振动测试与分析实验指导书资料

实验指导书
基于弦索振动频率测试张力实验范晨光高芳清张刚编
西南交通大学力学与工程学院
二○一一年五月
学生实验须知
1.实验前，必须预习实验指导书中相关内容，了解本次实验的目的、要求及注
意事项。

2.按预约实验时间准时进入实验室，不得无故迟到、早退、缺席。

3.进入实验室后，不得高声喧哗和擅动仪器设备。

4.保持实验室整洁，不准在机器、仪器及桌上涂写，不准乱丢纸屑，不准随地
吐痰。

5.实验中，严格遵守操作步骤和注意事项。

实验室，仪器设备发生故障，要立
即报告指导老师，及时检查，排除故障后方能继续实验。

6.实验过程中，学生不按仪器操作规程操作损坏仪器设备者，将按学校《损坏
仪器赔偿》规定处理。

7.实验过程中，同学们要相互配合，认真测取数据和记录实验数据。

8.实验结束后，应将仪器、工具清理摆正。

不得将实验室的工具、仪器、材料
等带出实验室。

9.实验完毕，实验数据续经指导老师认可，盖章后方能离开实验室。

10.实验报告只提供大体格式，具体报告格式由学生自行拟定。

实验报告要求做
到字迹端正、绘图清晰、表格简明、语言顺畅。

前言
本实验内容以西南交通大学实验教学与实验技术项目为依托，结合西南交通大学力学与工程实验中心个性化实验项目而开发。

通过本实验，使学生深化力学基础知识，了解、熟悉力学知识在实际工程中的应用，培养动手能力、分析解决问题的方法和技能，开拓学生对力学知识在工程应用中的视野。

本实验涉及振动理论、数字信号处理、谱分析等方面深层知识以及振动信号采集、分析方面的新发展，旨在培养学生操作动态测试相关仪器的能力，掌握频率法测试弦索内力的方法，并学会运用相关理论来解释分析实验结果，从而达到巩固理论知识和学会实验方法的双重目的。

本指导书由实验原理及实验仪器简介、数据分析处理、实验报告组成。

本个性化实验主要面向土木、力学、检测类专业本科生开放。

一、实验目的
（1）通过振动测试系统测得弦索各阶固有频率；
（2）通过力传感器测得弦索内力；
（3）将实测的固有频率通过公式计算得到弦索内力计算值，并与实测值进行比较。

二、实验装置、测试仪器及测试软件介绍
1．实验装置
实验装置如图1所示。

图1 实验装置图
本实验装置包括底座、固定支座、滑动支座、弦索、加力器和力传感器等五
部分。

装置各部分细节如图2a至图2d所示。

（a）固定支座（b）可动支座
（c）力传感器（d）加力器
图2 装置细节图
2．测试仪器
由加速度传感器、YE5853A模拟放大器和Wavebook数字采集器组成的振动测试系统，操作较为复杂，只作简单介绍。

加速度传感器如图3所示。

图3 加速度传感器
YE5853A型电荷放大器如图4所示。

图4 YE5853A型电荷放大器
YE5853A型电荷放大器是一种多通道组合式电荷放大器，它和压电加速度传感器连接，组成测试系统，可对振动、冲击等物理参数进行测量。

其测试频率范围为1Hz~100KHz。

Wavebook512A型数字采集器如图5所示
图5 Wavebook512A型数字采集器
Wavebook512A型数字采集器为16通道高频数字信号采集器，通常与电荷放大器连接构成振动测试系统。

将YE5853A电荷放大器和Wavebook数字采集器与压电式加速度传感器连接，然后将Wavebook数字采集器接入计算机，即可对弦索振动信号进行采集，存储和分析。

3．测试软件—DasyLab虚拟实验室
DasyLab是一个数据采集过程控制和分析系统，它可以利用Microsoft Windows提供的全部有利的功能和图形接口。

DasyLab的最突出的设计方案是它集成了市场上主要的控制设备，形成真正直观操作环境来提供了丰富的帮助功能，最大的信号处理速度以及最有效的图形显示效果。

在程序中选择“Dasylab7.0”并打开，可以看到Dasylab7.0虚拟实验室的软件界面如图6。

首先，在控制面板里激活“DaqConfiguration”，测试Wavebook 采集器是否处于工作状态，其方法见图7a至图7d。

然后可以参照图8至图12的方法建立测试程序。

将采集得到的振动时域信号经过快速傅立叶变换（FFT，可在软件中自建），得到频域中的幅值谱，比较不同长度、材料组成的弦索，其频率随张力变化的规律，并与公式对比。

图6 Dasylab7.0虚拟实验室界面
（a）（b）
（c）（d）图7 激活Wavebook采集仪
图8 添加A/D硬件
图9 添加示波器
图10 设置采集结果文件存盘
图11 设置采集参数
图12 采集信号
三、频率法测试的基本原理
索力测定的理论基础是弦振动理论。

主要承受轴向拉力的吊杆，如果考虑吊杆的抗弯刚度，则应用动力学普遍原理可以建立均匀线密度的吊杆在无阻尼时的自由振动方程为：
4224220u u u EI T x x t
ω∂∂∂-+=∂∂∂ （1） 式中：ω——弦的线密度；
(,)u x t ——横向位移函数； x ——纵向坐标； t ——时间； T ——内力；
EI ——吊杆的抗弯刚度。

当构件两端的边界条件可以简化为两端铰接时，则微分方程（1）的解为：
2222224//n T l f n n x EI l ω=- （2）
式中：l ——吊杆拉索的计算长度； n f ——为第n 阶固有频率； n ——振动阶次。

当吊杆拉索的抗弯刚度EI 很小，与吊杆索长的平方相比 ，可以忽略不计，则：
2224/n T l f n ω= （3） 因为波长最长的驻波的频率对应于1n =，此时：
224T l f ω= （4）
式中：f 为基频。

如果已知吊杆拉索的计算长度l ，弦的线密度ω，再测出它的前几阶振动频率，则可根据式（3）就可以求出它所受的拉力，这就是振弦式索力测试仪的基本原理。

四、实验方法
1、资料查新，了解弦索振动频率与内力之间关系；
2、在指导老师指导下，学习动测法涉及的结构振动基本知识，理解振动信号的分析与处理方法；
3、在指导老师指导下，对力学传感器进行实验标定，并记录标定值；
4、设定弦索长度并固定滑动支座端，通过加力器施加初始内力；
5、组配测试仪器，连接传感器与信号采集设备；
6、接通电源，设置振动信号采集仪的系统触发，对弦索施加瞬时激励，采集传感器信号并存储；
7可选取相同长度不同内力进行多次测量，也可改变弦长进行测量，记录测试实验数据；
8、对采集的信号进行分析，得到弦索的各阶频率；
9、对采集的各阶频率数据以及记录弦的长度、内力等参数进行处理；
10、完成实验报告。

“基于弦振动理论的频率法测索力实验”实验报告专业：学号：姓名：日期：
一、实验目的
二、实验仪器
三、实验原理及步骤
四、数据记录
1．记录弦索长度、力传感器示数以及各阶频率实测值于表1
表1 材料：直径：
2．将由固有频率得到的弦索内力计算值与实测值填入表2
表2 材料：直径：
五、讨论
将理论计算出的弦索内力和实测值相比较，是否一致？为什么会这样？。