实验25 桥梁振动测量实验

实验桥梁振动测量实验

一、实验目的：

1. 学会用搭建桥梁

2.掌握利用数据采集器和微机分析传感器数据

3．通过数据曲线比较在桥梁不同位置上小车运动所产生力的情况

4.研究桥梁共振。

二、实验仪器：PASCO850数据采集器、微型计算机一台、振动器、桥梁组件等

三、实验介绍：

研究用手或锤子敲击拱桥所产生的谐振模式。对产生的振动做FFT变换以找到共振模式。然后用拟合了每一个谐振频率的正弦力驱动桥梁。

将两个力传感器单元当做检测器对振动进行检测，三个负载单元沿桥梁跨度等间隔的放置。对于任何特定的谐振模式，单个负载单元可能是被力驱动较多，也可能是静止不动的,这是由振荡节点所在的位置决定。

驱动力是由振动器提供，振动器是由信号发生器带动并且由橡皮粘贴到桥梁上，以便振动器在正弦运动中对桥梁进行推拉。驱动力是由黏贴在桥梁上的一个负载单元测量。

可以对桥梁引入缺陷，例如重新移动一根或多根工字型梁,然后重复实验，观察桥梁振动的变化。

图1 本实验搭建的桥梁图之一

图2 本实验可选择搭建的桥梁图之二连接到850数据采集器

四、实验设置：

1. 参考本实验后面的附录说明，构造系杆拱桥。

2. 将2个5 N的负载单元按它们在桥梁上的位置对应的连接到六通道力传感器的前2个端口上。

3. 可以选择将100 N的负载单元连接到六通道力传感器的第六个端口上。

4. 将六通道力传感器插进到850接口并使用PASPORPT的任意端口。

5. 使用两条电源线（香蕉线）将机械波动发生器(SF - 9324)连接到850接口的#1号信号输出端。

6. 通过六通道力传感器前面的“Tare”按钮，对负载单元进行调零。

图3 连接到850数据采集器

7. 在Capstone软件上创建一个带有二个图形区的FFT显示框,挑选出二个负载单元中每个元件的受力情况。创建二个Run-Tracked用户输入数据表,命名为“Res.频率1”和“Res.频率2”,分别代表了每个负载单元的共振频率。

图4有两个图形区的FFT显示框

五、实验步骤：

1.在Capstone软件上设置采样率为70 Hz。点开自动模式，拖拽频率轴到最大频率为35 Hz。

2.开始记录,用锤子或你的手打击桥梁的顶部三次。

3. 在表1中重命名为“Hit 1”。

4.在FFT工具栏里,

如果增加/减少按钮未激活, 可通过单击按钮退出自动频率。然后减少格子的数量达到每格子1 Hz。

5. 在采样控制栏的页面底部切换到回放模式。

6.用回放控制单步调试数据, 使用FFT协调工具寻找共振峰。在图4右边表中记录每个负载单元的共振频率。

7.车在桥梁上运动时的实验数据分析

图5 用锤子或你的手中间锤击桥梁两个力传感器的FFT显示框

六、桥梁的驱动

1.打开左边的信号发生器，设置信号发生器# 1端口的频率为表III中的最低频率且振幅为10 V。

2.打开信号发生器。

3.进入名为“驱动数据”的下一页，并确保所有的频率轴设置为0到35 Hz。当切换页面时,它会问是否关掉信号发生器:回答“保持打开”。你需要打开自动模式,重新调节频率轴。这会引起采样率到大约70赫兹。

4.记录大约5秒钟。注意桥振动时的形状。节点在哪里? 在分析页面记录你的观察。

5.回到这个页面,改变信号发生器的频率到下一个最高，重复步骤3和步骤4。对表III中的所有频率进行

上述操作。如下表：

七、实验分析：

输入观察桥梁的节点相对于盒子里负载单元的位置。对比每一个FFT的振幅，找到最强的振动。

退出FFT的自动模式,突出显示图例中的所有测量结果,减少格子的数量，达到每格子1/2 Hz。挑出垂直的刻度，以便负载单元(除了驱动负载单元 (# 6)的值是最大的。然后点击图例中每个负载单元的受力，以便将每一个传感器提到到前面。

进一步的分析：

1.如果最低固有频率不是基频,试着以更低的频率驱动桥梁,看看是否可以得到更低的模式。

2.除去负载单元# 2对面的一个工字型梁，重复实验,看看可以检测出结构的差异。

3、小车运动实验分析：

当小车在桥梁上运动时的实验数据分析如下图：

附录：构建系杆拱桥

拱形的构建

这两个横杆如图1所示,当并排连接时构建拱形的一半。下一半重复这个方式。

使用拇指螺丝(图2)将梁连接到连接器。半圆槽表面上的连接器(图3)标记为A和E .在最右边的# 4梁在横杆前面连接槽E,在横杆背面连接槽A。

图1：梁需要为拱形构建两条横杆

图2：特写 ST=直连接器 HR=半圆连接器 Screws:螺丝

图3:这两条横杆并不相同图4: 使用#4平梁连接两条横杆

Slot A: 槽 A Slot E: 槽E

使用扁平的4号梁连接两个横杆在半圆槽连接器G (图4)。详细的十字支撑在下一个页面(图5)。

图5：完成包括十字支撑在内的半拱形（参见下页的细节）。你大概需要完成两个！Straight Cross Bracing：直的十字支撑 Cross Brace：十字支撑

如图所示(图6) 使用白色的韧性的# 5梁构建十字支撑。注意：角连接器(AC) 允许的夹角为45°。

图6：使用白色的韧性的# 5梁构建十字支撑 AC =角连接器

如图所示(图7)使用黄色线连接十字支撑。注意：在每一个绳头都需要一个拉紧夹(CT)。使用另一个绳结使绳子固定在洞里。

图7：CT=绳拉紧夹图8：扁圆形

重复前面的步骤构造拱形完全相同的另一半!

使用韧性的# 3梁构建两个X支撑(图8)和扁平的圆形的连接器（FT）。如图9所示确定两个拱形部分的方位。重要注意! # 4梁的末端是在中间，# 3梁的尾端是在外边。

将两半部分结合在一起。注意：X支撑和额外的扁平的4号在拱形的中心位置(图10)。

图9：两半均有# 4梁在末端

图10：完成拱形的中心

末端支架的构建

当这两个面板(图11)连接时,将构建一个桥梁的末端

支架。第二个末端支架和这一个完全相同。

图11：末端支架的侧面板图12：末端支架

Medium Axle：中轴 Long Axle：长轴

如图所示，使用3 个#3梁连接成两个面板，中、长轴如图(图12)。注意：半圆形顶部连接器的方位。

使用平面圆形连接器构建两个角形支架(图13)。注意：这两个部分是彼此的镜像。

图13： FR=扁平圆连接器图14：支架连接器

滑动在末端支架两侧的角形支架 (图14)。

从底部，固定末端支架和角形支架的轴 (图15)。确保这些螺丝是拧紧的，因为一旦桥完成后你将无法碰到它们！

图15：固定轴到支架上图16：十字支撑 Knot：结

如图所示，使用黄色线(图16)连接十字支撑。注意：在每一个绳头都需要一个拉紧夹(CT)。使用另一个绳结使绳子固定在洞里。

使用一个# 3梁和两个滑动连接器(SL)构建重量支撑(图17)。当拧紧大拇指螺丝时，连接器需始终控制垂直于# 4梁(图18)。

图17：SL= 滑动连接器图18：# 4梁夹

Weight Support：重量支撑

重复前面的步骤构造另一个完全相同的末端支架!

桥面的构建

使用# 4梁构建前桥面横杆 (图19),半圆(HF)和全圆角(FR)连接器。如图所示交替使用半圆和全圆角的连接器。注意：满圆的插槽A和E的方向(图.20)。

图19:前桥面横杆全圆角(FR)连接器会用来支撑传感器。

图20： FR=全圆角连接器， HR=半圆连接器

全部使用半圆连接器构建后桥面横杆 (图21)。桥面两侧的横杆是不一样的!

图21：桥面的前侧和后侧面的横杆是不一样的.

使用# 3梁(图22)连接前后横杆。把十字支撑加在3 x 4平梁两端。

现在可以组装你刚刚建造的部分。

图22：照片中的桥面是颠倒的.

连接桥面和拱形

将桥面(图1)连接到两个末端支撑。将# 6梁支撑在桥面中间作为临时支架(图2)。

图1: 连接桥面

图2: 临时支撑

图3: CT=细绳拉紧夹

使用黄色细绳连接末端支架的底部(图3)。

你在每个绳子的末端都需要一个细绳拉紧夹(CT)。

一个学生从中间举起拱形，将拱形的两端连接到角形支架。将承重支撑加到末端支架。在末端支架处添加重量（图5）。

图4：将拱形加到角形支撑图5：增加重量保持稳定性

构建十字和角形支架来增加拱形支架的支撑力 (图6)。它们都固定在平面圆形连接器的上轴(图7)。十字支架的滑动连接器固定在拱形的# 6号梁。角撑的角连接器允许调整其长度改变拱的形状。

Figure 6： AC=Angle Connector SL=Sliding Connector

图6： AC=角连接器 SL=滑动连接器

Angle Brace：角撑Cross Brace：十字支架

Figure 7：Arch Support 图7：拱形支撑

为了进一步强化拱形，需增加额外的支柱（图8）。额外的支架由# 2和# 3梁,和3 x 4平梁构成(图.9)。

Figure 8：Extra Strut ST=Straight Connector

图8：额外的支柱 ST=直的连接器

Figure 9：Adding Extra Struts to Arch

图9：添加额外的支柱到拱形

使用黄色细绳将桥面悬挂起来(图10)。在绳子顶端打结(图11),并使用细绳拉紧夹拉紧绳的底端。使用任何圆槽(图13),但尽可能让绳子垂直。下一页将介绍如何判断绳子的张力。

Figure 10：Deck Suspension Figure 11：Use knot at top of cord

图10：悬挂桥面图11：在细绳的顶部打结

Figure 12：Roadbed Track Figure 13：CT=Cord Tensioning Clip 图12：路基轨道图13：CT=细绳拉紧夹

Track Clip：轨道夹 Track Upside Down：轨道上下颠倒

为了放置路基轨道，将轨道上下颠倒放在桥面上，并且在每个枕木上放置一个拉紧夹(图12)。将轨道压在枕木上（图13）。

使用黄色的细绳或橡胶绳使给小车做一个限位 (图14)。

Figure 14：Endstop for car！

图14：给小车设置一个限位！

调整细绳的张力

1．不悬挂任何重量，通过绳子的松弛调整绳子的张力。在调整每根绳子时，用米尺测量从桌子到桥面的高度。测量在支架附近的桥面的高度。然后匹配整个桥梁的高度。用手收紧绳子并锁紧螺丝。

2．如图所示（图15），每隔一个十字梁挂一个砝码和挂钩。

Figure 15：Weights and Sensors 图15：重量和传感器

3．检查在每个绳子处桥梁的高度并调整绳子的拉力使它们处在正确的高度。4．在每个挂钩上加上0.5kg的重量。

5．检查在每个绳子处桥梁的高度并调整绳子的拉力使它们处于正确的高度。6．使用螺丝刀拧紧每个螺丝。

使用# 1梁将5N负载单元贴到全圆角连接器 (图.16)。确保

负载单元的固定端(由负载单元标记)附着在桥梁上。在每个

负载单元末端附上三个20克的质量作为惯性物，测量桥梁

的加速度。

Figure 16：5N Load cell

图16：5N负载单元 Figure 18：Driver Inertial Mass：惯性质量图18：驱动

100 N 的负载单元是用来测量驱动力的(图18)。使用黄色和橡胶绳连接负载单元和驱动器(图17)。通过黄色的细绳和拉紧夹可以方便的调整长度。用更少的橡胶绳来增加施加的力；用更多橡皮绳则减少力。

Figure 17：Connection to Driver

图17：连接到驱动器

Yellow Cord：黄色细绳 Rubber Cord：橡胶绳

现在可以打开PASCO Capstone 软件名为EX-5548桥梁振动的文件。