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1、1土木桥梁动态测试基础知识(第一版) 2主要内容主要内容31测试项目n荷载试验n静态载荷力作用下的桥梁承载能力n测试项目：静应变、静挠度n动载试验n动态载荷力作用下的桥梁特性n试验项目：跑车、跳车、刹车试验n测试项目：冲击系数、动应变、动挠度、阻尼比等n脉动试验n识别桥梁结构参数n测试项目：固有频率、模态参数n索力试验42测试系统组成静应变测试系统用于混凝土的应变片INV2312N静态应变仪DASP测量分析软件52测试系统组成无线组网示意图总线组网示意图6动应变测试系统2测试系统组成用于混凝土的应变片INV1861动态应变调理仪INV3060、3018、3020系列采集仪DASP测量分析软件7
2、振动、模态测试系统2测试系统组成891、941型传感器INV3062、3060、30183020系列采集仪DASP测量分析软件8索力测试系统2测试系统组成索力测量工装INV3062、3018系列采集仪DASP测量分析软件INV9828加速度传感器INV3080手持式索力分析仪或者92测试系统组成构成测试系统的四部分n传感器n信号调理n采集仪n测量分析软件10n加速度传感器（IEPE型） 用于索力测试、要求高灵敏度、低频性能好，例如：INV9828. 传感器的种类2测试系统组成11n速度传感器（891、941系列） 常用于低频、中频信号的测量。例如：桥梁、楼房的振动、模态测量领域。传感器的种类2
3、测试系统组成12应变信号调理器 应变信号需经过应变调理（INV1861动态应变仪），可接入INV3018、 INV3060、INV3020系列24位采集仪中.2测试系统组成13nAD：国内外主流均为24采集仪n通道数：从4通道到几百通道采集仪种类2测试系统组成1424位采集仪的特点2测试系统组成n以INV3018系列为例n高精度：每通道独立24bit+方式AD技术 n高性能：连续不间断海量全并行采集n高速度：每通道采样频率 51.2K/102.4K/204.8KHz可选n高动态范围：120dB典型值，110dB保证值（单核）n高抗混滤波性能： 超过-300db/octn低噪声： 0.03mV
4、rms 10V量程n多输入方式：AC、DC、ICP、外接电荷、应变1524位采集仪的特点2测试系统组成n最突出优点： 1）测试仪器更轻巧、便携 对于测量加速度的ICP传感器和测量桥梁、楼房的电压输出型传感器，不在需要测试中的放大器、滤波器。 2）让测试变得更简单 具有高动态范围，避免了放大器档位设置不合适引起信号太小、信号过载的情况。16 16位采集系统与24位采集系统的配置区别 采用16位采集仪的测试系统采用24位采集仪的测试系统 多台2测试系统组成173现场试验测试n传感器选型 1）传感器种类 2）频率范围 3）传感器量程 4）传感器尺寸、重量 5）环境要求（高温、防水等）183现场试验测
5、试n试验准备 1）选择合适的传感器 2）检查传感器、导线和采集仪 3）导线编码 4）技术方案 5）人员分工 6）其他辅助工具193现场试验测试n传感器常见安装方式 1）螺栓连接 2）磁座安装 3）胶粘 4）蜂腊 5）橡皮泥 20安装后的传感器如何保护？ 1）合适的工作环境，并做出适当的保护。避免由于绝缘、潮湿等原因造成损坏或信号异常。 3现场试验测试213现场试验测试 2）传感器需要在室外过夜、有雨等情况，传感器要做好防水、防潮等保护措施。 3）在高空操作时，为了避免传感器跌落造成人身、财产安全，传感器需要采用绳索固定等保护措施。223现场试验测试n传感器与导线的接头如何保护？ 1） 接触良好
6、。避免短路、断路和接触不良情况存在。 2）将导线端固定。 避免由于长导线作用而 使传感器受到拉力。 891-2型传感器接头防护233现场试验测试 3）对于加速度传感器，接头为M5或者M3，要保证拧紧，没有松动。 振动剧烈的情况下 测试中出现问题人无法进行重新安装 对M5接头处弯成环形后用胶带固紧。 243现场试验测试n测试导线如何处理？ 导线的固定： 固定导线末端，防止导线晃动对信号的干扰253现场试验测试n系统连接后，检查信号是否正常？ 1）连接后，测点振动量值微弱，但信号较大，有上百毫伏。 同时有周期性，频谱峰值为50Hz，100Hz，150Hz，200Hz，250Hz等。 解决：检查是否
7、为接触不良引起的，可以检查导线接头。263现场试验测试M5接头接触不良，导致的错误信号273现场试验测试 2）连接后，可以让工作人员在传感器周围轻轻敲击或者晃动传感器，看软件屏幕是否具有信号变化。 如没有信号变化，则为连接导线不通或者仪器档位设置不合适。 解决：检查接线接头、传感器安装及档位。283现场试验测试信号正常时，随振动变化，信号幅值随之改变293现场试验测试n应变测量经常遇到的问题： 1 、动态应变仪无法平衡。 常见的有两种情况： 1）应变片与导线的接线接触不良。 接线头断开，无法构成四个桥臂，因此无法平衡。 解决方法：检查桥盒接线接头。 303现场试验测试 2）应变片连线后的输出电
8、阻偏大。标准应该为120欧姆，如果超过太多，比如131欧姆，动态应变仪将无法平衡。 解决方法：重新贴片或者更换测点或使用半桥接法接入另一个没有变形的应变片。313现场试验测试 2、工频50Hz信号干扰严重 工频干扰严重是由于接地不好造成的，解决的方法时良好接地。 良好的接地点可以是：打入地下的长钢板、深入地下的金属框架结构、接线板地线等。 通过导线将仪器外壳和良好接地点相连。324数采相关知识n数据采集仪功能： 1）模拟信号转换成数字信号 2）集成放大器的部分功能，如滤波 334数采相关知识nAD位数n采样频率n输入量程 增益 放大倍数n输入噪声,等效输入噪声n失真度 THD， THD+Nn动
9、态范围，信噪比n通道一致性，幅值，时间差和相位差n抗混叠滤波，衰减率，阻带衰减n其他 串扰，幅值线性度，直流偏置n信号输入类型：电压DC，AC、ICP、应变、电荷等n数据传输类型：USB、网口、WIFI、CPCI总线、PXI等344数采相关知识数采AD芯片发展n早期 8位、12位、16位n现在 24位 方式 高精度n低噪声： = 2 AF 否则 混叠n抗混叠滤波n工程应用 SF = 2.56 AFn1000 还是 1024nSF=1000, dt=1ms, df=0.9765625HznSF=1024, dt=0.9765625ms, df=1Hzn计算df时以1024点FFT为例374数采相
10、关知识输入量程n量程n10V 1V 100mV 10mV 1mVn增益，放大倍数n1 10 100 1000 10000384数采相关知识动态范围DRn指设备不受噪声影响能获得不失真输出 的测量上限值Ymax和下限值Ymin之比，以dB为单位39动态范围比较n24位双核采集仪：n可达160dBn24位单核采集仪：n通常110120dB ，理论144dBn16位采集仪：n通常6080dB，理论96dBn12位采集仪n通常5060dB，理论72dB4数采相关知识404数采相关知识16bit AD（80dB）24bit AD（120dB）dB16014012010080604020010V1V100
11、mV10mV量程10V1mV1V100mV10V160dBV101100m10m1m100u10u1u0.1u24bit 双核（160dB）414数采相关知识输入噪声n输入短路，电阻小于50欧姆n增益1倍时，测量到的信号为输入噪声n增益大于1时，则为等效输入噪声n折合到输入端n为实际硬件噪声 除以 增益倍数n例如n1 mV rms 增益1倍，10V量程n100 uV rms 增益10倍，1V量程n10 uV rms 增益100倍，100mV量程n1 uV rms 增益1000倍，100mV量程424数采相关知识输入噪声nINV系列24Bit采集仪n30uV rms 10V量程n增益后，折合到输
12、入端n0.3uV rms 增益100倍， 100mV量程n一般16bit采集仪n200500 uV rms 10V量程n增益后，折合到输入端n2050 uV rms 增益10倍，1V量程n0.20.5 uV rms 增益1000倍，10mV量程434数采相关知识信噪比SNRn指信号功率Ns与干扰（噪声）功率Na之比，以dB为单位n有时也用信号电压和噪声电压之比来表示444数采相关知识信号失真nTHD 总谐波失真n例如 0.01% = 0.0001 = -80dBn总失真 THD+N454数采相关知识通道一致性n任意两通道，输入完全相同信号n测量结果的幅值比和相位差n幅值一致性 n如0.1dB
13、为 1.0116，相差 1.16%n相位一致性高级中级低级幅值0.1dB0.3dB0.5dB相位135464数采相关知识通道一致性474数采相关知识抗混叠滤波n采样定理 SF = 2AFn采样前必须滤除 SF/2以上频率的信号n注意：必须采样前的模拟滤波，n 不可采样之后再进行数字滤波484数采相关知识滤波器指标n倍频程衰减率 dB/Oct (24位 -300dB/Oct)n阻带衰减 dB (24位 90dB)存在过渡带常用SF/2.56494数采相关知识信号输入方式n24位或多核采集仪n高精度，高动态范围，高抗混滤波n大大省略信号放大调理器等二次仪表电压型传感器ICP型声压传感器电荷型压电传
14、感器应变片传感器ICP型振动传感器INV2030 -24Bit或双核采集仪电压信号504数采相关知识数据传输方式n基于计算机的外设端口方式nRS232(COM),LPT,GPIB,1394,USB1.1/2.0,LAN等n基于计算机的内部总线方式nISA,ESA,PCI,PCMCIA,VXI,CPCI,PXI等n无线传输n射频、Wifi等514数采相关知识外设端口传输方式n采集仪独立于PC，通过端口连接nGPIB，RS232 ，速度很低nLPT并口，速度较低，稳定性差nUSB1.1 ，速度较低，稳定，便捷n1394 ， 速度较快，通用性很差nUSB2.0 ，速度较快，稳定，可直接供电nLAN，
15、速度较快，稳定，级联性好, LXIn推荐：USB2.0 和 LAN524数采相关知识USB2.0 VS LANnUSB2.0n优点：可操作性较好,即插即用,不影响其他设备n缺点：级联性能较差,传输线很短nLANn优点：级联性能很好，远距离、无线n缺点：操作性稍差(需设置IP地址),占用网口534数采相关知识内部总线传输方式n采集仪与计算机为一体n台式PC： ISA和EISA（性能低），PCIn笔记本PC：PCMCIA，性能低nVXI：规模大，使用少nCPCI/PXI：目前较为普及n推荐： CPCI/PXI54nPCI 通用，普通计算机n 速度快，数目局限24，无时钟同步功能nCPCI Comp
16、actPCI机箱n速度快，数目理论上可达256，无时钟同步n非常普及的工业控制标准n改进CPCI，增加时钟同步功能nPXI 基于CPCI发展，PXI机箱n比普通CPCI增加时钟同步等功能4数采相关知识PCI 、CPCI、PXI554数采相关知识CPCI/PXI vs USB/LAN外端口n内部总线CPCI/PXIn速度快，可实现多通道的高速采样n坚固的机箱，系统稳定可靠n内置嵌入电脑，成本较高n外部端口USB/LAN等n速度相对较低或通道较少n需要注意连接线的可靠性n便捷方便，灵活连接不同计算机56数据传输方式n无线WIFI射频方式n优点：无传输导线,内置存储，无需外供电n缺点：级联性差,传输
17、距离有限，易丢点，采样速度低4数采相关知识57dB 分贝n声音基准 20 uPan振动基准 1E-6 m/ssn无特殊要求，基准为1n线性乘以10倍，dB增加20n线性乘以2倍，dB增加6n0dB 表示 A = A0nA必须大于0n3dB 1.412 2n6dB 1.995 2n10dB 3.162 = 10n20dB 105信号处理基本知识585信号处理基本知识信号采样n动态信号数字化n采样：也称抽样，是信号在时间上的离散化；即按照一定时间间隔t在模拟信号x(t)上逐点采取其瞬时值。595信号处理基本知识n量化：是对幅值进行离散化，即将实际连续的振动幅值归到接近的二进制量化电平表示。605信
18、号处理基本知识采样和量化示意615信号处理基本知识采样频率和信号混叠n采样定理n采样频率 SF 必须大于信号频率fs的2倍，即SF2fs通常取2.56倍以上n不满足采样定理将造成信号混叠，信号混叠就是把本该是高频的信号误认为低频信号625信号处理基本知识采样频率的选取n首先必须满足采样定理，对于不感兴趣的较高频率，可以使用抗混滤波器滤除。n若重点为时域波形，则应尽量提高采样频率SF，使时间间隔t较小，SF2050倍fs之间n若重点为频谱分析，则应尽量降低采样频率SF，使频率间隔f较小，SF2.5625.6倍fs之间时间间隔 频率间隔 N FFT计算的数据点数 635信号处理基本知识645信号处
19、理基本知识标定值问题 n从传感器、放大器、滤波器等到AD采样的全过程中，结构振动的1个工程单位(EU)转变为 A个mV电压，则系统标定值为 A (mV/EU)。n一般情形为 传感器灵敏度 放大器放大倍数。n精确测定系统标定值，常常通过振动台进行标定。n 655信号处理基本知识抗混叠滤波n采样定理只保证了信号不被歪曲为低频信号，但不能保证不受高频信号的干扰n在采样前，应把比所需信号fs更高的频率成分滤掉，这就是抗混滤波665信号处理基本知识采样长度和频率分辨率n采样长度即采样时间的长短n采样时，首先要保证能反映信号的全貌n兼顾考虑信号平均的要求，减少计算量等因素，采样长度不宜过长n采样点数N 一
20、般选为2m 的倍数，使用较多的有512、1024、2048、4096个样本数据点n给定分析频率时，采样长度（T）越大，则f 便越小，即分辨率越高，可见频率分辨率是与采样长度呈反比675信号处理基本知识信号截断n计算机每次只能对有限长度（如1024 点）的离散数据进行分析n原先连续的时域信号，要截断成若干固定长度的信号，再由计算机对被截取的信号一段段进行分析n截断会使频谱分析精度受到影响685信号处理基本知识泄漏n整周期截断周期性信号无精度损失n非整周期截断将使信号波形两端产生突变，会产生原信号中不存在的频率成分，称为泄漏；即原先集中的频率信息泄漏到旁边频段去了n截断随机信号使原来连续的频谱出现
21、皱纹，即皱纹效应；也会频谱影响精度n信号截断造成信号失真，进而产生泄漏695信号处理基本知识信号截断泄漏示意705信号处理基本知识加窗n加窗的主要目的是减少泄漏误差n加窗的主导想法是用比较光滑的窗函数代替截取信号样本的矩形窗函数，对截断的时序信号进行特定的不等加权，使被截断的波形两端突变变得平滑n工程上常用的是矩形窗、汉宁窗、平顶窗、力/指数窗等715信号处理基本知识加窗加权函数，目的是为使信号满足FFT变换要求，以最小化泄漏，但不能消除泄漏是一个令人讨厌的东西，但又离不开它所有窗函数都会使数据失真：使测量的峰值失真，增大了结构的阻尼，相比泄漏造成的严重畸变而言，还是更能让人接受加窗会引起数据
22、失真，应尽量实施无泄漏的测量，避免加窗最常用的窗函数是矩形窗、汉宁窗，平顶窗和力窗/指数窗725信号处理基本知识常用窗函数波形和谱图735信号处理基本知识窗的特性和加窗原则n冲击过程和瞬态过程的测量，应该使用矩形窗(也称力窗)n随机和周期激振信号，多用Hanning 窗n自由衰减信号，多用指数窗类型ENBW幅值应用场合矩形窗1.04dB未知的周期信号汉宁窗1.51.5dB大多数一般用途平顶窗3.80.02dB要求幅值精度，多用于校准用Kaiser-Bessel1.81dB要求相对高的幅值精度和频率分辨率745信号处理基本知识信号加窗示意755信号处理基本知识滤波n滤波的主要目的：使噪声与有用信
23、号分离，并予以抑制和消除，以提高信噪比n基本类型：低通、高通、带通和带阻n滤波方式：模拟滤波和数字滤波两种765信号处理基本知识幅域分析n振动幅值是振动强弱的一种度量，是信号分析最基础的数据n幅域统计指标：最大值、最小值、峰峰值、均值、方差、有效值等；对随机信号，均值、方差、概率密度和概率分布函数等n峰值反映动态信号瞬时绝对值得最大值n均值反映信号中心位置和变化的平均水平n方差反映信号在中心位置上的波动程度n均方值(有效值平方)反映信号动态与静态总的平均能量水平775信号处理基本知识概率分析n描述数据在幅值域的分布n1 概率密度函数：描述信号的幅值在某一个范围内的概率n2 概率分布函数：描述信
24、号的幅值小于某个值的概率785信号处理基本知识典型信号的概率密度函数795信号处理基本知识时域分析：相关函数分析n相关：是指变量之间的线性关系n相关分析：反映信号之间的相关性 n两种相关函数：n自相关函数：是描述信号x(t)一个时刻的取值与另一个时刻的取值之间的依赖关系n互相关函数：是对两个信号x(t)和y(t)进行分析的，描述x(t)一个时刻的取值与y(t)另一个时刻的取值之间的依赖关系n自相关系数和互相关系数的值总是在-1,1的区间上805信号处理基本知识相关函数的应用n自相关函数：n判断原信号的性质n检测混于随机噪声中的确定性信号n其傅立叶变换可以求得信号的功率谱密度n互相关函数：n互相
25、关函数在时间位移等于信号通道系统所需时间时，将出现峰值；即系统的时间滞后直接可用输出输入互相关函数中峰值的时间位移来确定n利用互相时延和能量信息可对传输通道进行识别n其傅立叶变换可以求得信号的互功率谱密度815信号处理基本知识频谱分析n频谱分析：就是将在时间域变化的信号变换为在频(率)域中有效值或均方值随频率的分布n基本方法：(快速)傅立叶变换(FFT：Fast Fourier Transform)n分类：n(自)功率谱密度函数，n互功率谱密度函数(多通道)，n频响函数/传递函数825信号处理基本知识主要误差n泄漏(偏度误差)：n原因是有限长截断造成n在频谱主峰的两端出现旁瓣n减小的方法 加窗
26、函数 n随机误差:n降低信噪比n减小的方法 多次平均（重叠系数）835信号处理基本知识FFT自谱的几种形式 n幅值谱Peak：n此方式反映信号各谐波分量的单峰幅值。n幅值谱Rms：n此方式反映信号各谐波分量的有效值幅值。n功率谱：n此方式反映信号各谐波分量的能量，(Rms)2n功率谱密度：n此方式反映信号各谐波分量的能量分布情况，(Rms) 2/f845信号处理基本知识互功率谱分析 n互谱：表示了两个时域信号序列在频域中所得两种谱的共同成分，及其相位差关系n应用举例：寻找机器噪声源，用机器整体噪声信号与各部件的振动信号进行互谱分析n频谱与相关的关系855信号处理基本知识传递函数分析 n传递函数
27、：是对一个系统，通过其输入信号和输出信号，进行系统的频率响应分析，它反映了系统对信号的传递特性（幅频特性和相频特性），取决于系统的本身特性，与输入无关n表现形式： n幅频曲线和相频曲线(同时显示，也称为伯德图) n实频曲线和虚频曲线 n奈奎斯特(Nykuist)圆 n相干曲线及相干传函，可以判定测量的有效性 865信号处理基本知识相干函数n为了评价频响函数估计的精度, 定义相干函数n相干函数总是小于1，说明系统中总存在外来的噪声，或有其他不相关的输入，或系统存在非线性特性。n相干传函则是传递函数的幅值与相干函数相乘得到的结果。875信号处理基本知识885信号处理基本知识求混叠后的频率混叠后的数字化频率是整数，取值从0开始，但适当的取值应是使得：采样频率：实际频率：采样后的频率最小。89实际频率 fa Hz最小K值混叠的频率fd Hz180018028012203801120480120580180680118078022208802120980220采样频率为500，采集不同频率信号，结果如下表5信号处理基本知识求混叠后的频率905信号处理基本知识阶与自由度谢 谢 大 家91n