CN201803792U

CN201803792U - 一种用于轻质纤维增强复合材料悬臂板振动测试的装置

Info

Publication number: CN201803792U
Application number: CN2009202517958U
Authority: CN
Inventors: 王瑞; 徐磊; 马崇启; 周宝明; 杨秋红
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2019-12-17

Abstract

本实用新型提供一种用于轻质纤维增强复合材料悬臂板试样振动测试的装置，适合于长度为50mm～250mm、宽度为5mm～35mm、厚度为0.8mm～15mm的复合材料板材试样件；所述装置包括电阻应变片、电桥电路、动态电阻应变仪、高速数据采集卡和计算机组成，通过贴在悬臂板固定端根部的两个电阻应变片和电桥电路，将悬臂板振动的表面的动态应变转变成电压信号，通过动态电阻应变仪的信号调理，信号经过高速数据采集卡连接到计算机上，通过计算机显示并分析振动结果，得到关于振动的振幅-时间，频率谱图和等效阻尼系数，用于表征悬臂板振动性能。本实用新型所述的装置具有成本低、设计简单的效果，能够满足一定的精度要求。

Description

一种用于轻质纤维增强复合材料悬臂板振动测试的装置

所属技术领域

本实用新型在于提供一种成本低、方法简便、具有一定测试精度的复合材料悬臂板的振动测试装置，通过该装置能够准确地测得复合材料悬臂板的振动频率，并能通过对信号的分析与换算，能够表征振动阻尼的大小。

背景技术

随着复合材料结构制品的大量使用，在结构制品的模态设计与分析中，复合材料的动态力学性能起到关键的作用，因此受到日益重视。目前，关于复合材料动态力学性能的测试往往使用的是振动法，悬臂梁试样的自由振动成为最常见的测试方法。在振动测试中，以传感器组成的电测法应用最为广泛，其包含了振动结构、振动测量和数据采集装置、数据分析等。结构振动过程中，许多物理量如位移、速度、加速度、噪声的声压和声强等都是随时间变化的，振动测试就是将这些非电物理量经过相关传感器转变为电信号，经过放大、滤波等适调环节，将电压信号转换为数字信号，最后经过对动态数字信号的分析，得出振动的相关信息。因此，在振动的测试中，需要针对要测试的物理量，选择合适的传感器系统。

激光测振是一种先进的振动测试手段，它通过利用激光反射时程差来测得振动结构某一点的位移变化，它测量精确而且对振动结构不产生影响。但是激光测振仪造价昂贵，应用于一般的工程设计中，需要考虑一种低成本、有一定精度的测试手段。

结构振动测试常用的是加速度传感器，它固定在悬臂梁的自由端跟随悬臂梁振动，能够将振动过程中加速度的变化转换成电荷的变化，经过电荷放大器和积分、滤波电路，能够形成一组稳定的电压信号。但是由于加速度传感器是由压电材料与质量惯性元件封装在一起的，因此其自身具有一定的质量，在厚度较薄的的复合材料悬臂梁结构中，加速度传感器的质量将显著影响复合材料原有振动，这样，测得的振动结果就有较大的偏差。现有的加速度传感器组装后质量至少超过2g，为满足测试精度要求，需要制备较为厚重的复合材料悬臂板试样。在复合材料实验室开发阶段，势必加重实验成本。

在现行的振动测试设备中，存在装置设计过于繁琐，操作软件过于复杂，不容易操作，反而造成设备造价高。如果设计一种振动测试系统，大胆地摒弃多余的功能模块和非必要的分析计算程序，则能够以最简化的手段反映复合材料的振动性能，使测试尽可能地简便、实用。在传感元件中，电阻应变片价格低、设计简单，已有的报道中主要被用于检测物体静力作用下的应变，很少被用于结构的动态监测；而电阻应变片的频率响应区在1kHz以内，而复合材料悬臂板结构的振动频率多在500Hz以下，符合测试精度要求。因此，通过测量悬臂板表面的动态应变可以表征悬臂板振动性能，为了进一步测出悬臂板表面动态应变的阻尼，需要把电阻应变片粘贴在悬臂板表面产生应变最大的区域。

实用新型内容

本实用新型使用电阻应变片作为传感器，通过检测复合材料悬臂板表面的动态应变，对悬臂板的振动性能进行表征。由于电阻应变片质量非常小，粘贴在复合材料结构的表面对复合材料结构质量和刚度的影响可以完全忽略不计。本实用新型设计的用于轻质纤维增强复合材料悬臂梁试样振动测试的装置，适合于长度为50mm～250mm、宽度为5mm～35mm、厚度为0.8mm～15mm的复合材料板材试样件的振动测试，该装置由贴有电阻应变片的复合材料悬臂板架(1)、电桥电路(2)、动态电阻应变仪(3)、高速数据采集卡(4)和计算机(5)组成，电路的连接顺序为：电阻应变片(9)→电桥电路(2)→动态电阻应变仪(3)→高速数据采集卡(4)→计算机(5)；贴有电阻应变片的复合材料悬臂板架(1)，包括冲击锤(6)、复合材料板(7)、电阻应变片(8)和固定基座(9)；电阻应变片(8)有两片，规格相同，分别粘贴在复合材料板(7)的上下表面居中部位，紧靠固定端的根部；电桥电路(2)包括恒压电源(10)和协调电阻(11)的双臂电桥，协调电阻(11)的阻值电阻应变片的初始阻值相等；振动测试装置所使用的数据采集和换算软件，其特征在于：使用的软件能够分步调用数据采集程序和数学软件Matlab，具体实现过程为：

1)调用数据采集程序连续地读取高速数据采集卡(4)中反馈的电压值，写入数据文件并储存；

2)调用Matlab软件读取数据文件内的数据，并对之进行快速傅里叶变换，绘制数据的频谱图，取主频率值；并提取原始文件内每个振动周期的峰值，拟合指数函数，得到等效阻尼系数；

本实用新型效果是：与同类的振动测试手段相比，省去了不必要的功能模块，装置结构简单却能够满足基本的测试条件，造价低廉，但性能稳定。在软件编程方面，所选择的方式简单，处理数据速度快；采集数据与处理数据所选用的Visual Basic语言下的数据采集程序与Matlab软件组合，编程语句简单，处理数据效率高，能够很快地得到振动结果，非常适合处理高速采集得到的数据。其中，编程时使用Visual Basic语言下的数据采集程序，语句简单，且能够生成可脱离语言独立运行的程序，这种程序能够直接运行，所占的存储空间不超过30kbit，同Labview，Visual C++等编程语言相比具有操作简便实用的优势。针对振动实验数据采集速率非常高，生成的数据文件非常大，本发明采用的数学软件Matlab能够在快速傅里叶变换等运算时具有较快的运算速度和精度。

附图说明：

图1为复合材料悬臂板测试系统示意图；

图2为采集到得振动电压信号时程图；

图3为振动信号的频谱图；

图中1.复合材料悬臂板架，2.电路电桥，3.动态电阻应变仪，4.高速数据采集卡，5.计算机，6.冲击锤，7复合材料悬臂板，8.电阻应变片，9.固定基座，10.稳压电源，11.定值电阻。

具体实施方式

具体实施过程如下：

(1)制备复合材料悬臂板，将复合材料板材切割成条状，表面涂少量胶，并使用夹具夹紧在振动基座上后，形成如图1所示的悬臂板结构；

(2)电阻应变片粘贴，以悬臂板固定端根部为基准线，将两片电阻应变片分别贴于板的正反面的中心位置，粘贴后对电阻应变片进行绝缘处理；

(3)测试电路的连接，选择两个与电阻应变片阻值相同的电阻，同两个电阻应变片连接成一个如图1所示的电桥电路部分，电桥输入端为一稳压电源，输出端连接动态电阻应变仪的一路输入通道；动态电阻应变仪能够对变化的电压信号进行适调和滤波，其输出端接入高速数据采集卡一个通道，并与计算机连接；其中，各连接线采用两芯屏蔽线；

(4)检查电路连接，调节动态电阻应变仪，选择合适倍数的放大电路，使振动产生的电压值在数据采集卡的输入电压范围内；调节动态电阻应变仪的零位，使悬臂板在静止时，输出电压为0；

在软件编程方面，使用Visual basic语言环境下的自编程序，对数据采集卡驱动程序内的电压函数进行循环性访问，最终写入“C:\data.txt”形成数据文件，然后使用Matlab相关命令读取数据，对数据进行分析计算，得到所需结果。编程分为两部分：

1)数据采集程序，以使用北京艾智达公司提供的型号为PCI6011A的数据采集卡为例，结合艾智达公司提供的原装驱动程序，在Visual Basic语言环境下的程序代码为：

NTportio＝AC_OpenDriver()′获得AC6011卡ID，并返回卡的数量

cardnumber＝AC_6011_INIT(NTportio，cardid(0))

Form1.Caption＝Form1.Caption+″检测到有″+Str(cardnumber)+″块PCI6011卡在机器中″

If cardnumber＝0Then

AC6011_AD.Enabled＝False

AC6011_DA.Enabled＝False

AC6011_DIO.Enabled＝False‘寻找数据采集卡

Print#1，CDate(data(0))

Fori＝1To 300000

data(i)＝AC_6011_AD(NTportio，cardid(0)，2，10)

temp＝AC_6011_AD(NTportio，cardid(0)，2，10)

Print#1，data(i)

Nexti

Print#1，CDate(data(300001))‘使用循环语句，以数据采集卡的主频连续采集300000

个数；

Open″C:\data.txt″For Append As#1

2)采用Matlab软件对数据文件进行读取，分析，编程如下：

[f，FS，bits]＝textread(′C:\data.txt′，′％n′，′whitespace′，″)；％读取文件中的数据，写入变量f，

其中，FS为采集卡采样频率；

[m，n]＝size(f)；％ m为采样点个数；

Ox＝1:m；

figure；％控制横坐标显示的比例尺；

plot(Ox，f，′*′)；％绘制电压信号的时域图，得到如图2所示的振动实程图；

F＝fft(，f2*m-1)％对f零填充后进行傅立叶变换，结果为F；

F1＝abs(F)；％F1为F的频率振幅谱；

plot(F1)；％绘制F1，得到如图3所示的振动频谱图；

通过振动频谱图，读出复合材料悬臂板振动的频率为f1，

P＝fix(FS/f1)；％P为一个振动周期内的数据个数；

Fori＝1∶1000

D＝[；(i*FS/f1)]

Bi＝f((i-1)*P+1:i*P，：)

Ci＝max(Bi)

E＝[；(Ci)]

If(Ci＞0.01)

End

G＝ln(E)

a＝polyfit(D，G，1)％对信号进行拟合，得到的a的值即为悬臂板振动的等效阻尼系数。

Claims

1.一种用于轻质纤维增强复合材料悬臂梁试样振动测试的装置，其特征在于，所述装置包括由贴有电阻应变片(8)的复合材料悬臂板架(1)、电桥电路(2)、动态电阻应变仪(3)、高速数据采集卡(4)和计算机(5)组成，电路的连接顺序为：电阻应变片(8)→电桥电路(2)→动态电阻应变仪(3)→高速数据采集卡(4)→计算机(5)。

2.如权利要求1所述装置，贴有电阻应变片的复合材料悬臂板架(1)，包括冲击锤(6)、复合材料板(7)、电阻应变片(8)和固定基座(9)；所述电阻应变片(8)有两片，规格相同，分别粘贴在复合材料板(7)的上下表面居中部位，紧靠固定端的根部。

3.如权利要求1所述装置，所述电桥电路(2)为包括恒压电源(10)和协调电阻(11)的双臂电桥，所述的协调电阻(11)的阻值与所述电阻应变片(8)的初始阻值相等。