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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,1 测试项目测试系统组成A.静应变测试系统B.动应变测试系统C.振动模态测试系统D.索力测试系统E.测试系统组成部分F.传感 器种类G.应变调理H.采集仪种类I.24位采集仪特点J.16位和24位采集对比现场试验测试A.传感器选型B.试验准备C.传感器常见安装 方式D.传感器保护 E.测试导线如何 处理F.检查信号是否正常G.应变测试常见问题数采相关知识A.主要技术指标 B.ADC.采样频率D.输入量程E.动态 范围F.输入 噪声G.信噪比H.信号失真I.通道 一致性J.抗混叠滤波K.信号输入 类型L.数据传输方式信号处理基本知识A.信号采
2、样B.泄漏C.窗函数D.滤波E.幅域分析F.时域分析G.频谱分析H.求取混叠后的频率I.阶与自由度,3,1 测试项目,荷载试验静态载荷力作用下的桥梁承载能力测试项目：静应变、静挠度动载试验动态载荷力作用下的桥梁特性试验项目：跑车、跳车、刹车试验测试项目：冲击系数、动应变、动挠度、阻尼比等脉动试验识别桥梁结构参数测试项目：固有频率、模态参数索力试验,4,2 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,5,2 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,
3、INV3060、3018、3020系列采集仪,DASP测量分析软件,7,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,9,2 测试系统组成,构成测试系统的四部分,传感器信号调理采集仪测量分析软件,10,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,11,速度
4、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 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,13,AD：国内外主流均为24采集仪通道数：从4通道到几百通道,采集仪种类,2 测试系统组成,14,24位采集仪的特点,2 测试系统组成,以INV3018系列为例高精度：每通道独立24bit+方式AD技术 高性能：连续不间断海量全并行采集高速度：每通道采样频率 51.2K/102.4K/204.8KHz可
5、选高动态范围：120dB典型值，110dB保证值（单核）高抗混滤波性能：超过-300db/oct低噪声：0.03mV rms 10V量程多输入方式：AC、DC、ICP、外接电荷、应变,15,24位采集仪的特点,2 测试系统组成,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,17,3 现场试
6、验测试,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）,18,3 现场试验测试,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,19,3 现场试验测试,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,21,3 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）
7、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。,22,3 现场试验测试,传感器与导线的接头如何保护？1）接触良好。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,23,3 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。,24,3 现场试验测试,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,25,3 现场试验测试,系统连接后，检查信号是否正常？
8、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：检查是否为接触不良引起的，可以检查导线接头。,26,3 现场试验测试,M5接头接触不良，导致的错误信号,27,3 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。,28,3 现场试验测试,信号正常时，随振动变化，信号幅值随之改变,29,3 现场试验测试,应变测量经常遇到的问题：1、动态应变仪无法平衡。常见
9、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。,30,3 现场试验测试,2）应变片连线后的输出电阻偏大。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。,31,3 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。,32,4 数采相关知识,数据采集仪功能：1）模拟信号
10、转换成数字信号 2）集成放大器的部分功能，如滤波,33,数采主要指标,4 数采相关知识,AD位数采样频率输入量程 增益 放大倍数输入噪声,等效输入噪声失真度 THD，THD+N动态范围，信噪比通道一致性，幅值，时间差和相位差抗混叠滤波，衰减率，阻带衰减其他 串扰，幅值线性度，直流偏置信号输入类型：电压DC，AC、ICP、应变、电荷等数据传输类型：USB、网口、WIFI、CPCI总线、PXI等,34,4 数采相关知识,数采AD芯片发展,早期 8位、12位、16位现在 24位 方式 高精度低噪声：0.03mV rms 10V量程高动态：110dB 120dB高抗混叠：超-300dB/oct(前置模
11、拟+数字)以上指标以INV3018、INV3020为例,35,4 数采相关知识,AD芯片的位数,A/D的精度（量化误差）对于满量程为 A(V)的n位AD转换，最小可分辨 2A/(2n)的电压变化例如10V（20Vp-p）量程8 位AD，精度约为 78 mV12位AD，精度约为 4.88 mV16位AD，精度约为 0.3 mV24位AD，精度约为 0.0012 mV=1.2uV,36,4 数采相关知识,采样频率 Hz,采样定理SF=2 AF 否则 混叠抗混叠滤波工程应用 SF=2.56 AF1000 还是 1024SF=1000,dt=1ms,df=0.9765625HzSF=1024,dt=0
12、.9765625ms,df=1Hz计算df时以1024点FFT为例,37,4 数采相关知识,输入量程,量程10V 1V 100mV 10mV 1mV增益，放大倍数1 10 100 1000 10000,38,4 数采相关知识,动态范围DR,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,24位双核采集仪：可达160dB24位单核采集仪：通常110120dB，理论144dB16位采集仪：通常6080dB，理论96dB12位采集仪通常5060dB，理论72dB,4 数采相关知识,40,4 数采相关知识,41,4 数采相关知识,输入噪声
13、,输入短路，电阻小于50欧姆增益1倍时，测量到的信号为输入噪声增益大于1时，则为等效输入噪声折合到输入端为实际硬件噪声 除以 增益倍数例如1 mV rms 增益1倍，10V量程100 uV rms 增益10倍，1V量程10 uV rms 增益100倍，100mV量程1 uV rms 增益1000倍，100mV量程,42,4 数采相关知识,输入噪声,INV系列24Bit采集仪30uV rms 10V量程增益后，折合到输入端0.3uV rms 增益100倍，100mV量程一般16bit采集仪200500 uV rms 10V量程增益后，折合到输入端2050 uV rms 增益10倍，1V量程0.2
14、0.5 uV rms 增益1000倍，10mV量程,43,4 数采相关知识,信噪比SNR,指信号功率Ns与干扰（噪声）功率Na之比，以dB为单位有时也用信号电压和噪声电压之比来表示,44,4 数采相关知识,信号失真,THD 总谐波失真例如 0.01%=0.0001=-80dB总失真 THD+N,45,4 数采相关知识,通道一致性,任意两通道，输入完全相同信号测量结果的幅值比和相位差幅值一致性 如0.1dB 为 1.0116，相差 1.16%相位一致性,46,4 数采相关知识,通道一致性,47,4 数采相关知识,抗混叠滤波,采样定理 SF=2AF采样前必须滤除 SF/2以上频率的信号注意：必须采
15、样前的模拟滤波，不可采样之后再进行数字滤波,48,4 数采相关知识,滤波器指标,倍频程衰减率 dB/Oct(24位-300dB/Oct)阻带衰减 dB(24位 90dB),存在过渡带常用SF/2.56,49,4 数采相关知识,信号输入方式,24位或多核采集仪高精度，高动态范围，高抗混滤波大大省略信号放大调理器等二次仪表,50,4 数采相关知识,数据传输方式,基于计算机的外设端口方式RS232(COM),LPT,GPIB,1394,USB1.1/2.0,LAN等基于计算机的内部总线方式ISA,ESA,PCI,PCMCIA,VXI,CPCI,PXI等无线传输射频、Wifi等,51,4 数采相关知识
16、,外设端口传输方式,采集仪独立于PC，通过端口连接GPIB，RS232，速度很低LPT并口，速度较低，稳定性差USB1.1，速度较低，稳定，便捷1394，速度较快，通用性很差USB2.0，速度较快，稳定，可直接供电LAN，速度较快，稳定，级联性好,LXI推荐：USB2.0 和 LAN,52,4 数采相关知识,USB2.0 VS LAN,USB2.0优点：可操作性较好,即插即用,不影响其他设备缺点：级联性能较差,传输线很短LAN优点：级联性能很好，远距离、无线缺点：操作性稍差(需设置IP地址),占用网口,53,4 数采相关知识,内部总线传输方式,采集仪与计算机为一体台式PC：ISA和EISA（性
17、能低），PCI笔记本PC：PCMCIA，性能低VXI：规模大，使用少CPCI/PXI：目前较为普及推荐：CPCI/PXI,54,PCI 通用，普通计算机 速度快，数目局限24，无时钟同步功能CPCI CompactPCI机箱速度快，数目理论上可达256，无时钟同步非常普及的工业控制标准改进CPCI，增加时钟同步功能PXI 基于CPCI发展，PXI机箱比普通CPCI增加时钟同步等功能,4 数采相关知识,PCI、CPCI、PXI,55,4 数采相关知识,CPCI/PXI vs USB/LAN外端口,内部总线CPCI/PXI速度快，可实现多通道的高速采样坚固的机箱，系统稳定可靠内置嵌入电脑，成本较高
18、外部端口USB/LAN等速度相对较低或通道较少需要注意连接线的可靠性便捷方便，灵活连接不同计算机,56,数据传输方式,无线WIFI射频方式优点：无传输导线,内置存储，无需外供电缺点：级联性差,传输距离有限，易丢点，采样速度低,4 数采相关知识,57,dB 分贝,声音基准 20 uPa振动基准 1E-6 m/ss无特殊要求，基准为1,线性乘以10倍，dB增加20线性乘以2倍，dB增加60dB 表示 A=A0A必须大于03dB 1.412 26dB 1.995 210dB 3.162=1020dB 10,5 信号处理基本知识,58,5 信号处理基本知识,信号采样,动态信号数字化采样：也称抽样，是信
19、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。,59,5 信号处理基本知识,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。,60,5 信号处理基本知识,采样和量化示意,61,5 信号处理基本知识,采样频率和信号混叠,采样定理采样频率 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,62,5 信号处理基本知识,采样频率的选取,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。若重点为时域波形，则应尽量提高采样频率SF，使
20、时间间隔t较小，SF2050倍fs之间若重点为频谱分析，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,63,5 信号处理基本知识,64,5 信号处理基本知识,标定值问题,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)。一般情形为 传感器灵敏度 放大器放大倍数。精确测定系统标定值，常常通过振动台进行标定。,65,5 信号处理基本知识,抗混叠滤波,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在采样前，应把比所需信号
21、fs更高的频率成分滤掉，这就是抗混滤波,66,5 信号处理基本知识,采样长度和频率分辨率,采样长度即采样时间的长短采样时，首先要保证能反映信号的全貌兼顾考虑信号平均的要求，减少计算量等因素，采样长度不宜过长采样点数N 一般选为2m 的倍数，使用较多的有512、1024、2048、4096个样本数据点给定分析频率时，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,67,5 信号处理基本知识,信号截断,计算机每次只能对有限长度（如1024 点）的离散数据进行分析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截断会使频谱分析精
22、度受到影响,68,5 信号处理基本知识,泄漏,整周期截断周期性信号无精度损失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截断随机信号使原来连续的频谱出现皱纹，即皱纹效应；也会频谱影响精度信号截断造成信号失真，进而产生泄漏,69,5 信号处理基本知识,信号截断泄漏示意,70,5 信号处理基本知识,加窗,加窗的主要目的是减少泄漏误差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工程上常用的是矩形窗、汉宁窗、平顶窗、力/指数窗等,71,5 信号
23、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,72,5 信号处理基本知识,常用窗函数波形和谱图,73,5 信号处理基本知识,窗的特性和加窗原则,冲击过程和瞬态过程的测量，应该使用矩形窗(也称力窗)随机和周期激振信号，多用Hanning 窗自由衰减信号，多用指数窗,74,5 信号处理基本知识,信号加窗示意,7
24、5,5 信号处理基本知识,滤波,滤波的主要目的：使噪声与有用信号分离，并予以抑制和消除，以提高信噪比基本类型：低通、高通、带通和带阻滤波方式：模拟滤波和数字滤波两种,76,5 信号处理基本知识,幅域分析,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峰值反映动态信号瞬时绝对值得最大值均值反映信号中心位置和变化的平均水平方差反映信号在中心位置上的波动程度均方值(有效值平方)反映信号动态与静态总的平均能量水平,77,5 信号处理基本知识,概率分析,描述数据在幅值域的分布1 概率密度函数
25、：描述信号的幅值在某一个范围内的概率2 概率分布函数：描述信号的幅值小于某个值的概率,78,5 信号处理基本知识,典型信号的概率密度函数,79,5 信号处理基本知识,时域分析：相关函数分析,相关：是指变量之间的线性关系相关分析：反映信号之间的相关性 两种相关函数：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自相关系数和互相关系数的值总是在-1,1的区间上,80,5 信号处理基本知识,相关函数的应用,自相关函数：判断原信号的性质检测混于随机噪声中
26、的确定性信号其傅立叶变换可以求得信号的功率谱密度互相关函数：互相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利用互相时延和能量信息可对传输通道进行识别其傅立叶变换可以求得信号的互功率谱密度,81,5 信号处理基本知识,频谱分析,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基本方法：(快速)傅立叶变换(FFT：Fast Fourier Transform)分类：(自)功率谱密度函数，互功率谱密度函数(多通道)，频响函数/传递函数,82,5 信号处理基本知识,主要误差,泄漏(偏度误差)：
27、原因是有限长截断造成在频谱主峰的两端出现旁瓣减小的方法 加窗函数 随机误差:降低信噪比减小的方法 多次平均（重叠系数）,83,5 信号处理基本知识,FFT自谱的几种形式,幅值谱Peak：此方式反映信号各谐波分量的单峰幅值。幅值谱Rms：此方式反映信号各谐波分量的有效值幅值。功率谱：此方式反映信号各谐波分量的能量，(Rms)2功率谱密度：此方式反映信号各谐波分量的能量分布情况，(Rms)2/f,84,5 信号处理基本知识,互功率谱分析,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频谱与相关的关系
28、,85,5 信号处理基本知识,传递函数分析,传递函数：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，与输入无关表现形式：幅频曲线和相频曲线(同时显示，也称为伯德图)实频曲线和虚频曲线 奈奎斯特(Nykuist)圆 相干曲线及相干传函，可以判定测量的有效性,86,5 信号处理基本知识,相干函数,为了评价频响函数估计的精度,定义相干函数相干函数总是小于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。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。,87,5 信号处理基本知识,88,5 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,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,90,5 信号处理基本知识,阶与自由度,谢 谢 大 家,91,
