动响应测试实验报告

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。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（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。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