《建筑结构的模态分析试验》
实验报告
专业土木工程
班级
学号
姓名
教师
建工实验中心
2010年3月
振动测试与模态分析实验报告
一、实验人员
3组：
二、试验目的
1.培养学生采用实验与理论相结合的方法来处理工程中的振动问题。
2.通过实验使学生掌握振动测试系统的基本组成、了解振动测试的常用测量方法以及模态分析技术。模态分析技术已发展成为解决工程振动问题的重要手段。
3.了解模态分析软件的使用方法。
三、试验内容
1、学习模态分析原理；
2、学习模态测试及分析方法。
通过对框架模型的模态试验分析，测定出基础模型的模态参数：固有频率、阻尼比、振型图，并通过实验观察了解框架结构的动力参数，从而掌握模态分析的基本原理及分析方法。
四、试验的基本要求
（1）掌握振动测试系统的构成及操作。
（2）了解振动测试的常用测量方法。激振、锤击
(3)了解数据采集系统的操作步骤。
(4)了解对已采集到的数据进行模态分析的方法与步骤。
五、试验仪器（表1）
单轴加速度传感器、力锤、动态信号分析仪LMS和计算机等
力锤用于激励实验对象。
力传感器用于拾取激励信号并转换成为电荷信号。
加速度计用于拾取响应信号并转换成为电荷信号。
AZ804-A四通道电荷电压放大信号调理仪，用于将电荷信号放大成为适合测量的电压信号。
AZ208数据采集箱信号采集分析系统包括抗混滤波器、A／D 变换器、结构动态分析软件、计算机、打印机。
用安装有力传感器的力锤敲击实验对象上的若干个点。力传感器拾取激励力的信号，安装在实验对象的某测点上的加速度计拾取响应信号．经电荷放大器放大后输入信号采集系统。实验仪器框图如图1所示。
力信号接入信号采集器的第1通道，响应信号依次接入信号采集器的其他通道。
表1 试验仪器的硬件及软件
六、试验步骤
6.1模态试验基本过程
二十年来，由于计算机技术、FFT分析仪、高速数据采集系统以及振动传感器激励器等技术的发展，试验模态分析得到了很快的发展，受到了机械、电力、建筑、水利、航空、航天等许多产业部门的高度重视。已有多种档次、各种原理的模态分析硬件与软件问世。在各种各样的模态分析方法中，大致均可分为四个基本过程：1．动态数据的采集及频响函数或脉冲响应函数分析。
(1) 激励方法：试验模态分析是在试验室内人为地对结构物施加一定动态激励，采集各点的振动响应信号及激振力信号，根据力及响应信号用各种参数识别方法获取模态参数。激励方法不同，相应识别方法也不同。目前主要由单输入单输出（SISO）、单输入多输出（SIMO）、多输入多输出（MIMO）三种方法。以输入力的信号特征还可分为正弦慢扫描、正弦快扫描、稳态随机（包括白噪声、宽带噪声或伪随机）、瞬态激励（包括随机脉冲激励）等。
(2) 数据采集：SISO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。SIMO及MIMO的方法则要求大量通道数据的高速并行采集，因此要求大量的振动测量传感器或激振器，试验成本极高。
(3) 时域或频域信号处理。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。根据已知条件，建立一种描述结构状态及特性的模型，作为计算及识别参数的依据，目前一般假定系统为线性的。由于采用的识别方法不同，也分为频域建模和时域建模。根据阻尼特性及频率耦合程度分为实模态或复模态模型等。
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，后者是指在时域识别复特征值，再回到频域中识别振型。激励方式不同（SISO、SIMO、MIMO）相应的参数识别方法也不尽相同。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，即使用较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，则识别的结果一定不会理想。
4．振形动画。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形。由于结构复杂，由许多自由度组成的振形的数组难以引起对振动直观的想象。必须采用活动振动的方法，将放大了的振形叠加到原始的几何形状上。
以上四个步骤是模态试验及分析的主要过程，而支持这个过程的除了激振装置、双通道FFT分析仪、桌面式或便携式计算机等硬件外还要有一个完善的模态分析软件包。通用的模态分析软件包必须适合各种结构物的几何特征，设置多种坐标系、划分为多个子结构，具有多种拟合方法并能将结构的模态振动在屏幕上三维实时动画。
3.2 随机信号与振动分析系统CRAS V6.2工作流程及功能
MACRAS流程图
七．软件操作
7.1 硬件安装
(1)AZ系统采集箱安装方法
·在断电情况下，将专用通讯电缆一端与AZ系列采集箱连接，另一端与PC机（台式或笔记本式）的并行口（打印机口）连接。
·先开PC机进入Windows后再打开AZ系列采集箱的电源。(2)试运行
为了判断硬件连接及软件安装是否成功，请用户正式使用前先作一个测试。利用AZ208仪器提供的测试信号（200Hz，2000mV）或用一个发生器输出连接到采集卡或采集箱的第1通道。打开数据采集与处理软件AdCras，选择1通道作业，给定适当采样频率（例如5120Hz），在“示波”菜单下观察到一个规则的正弦波则表明硬件软件已经正确安装成功。建议在每一次重大试验之前也这么测试一下，以避免传感器、导线等故障。
(3)运行程序
在PC桌面上或CRAS文件夹中点击CRAS后进入程序引导总界面。
用鼠标点击需要运行的软件包或选件程序即可进入该程序的运行。
如果用户希望将所配置的某个软件程序放置在自己选定某个文件夹内运行，还必须注意将CRAS文件夹中有关库文件一起复制进来。
如果在运行采集或示波时，发生计算机死锁的情况，退出应用程序的办法是：
同时按Ctrl + Alt + Del一次或多次。极个别情况，需关闭电源。
7.2 半圆环模型的模态试验
（1）建立新作业或继续老作业
·采集新的数据
建立作业：送入作业名（含路径）及选择通道，如送入的作业在指定路径内已存在，应特别注意存盘时会将老数据覆盖。
如在指定路径内找不到此作业则有系统提醒：“指定目录数据文件找不到，新作业”。
·观察老数据
选择作业：送入需要观察分析的作业名和路径。
（2）几何模型生成
选择几何模型菜单中自动生成简单几何图形的圆柱面，设置如下：
（3）模态测量
在模态测量菜单下选择测量参数设置，相关选项设置如下：1、平均次数
2、时间窗处理函数
3、分析频率
4、触发参数
自由运行：由键盘回车或菜单点击后立即开始采集。
正触发、负触发：由采集的信号本身控制开始采集。
触发电平：开始采集的电平阀值，由电压范围的百分数决定。如量程5V，触发电平10%，则信号到达0.5V时开始采集。
触发延迟：数字量，正值表示等待，负值表示提前。数字单位为采集时间间隔的倍数。例如：-20是指到达触发电平之前20个点开始记录数据，超前时间等于20×△t。△t等于采样频率f S的倒数。
触发通道：根据作业设置的通道数内任意1个通道均可作为触发通道，其它通道信号阈值不影响触发动作
5、电压范围
在AD系统采集卡中，内置程序控制放大器，放大倍数为1，2，4，8。
在QL系统采集箱中，内置程控放大倍数为1，4，8，16。
不同的程控放大倍数对应不同的满量程电压（电压范围）。例如程控放大倍数等于8，则电压范围为0.625V。
电压范围对多通道采集的每1个通道而言是相同的。
6、校正因子
每1个工程单位对应的mV数称为校正因子，相当于各种传感器的灵敏度。当传感器灵敏改变后，可以通过校正因子对测量结果进行修正，这个过程即所谓“标定”。
设定校正因子后，CRAS程序读出数的单位即是所选的工程单位。
不同通道允许不同的工程单位。在同1种工程单位情况下，也允许不同灵敏度的传感器。因此，每1个通道需要设定相应的校正因
子。选用缺省工程单位mV则校正因子必须等于1，读出数单位为mV。
设定校正因子用编辑控件，浮点量。
7、工程单位EU
未经工程单位设置，读出的数据单位为电压的单位mV。
不同的物理量通过各自的传感器变换器改变为电压量后均可由CRAS进行采集记录。在CRAS中已经设置的工程单位为：mV，v，m，m/s，m/s2，mm，mm/s，mm/s2，μm，N，KN，mN，G，mG，με，Pa，Mpa，℃，deg，vad，W，KW，MW，L，mA，A，N-M，KN-M。缺省为mV。允许不同的通道选用不同的工程单位。例如，1通道为N，2通道为m/s2。在“工程单位”书签页中，每1个通道有1个组合框选件，拉出来找到需要的工程单位点击。
（4）测量方向选择
（5）导纳测量表
将1，17，18，34，35，51，52，68，69，85的第一坐标设为不测量(双击那一行，在弹出的节点测量信息对话框中设置)，如下所示，为导纳测量表的一部分。
（6）约束方程表
（7）采集有效控制
八、试验数据及分析
（1）自振特性试验结果
表2是基础结构自振频率的测试结果。图1是其相应的部分振型图。图2是测试得到的部分传递函数及其相干曲线。从相干曲线上看相干系数非常高，基本上接近于1.0，说明测试数据的信噪比很高，结果可靠。