、寿命等。同时，振动信号的发生和提取也相对容易因此，振动测试与分析已成为最常用、最基本的试验手段之一。 模态分析及参数识别是研究复杂机械和工程结构振动的重要方法，通常需要通过模态实验获得结构的模态参数即固有频率、阻尼比和振型。模态实验的方法可以分为两大类：一类是经典的纯模态实验方法，该方法是通过多个激振器对结构进行激励，当激振频率等于结构的某阶固有频率，激振力抵消机构内部阻尼力时，结构处于共振状态，这是一种物理分离模态的方法。这种技术要求配备复杂昂贵的仪器设备，测试周期也比较长；另一类是数学上分离模态的方法，最常见的方法是对结构施加激励，测量系统频率响应函数矩阵，然后再进行模态参数的识别。 为获得系统动态特性，常需要测量系统频响函数。目前频响函数测试技术可以分为单点激励单点测量( SISO)、单点激励多点测量( SIMO) 、多点激励多点测量( MIMO)等。单点激励一般适用于较小结构的频响函数测量，多点激励适用于大型复杂机构，如机体、船体或大型车辆机构等。按激励力性质的不同，频响函数测试分为稳态正弦激励、随机激励及瞬态激励三类，其中随机激励又有纯随机、伪随机、周期随机之分。瞬态激励则有快速正弦扫描激励、脉冲激励和阶跃激励等几种方式。按激励力性质的不同，频响函数测试分为稳态正弦激励、随机激励及瞬态激励三类，其中随机激励又有纯随机、伪随机、周期随机之分，瞬态激励则有快速正弦扫描激励、脉冲激励和阶跃激励等几种方式。 振动信号的分析和处理技术一般可分为时域分析、频域分析、时频域分析和时间序列建模分析等。这些分析处理技术从不同的角度对信号进行观察和分析，为提取与设备运行状态有关的特征信息提供了不同的手段。信号的时域分析包括时域统计分析、时域波形分析和时域相关分析。对评价设备运行状态和
最新模态试验及分析的基本步骤
模态试验及分析的基本步骤 1 1.动态数据的采集及响应函数分析 2 首先应选取适当的激励方式。激励方式可以是正弦、随机或瞬态中的任何一种。激3 励方式不同，相应的模态参数识别方法也不同。目前主要有单输入单输出、单输入多4 输出和多输入多输出三种方法。然后进行数据采集。对于单输入单输出方法要求同时5 高速采集输入与输出两个点的信号，用不断移动激励点位置或响应点位置的办法取得6 振型数据;单输入多输出及多输入多输出的方法要求大量通道数据的高速采集，因此要7 求大量的振动测量传感器或激振器，试验成本极高。在采集信号数据以后，还要在时8 域或频域对信号进行处理，例如谱分析、传递函数估计、脉冲响应测量以及滤波、相9 关分析等。 10 2.建立结构数学模型 11 根据己知条件，建立一种描述结构状态及特性的模型，作为计算及参数识别的依 12 据，目前一般假定系统为线性的。由于采用的识别方法不同，数学建模可分为频域建13 模和时域建模。根据阻尼特性及频率藕合程度又可分为实模态和复模态等。 14 3.参数识别 15 按识别域的不同可分为频域法、时域法和混合域法。激励方式不同，相应的识别参16 数方法也不尽相同。并非越复杂的方法识别的结果越可靠。对于目前能够进行的大多17 数不是十分复杂的结构，只要取得了可靠的频响数据，用简单的识别方法也可能获得18 良好的模态参数;反之，即使用最复杂的数学模型、最高级的拟合方法，如果频响测量19 数据不可靠，识别的结果也不会理想。 20 4.振型动画 21 参数识别的结果得到了结构的模态参数模型，即一组固有频率、模态阻尼以及相应22 各阶模态的振型。但是由于结构复杂，由许多自由度组成的振型的数组难以引起对振23
各种模态分析方法总结及比较
各种模态分析方法总结与比较 一、模态分析 模态分析是计算或试验分析固有频率、阻尼比和模态振型这些模态参数的过程。 模态分析的理论经典定义：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。 模态分析是研究结构动力特性一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模记分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。 模态分析最终目标是在识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。二、各模态分析方法的总结
（一）单自由度法 一般来说，一个系统的动态响应是它的若干阶模态振型的叠加。但是如果假定在给定的频带内只有一个模态是重要的，那么该模态的参数可以单独确定。以这个假定为根据的模态参数识别方法叫做单自由度(SDOF)法n1。在给定的频带范围内，结构的动态特性的时域表达表示近似为： ()[]}{}{T R R t r Q e t h r ψψλ= 2-1 而频域表示则近似为： ()[]}}{ {()[]2ωλωψψωLR UR j Q j h r t r r r -+-= 2-2 单自由度系统是一种很快速的方法，几乎不需要什么计算时间和计算机内存。 这种单自由度的假定只有当系统的各阶模态能够很好解耦时才是正确的。然而实际情况通常并不是这样的，所以就需要用包含若干模态的模型对测得的数据进行近似，同时识别这些参数的模态，就是所谓的多自由度(MDOF)法。 单自由度算法运算速度很快，几乎不需要什么计算和计算机内存，因此在当前小型二通道或四通道傅立叶分析仪中，都把这种方法做成内置选项。然而随着计算机的发展，内存不断扩大，计算速度越来越快，在大多数实际应用中，单自由度方法已经让位给更加复杂的多自由度方法。 1、峰值检测 峰值检测是一种单自由度方法，它是频域中的模态模型为根据对系统极点进行局部估计(固有频率和阻尼)。峰值检测方法基于这样的事实：在固有频率附近，频响函数通过自己的极值，此时其实部为零(同相部分最
振动测试和分析技术综述分析解析
振动测试和分析技术综述 黄盼 （西华大学，成都四川 610039） 摘要:振动测试和分析对结构和系统动态特性分析及其故障诊断是一种有效的手段。综述了当前振动测试和分析技术，包括振动测试与信号分析的国内外发展概况、振动信号数据采集技术、振动测试技术、以及振动测试与信号分析的工程应用，最后对振动测试与分析技术的未来发展方向进行了展望。 关键词:振动测试; 信号分析; 动态特性; 综述 Summary of Vibration Testing and Analysis HuangPan ( Xihua University，Chengdu 610039，China) Abstract: Vibration testing and analysis is an effective tool in analyzing structure and system dynamic characteristic and detecting the failures of structures,systems and facilities. The present paper reviews the current vibration testing and analysis techniques，including the development of vibration measurement and analysis of domestic and foreign，vibration signal data acquisition,vibration testing technology ,vibration measurement and analysis in engineering application. Finally,the future development in the field of vibration testing and analysis is predicted. Key words: vibration testing; signal analysis; dynamic characteristic;overview
大型振动台夹具的模态分析及结构改进
第31卷第5期苏州大学学报（工科版）Vol.31No．5 2011年10月JOURNAL OF SOOCHOW UNIVERSITY（ENGINEERING SCIENCE EDITION）Oct．2011文章编号：1673－047X（2011）－05－0056－04 大型振动台夹具的模态分析及结构改进 孙晓洁1，陈俊2，王安柱1，朱忠奎1 （1．苏州大学城市轨道交通学院，江苏苏州215021；2．东菱振动试验仪器有限公司，江苏苏州215011） 摘要：振动台夹具是振动台上用以固定被试件的关键结构件，首先应满足被试件的安装要求，其次为了能在试验频率范围内对被试件开展振动试验，其结构模态应有尽量高的固有频率，并避免与试件发生共振耦合。在设计夹具的基础上，分析其前十阶的固有模态，并根据其固有频率的高低改进了结构，使得模态符合试验要求。 关键词：振动台；夹具；模态；固有频率 中图分类号：TH16；U467文献标识码：A 0引言 对于大型振动台夹具，首先要确定出对夹具的固有频率和振型的要求，夹具设计完成后应对固有频率进行校验，根据验算结果对夹具进行改进设计并最终使夹具满足设计要求［1］。在振动环境中，夹具的第一阶固有频率应高于最高试验频率，还应避免发生夹具与产品的共振耦合［2］。本文据此进行了大型振动台夹具的结构改进。 据上所述，设计夹具时需计算结构的固有频率。建立结构的力学模型时可将产品合理简化为杆、梁、板、壳等构件的组合，理论上应将这些构件作为多自由度系统进行动力学分析，它们各自有其固有频率，夹具整体的固有频率与各组成构件的固有频率有一定的数学关系，准确的数值可通过理论计算和试验验证的方法获得［3］。对于大型复杂夹具，理论计算过于繁琐，直接对样品进行振动试验验证增大了设计成本。现在，工程上广泛应用有限元分析软件对构件进行动力学分析，这是精确、实用的技术分析方法之一。 本文采用ANSYS有限元软件对振动台夹具进行模态分析以解得振动台夹具的固有频率，分析其合理性并进行结构改进。 1大型振动台夹具的模态分析 1．1振动台夹具 振动台夹具的作用主要包括：①按照试验要求，可靠地装夹试件；②实现在振动台面上的安装；③将振动台的运动和能量不失真地传递到试件上，避免出现共振和隔振现象。在设计振动夹具时应选用刚度大、阻尼大的材料；还应在要求的重量范围内尽量减轻结构质量以降低轴向共振频率；并且使夹具的重心、试件的重心、激振力的中心这三个点在一条直线上，以避免引起振动台面的不平衡。最终使结构的基频达到设计要求［3－4］。 1．2初始结构的模态分析 根据振动台夹具的设计要求确定设计结构后，利用ANSYS软件进行模态分析，计算出结构的固有频率和相应振型。 收稿日期：2011－03－14 作者简介：孙晓洁（1989－），女，硕士研究生，主要研究方向为车辆工程。
模态测试与分析报告基本概念
模态测试与分析基本概念 1.模态假设：线性假设、时不变假设、互易性假设、可观测性假设 线性假设：结构的动态特性是线性的，就是说任何输入组合引起的输出等于各自输出的组合，其动力学特性可以用一组线性二阶微分方程来描述。 时不变性假设：结构的动态特性不随时间变化，因而微分方程的系数是与时间无关的常数。 可观测性假设：这意味着用以确定我们所关心的系统动态特性所需要的全部数据都是可以测量的。 互易性假设：结构应该遵从Maxwell互易性原理，即在q点输入所引起的p点响应，等于在p点的相同输入所引起的q点响应。 2.EMA、OMA、ODS 试验模态分析(Experimental Modal Analysis, EMA) 力锤激励EMA技术 激振器激励EMA技术 工作模态分析(Operational Modal Analysis, OMA) 工作变形模态(Operational Deflection Shape, ODS) 3.SISO、SIMO、MIMO SISO：设置1个响应测点，力锤激励遍历所有测点，也称为SRIT SIMO：设置若干响应测点，力锤激励遍历所有测点，也称为MRIT；用一个激振器固定在某测点处激励结构，测量所有测量自由度的响应，经FFT快速测量计算FRF MIMO：用多个激振器激励结构，测量所有测量自由度的响应，经FFT快速测量计算MIMO-FRFs，输入能量均匀，数据一致性好，能分离密集和重根模态，在大型复杂或轴对称结构模态试验尤为重要 4.模态分析基本步骤 建立模型：确定测量自由度、生成几何、确定各类参数：BW，参考点、触发等 测量：FRF，（时域数据可选） 参数估计：曲线拟合、参数提取 验证：MAC、MOV、MP等
振动系统的模态分析
理论力学振动系统模态分析实验 一．实验目的： 1.了解数字化测试技术的原理和做法。学习模态分析原理。 2.学会用“锤击发”测量振动系统的模态参数与振型。 二．实验仪器： 1.MSC-1型弹性力锤。 2.Yj9A压电加速度传感器。 3.Zj-601A型震动教学试验仪。 三．实验装置示意图： 四、实验原理： 本实验测试对象是弹性梁。实验步骤与原理是：由力锤锤击被测物体，锤体内的力传感器与被测物体上的加速度计同时记录下脉冲激励与被测物体的响应，震动教学试验仪放大并转化为电压，经接口箱，传入计算机的采集分析系统记录。数据采集完毕后，动用分析系统，首先对数据进行传递函数分析，然后，进入模态分析，根据振动理论，分析系统在确定阶数后，进行质量或振型归一，自动生成分析结果并可以生成振动的动画显示，各阶频率、模态质量、模态刚度、模态阻尼比同时列出。
五、实验步骤： 1.准备工作：先将梁分画成所需的单元格，节点编号，将加速度计固定在梁的 五分之二处（避免放在节点处）。 2. 设备连接：将力锤与加速度计与电荷放大器连接，按力锤与加速度计的灵 敏度分别调好电荷放大器上的旋钮，并选好相应的滤波上限开关。再将二信号输出端与接口箱相应频道相连。 3. 进入计算机采集分析系统参数设置部分，设定实验名称与各频道单位。 4. 进入计算机采集分析系统菜单中模态分析部分，画出被测对象的几何图形 及节点号，给出约束条件。 5. 进入计算机采集分析系统的信号采集部分，开始实验。 6.对17个测试位置依次进行敲击，没一个测试点进行三次。以减小误差。 7.调用采集的数据，打开分析界面，调入波形。进行函数分析，模态拟合。 8.振型编辑，质量归一，至此分析完毕，显示动画 9输出数据及计算结果，保存动画截图。
发动机振动特性分析与试验(精)
发动机振动特性分析与试验(精)
发动机振动特性分析与试验 作者：长安汽车工程研究院来源：AI汽车制造业
完善的项目前期工作 预示着更少的项目后期风险，这也是CAE工作的重要意义之一。在整机开发的前期（概念设计和布置设计阶段），由于没有成熟样机进行NVH试验，很难通过试验的方法预测产品的NVH水平。因此，通过仿真的方法对整机NVH 性能进行分析甚至优化显得十分重要。 众所周知，发动机NVH是个复杂的概念，包括发动机的振动、噪声以及个体对振动和噪声的主观评价等。客观地说，噪声与振动也相互联系，因为发动机一部分噪声由结构表面振动直接辐射，另一部分由发动机燃烧和进排气通过空气传播。除此之外，发动机附件（如风扇）也存在噪声贡献。本文仅考虑发动机结构振动问题，即在主轴承载荷、燃烧爆发压力和运动件惯性力的作用下，对发动机结构振动进行分析以及与试验的对比。发动机结构噪声的激励源主要包括燃烧爆发压力、气门冲击、活塞敲击、主轴承冲击、前端齿轮/链驱动和变速器激2. 动力总成模态压缩
缩减有限元模型，得到动力总成的刚度、质量、几何以及自由度信息，用于多体动力学分析。 3. 运动件简化模型建立 发动机中的部分动件不用进行有限元建模，可作简化处理，形成梁-质量点模型，用于多体动力学分析。其中包括：活塞组、连杆组和曲轴及其前后端。 4. 动力总成多体动力学分析 在定义了动力总成各零部件间连接并且已知各种载荷的情况下，对动力总成进行时域下的多体动力学分析，并对得到的发动机时域和频域下的动态特性进行评判，同时，其输出用于结构振动分析。 5. 动力总成结构振动分析 基于多体动力学分析结果，对整个动力总成有限元模型进行强迫振动分析，得到发动机本体、
晶钻模态分析软件SIMO-FRF模态测试
EDM-Modal 模态分析软件的单输入多输出FRF模态测试（以下简称SIMO FRF模态测试）用于单激振器采集FRF信号。使用高通道采集系统（比如，Spider-80X或Spider-80Xi），该激振方法提供高效的FRF信号采集效率，以及最大限度减少施加力的峰值有效值比。 SIMO FRF输出类型支持纯随机（白噪声），脉冲随机，线性调频及脉冲线性调频，伪随机，和周期随机。针对周期随机类型（伪随机和周期随机），为了每次采集时使结构达到稳态响应，提供延迟块和循环块数（Nd,Nc）两个参数，这样可以避免泄漏而无需加窗。 与锤击法一样，SIMO FRF的FRF采集过程与模态分析过程无缝衔接，不用单独启动分析程序。 ★EDM Modal 的SIMO FRF 模态测试主要特征如下： ①易用的测试流程 ②自动/手动改变测点自由度单激励（单参考） ③为同步采集和激励增加源触发模式（Source trigger） ④纯随机（白噪声），突发随机，线性调频及脉冲线性调频，伪随机，周期随机等输出类型
⑤为伪随机和周期随机输出类型：延迟块和循环块数（Nd,Nc）H1，H2，H3和Hv方式计算FRF ★EDM Modal模态支持的功能如下： ①几何模型的创建/编辑/导入/导出/动画。 ②工作变形分析(ODS) ③锤击法模态实验 ④SIMO与MIMO FRF模态测试 ⑤SIMO正弦扫频模态测试 ⑥SIMO与MIMO步进正弦模态测试 ⑦工作模态测试，SSI模态识别算法 ⑧多参考点模态分析Poly-X (p-LSCF) 模态分析 杭州锐达数字技术有限公司是美国晶钻仪器公司中国总代理，专注于振动控制、数据采集、模态分析、动态信号分析、故障诊断、综合环境测试领域，产品包括手持一体化动态信号分析仪、多通道动态数据采集系统、振动控制系统、多轴振动控制系统、三综合试验系统和远程状态监测系统，解决方案包括NVH测试、新能源电池测试、结构模态分析、故障诊断监测、机械性能测试、转子动力学测试、疲劳可靠性测试、综合环境测试。更多详情请拨打联系电话或登录杭州锐达数字技术有限公司咨询。
模态试验分析方法简介
模态试验分析方法简介 1 试验模态分析的基本步骤 试验模态分析一般分为如下的四个步骤： 第一步：建立测试系统 所谓建立测试系统就是确定实验对象，选择激振方式，选择力传感器和响应传感器，并对整个测试系统进行校准。 第二步：测量被测系统的响应数据 这是试验模态的关键一步，所测量得到的数据的准确性和可靠性直接影响到模态试验的结果。在某一激振力的作用下被测系统一旦被激振起来，就可以通过测试仪器测量得到激振力或响应的时域信号，通过输血手段将其转化为频域信号，就可以得到系统频响函数的平均估计，在某些情况下不要求计算频响函数，只需要时间历程就可以了。 第三步：进行模态参数估计 即利用测量得到的频响函数或时间历程来估计模态参数，包括：固有频率，模态振型，模态阻尼，模态刚度和模态质量等。 第四步：模态模型验证 它是对第三步模态参数估计所得结果的正确性进行检验，它是对模态试验成果评定以及进一步对被测系统进行动力学分析的必要过程。 以上的每个步骤都是试验模态中必不可少的组成部分，其具体的介绍如下： 2、建立测试系统 建立测试系统是模态试验的前期准备过程，它主要包括：被测对象的理论分析和计算，测试方案的确定（包括激振方式的确定，传感器的选择，数据采集分析仪器的选择等），按照方案要求安装和调试，测试系统的校准等工作。 接下来对激振方式，传感器的选择和数据采集仪器的选择的具体介绍如下： 2.1激振方式的确定： 激振方式有很多种，主要分为天然振源激振和人工振源激振。天然振源包括地震，地脉动，风振，海浪等；其中地脉动常被使用于大型结构的激励，其特点是频带很宽，包含了各种频率的成分，但是随机性很大，采样时间要求较长，人工振源包括起振机，激振器，地震模拟台，车辆振动，爆破，张拉释放，机
振动测试技术模态实验报告
研究生课程论文 (2013-2014学年第二学期) 振动测试技术 研究生： 提交日期：2014年7月10日研究生签名：
1
模态试验大作业 0 模态试验概述 模态试验（modal test）又称试验模态分析。为确定线性振动系统的模态参数所进行的振动试验。模态参数是在频率域中对振动系统固有特性的一种描述，一般指的是系统的固有频率、阻尼比、振型和模态质量等。 模态试验中通过对给定激励的系统进行测量，得到响应信号，再应用模态参数辨识方法得到系统的模态参数。由于振动在机械中的应用非常普遍。振动信号中包含着机械及结构的内在特性和运行状况的信息。振动的性质体现着机械运行的品质，如车辆、航空航天设备等运载工具的安全性与舒适性；也反映出诸如桥梁、水坝以及其它大型结构的承载情况、寿命等。同时，振动信号的发生和提取也相对容易因此，振动测试与分析已成为最常用、最基本的试验手段之一。 模态分析及参数识别是研究复杂机械和工程结构振动的重要方法，通常需要通过模态实验获得结构的模态参数即固有频率、阻尼比和振型。模态实验的方法可以分为两大类：一类是经典的纯模态实验方法，该方法是通过多个激振器对结构进行激励，当激振频率等于结构的某阶固有频率，激振力抵消机构内部阻尼力时，结构处于共振状态，这是一种物理分离模态的方法。这种技术要求配备复杂昂贵的仪器设备，测试周期也比较长；另一类是数学上分离模态的方法，最常见的方法是对结构施加激励，测量系统频率响应函数矩阵，然后再进行模态参数的识别。 为获得系统动态特性，常需要测量系统频响函数。目前频响函数测试技术可以分为单点激励单点测量( SISO)、单点激励多点测量( SIMO) 、多点激励多点测量( MIMO)等。单点激励一般适用于较小结构的频响函数测量，多点激励适用于大型复杂机构，如机体、船体或大型车辆机构等。按激励力性质的不同，频响函数测试分为稳态正弦激励、随机激励及瞬态激励三类，其中随机激励又有纯随机、伪随机、周期随机之分。瞬态激励则有快速正弦扫描激励、脉冲激励和阶跃激励等几种方式。按激励力性质的不同，频响函数测试分为稳态正弦 1
锤击法模态实验法
锤击法简支梁模态实验 一、实验目的 1、测定直杆模态参数； 2、模态分析原理及测试分析方法。 二、实验仪器安装示意图 三、实验原理 1、模态分析方法 模态分析方法是把复杂的实际结构简化成模态模型，来进行系统的参数识别（系统识 别），从而大大地简化了系统的数学运算。通过实验测得实际响应来寻求相应的模型或调整 预想的模型参数，使其成为实际结构的最佳描述。 可以用于振动测量和结构动力学分析。可测得比较精确的固有频率、模态振型、模态 阻尼、模态质量和模态刚度。可用模态实验结果去指导有限元理论模型的修正，使计算机模型更趋于完善和合理。 2、模态分析基本原理 （略） 3、模态分析方法和测试过程 （1）激励方法 为进行模态分析，首先要测得激振力及相应的响应信号，进行传递函数分析。然后建立结构模型，采用适当的方法进行模态拟合，得到各阶模态参数和相应的模态振型动画，形象地描述出系统的振动型态。 根据模态分析的原理，实际应用时，在结构较为轻小，阻尼不大的情况下，常用锤击法
激振，即单击拾振法。 （2）结构安装方式 在测试中使结构系统处于什么状态，是试验准备工作的一个重要方面。 本实验使试件处于自由状态。即使试验对象在任一坐标上都不与地面相连接，自由地悬浮在空中。如放在很软的泡沫塑料上或用很长的柔索将结构吊起而在水平方向激振，可认为在水平方向处于自由状态。 如果在我们所关心的是实际情况支承条件下的模态，这时，可在实际支承条件下进行 试验，放在很软的泡沫上。 四、实验设备 DH132型压电式加速度传感器 DH5923动态信号测试分析仪 LC13F02型力锤DHDAS控制分析软件 五、实验步骤 横梁如图下图所示，长（x向）500mm，宽(y向)40mm，欲使用多点敲击、单点响应方法 做其z 方向的振动模态，可按以下步骤进行。 梁的结构示意图和测点分布示意图 （1）测点的确定 此梁在y、z方向尺寸和 x方向（尺寸）相差较大，可以简化为杆件，所以只需在x方向顺序布置若干敲击点即可（采用多点敲击、单点响应方法），敲击点的数目视要得到的模 态的阶数而定，敲击点数目要多于所要求的阶数，得出的高阶模态结果才可信。实验中x 方向把梁分成十六等份，即可布十七个测点。选取拾振点时要避免使拾振点在模态振型的节 点上，此处取拾振点在六号点处。 （2）仪器连接 仪器连接下图所示，其中力锤上的力传感器接动态采集分析仪的第一通道（即振动测量通道），压电加速度传感器接第二通道（振动测试通道）。
模态分析软件EDM Modal 的实验模态分析方案
EDM-Modal 模态分析软件一个完整的包括模态测试和模态分析的实验模态分析(Experimental Modal Analysis (EMA))流程，它的结构清晰，界面友好，功能丰富，操作简单方便。基于当代流行的模态分析理论和技术开发，操作流程直观且简单，它是实现模态分析实验得力的工具。支持用户实现数百个测量点和多个激励点的高度复杂的模态分析，无论模态测试是多么复杂，EDM Modal 模态测试系统都提供准确的工具来实现您的目标。 EDM-Modal 完美兼容晶钻所有采集仪器，如Spider-80X 。为操作员做模态实验测试提供必要的引导。操作界面具有直观的逐步过程，引导用户轻松完成设置，然后进行测试，更多时间花在分析上。并提供模态教学数据、模态操作视频等学习资源，让您轻松做实验。 为了成功获得测试数据，实验之前需要在测试模型上规划出所有测点的自由度（DOFs）。几何编辑器提供多种坐标系统，使用组件功能，可以简单地把各个子组件合并对一个几何模型。 在输入通道设置界面，设置所有通道对应的测点和它们的坐标方向。测试开
始后，所有的测试测点都会被测量，并以包含激励和响应自由度的信号名称保存。模态参数识别是模态分析的核心，EDM Modal模态分析为其提供了多种拟合方法。最小二乘复指数法(The Least-Squares Complex Exponential (LSCE))用于获取单参考点频响函数(FRF)的极点(包括频率和阻尼)。而多参考点(多输入/多输出或者MIMO)测试，则使用相应的多参考时域分析法(Poly-Reference Time Domain，PTD)。 动画模块是为了动态展示模态振型的模块，允许用户通过3D动画显示模态振型到几何模型。通过不同颜色标识动画的振动幅度。自由变形(FFT)提供增强模式的动画，比点动画更平滑更逼真。使用同一个几何模型，工作变形分析(ODS)可动画显示所选择的时域和频域响应数据到几何模态。 ★EDM Modal模态支持的功能如下： ①几何模型的创建/编辑/导入/导出/动画。 ②工作变形分析(ODS) ③锤击法模态实验 ④SIMO与MIMO FRF模态测试 ⑤SIMO正弦扫频模态测试 ⑥SIMO与MIMO步进正弦模态测试
测试技术与数据处理试验
南京林业大学试验报告2014 ～2015 学年第二学期 报告名称：测试技术与数据处理试验专业：建筑与土木工程 学号： 作者： 任课教师： 二○一五年六月
（一）应变式拉力传感器的制作与静态标定试验报告 一、实验目的 1、初步掌握常温用电阻应变片的粘贴技术 2、熟悉应变式拉力传感器的制作方法 3、学习半桥的接线与静态标定方法 4、学习电阻应变仪操作方法 5、了解信号采样的原理和方法 二、设备和器材 1、电阻应变片、导线、万用表或电桥、砝码、25瓦电烙铁、焊锡、松香、镊子 2、502粘结剂、丙酮、石蜡或清漆、康铜皮、细砂纸、棉纱、塑料薄膜 3、电阻应变仪 三、实验原理 弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。 四、实验步骤 1、测量电阻应变片电阻值, 选择2~4片电阻值非常接近的电阻应变片 2、剪一小块矩形状的康铜皮并弯成弓形;在康铜皮待贴位置用细砂纸打成45交叉纹，用丙酮醮棉纱将贴片位置附近擦洗干净直到棉纱洁白为止。 3、将502粘结剂瓶口打一小细孔。一手捏住应变片引出线，一手拿502粘结剂瓶。将瓶口向下在应变片基底底面上涂抹一层502粘结剂，立即将应变片底面向下平放在试件贴片部位上，并使应变片基准对准康铜皮纵轴线方向。将一小片塑料薄膜盖在应变片上，用手指按应变片挤出多余粘结剂(按住时不要使应变片移动) 手指保持不动1分钟后再放开,轻轻掀开薄膜，检查有无气泡、翘曲、脱胶等现象，否则需重贴。 4、用万用表检查应变片是否通路，否则需重贴或补焊。 5、按半桥电路原理用电烙铁焊接有关焊点，检查应变片公线与康铜皮之间的绝缘电阻，应在兆欧量级。 6、用石蜡或清漆复盖应变片区域作防湿层(本实验免去这一步骤) 7、分别半桥电路将传威器与电阻应变仪相连 8、检查无误后, 开启电阻应变仪, 预热15~30分钟后，调节传感器受力砝码和电阻应变仪灵敏度, 使传感器最大受力时, 电阻应变仪输出电压在4V左右。 9、对自制的拉力传感器进行标定；从零开始，每加载一次砝码，记录一次读数；加到最大值后，每卸载一次砝码，也记录一次读数，直到卸载为零，此时读数一般不能返回到零。 10、用线性回归对标定数据进行拟合，求出回归公式、标准差、相关系数、非线性度、回程误差。