土木工程结构试验

《土木工程结构试验》

实 验 指 导 书

土木工程结构实验室

二〇一七年九月修订

目录

实验一：等强度梁机测 3

实验二：等强度梁电测 6

实验三：钢桁架机测

实验四：钢桁架电测

实验五：单自由度系统模型参数的测试

实验六：测试附加质量对系统频率的影响

实验七：附加质量分布对系统频率的影响

2

10

10 27 33 36

实验一：等强度梁机测

（应变的机测和机械式测量仪表的构造原理）

一、实验目的：

1、了解、掌握各种机械仪表的性能，原理和使用方法，掌握应变的机测方法和原理。

2、认识和了解结构静力试验的各种机械仪表，掌握它们的原理和构造，掌握它们的安装和测读方法。 二、课前预习要求： 1、预习教材的下列章节 第三章 3.3 试验测量仪器 2、思考下列问题

（1）结构静载试验中，主要测量的物理量有哪些？ （2）选择一种测量仪表应考虑哪些方面的因素？ （3）机械式测量仪表采用什么零件放大微小信号？ 三、参观部分：

通过参观认识下列仪器的外貌，了解它们的构造，工作原理，使用方法和适用范围。 1、应变和位移测量仪表：

杠杆应变仪、手持应变仪、千分表、百分表、挠度计。

2、其它检测仪表

回弹仪、读数显微镜、刻度放大镜。 四、实验操作部分（等强度悬臂梁荷载试验）

3

1、设备：

等强度悬臂梁一套 百分表一块 磁性表座一套 杠杆应变仪一套 曲率仪一个 2、内容

在等强度悬臂梁上安装百分表、杠杆应变仪、曲率仪。在梁端加砝码，测量等强度悬臂梁。某一截面上的应变和梁端挠度值及曲率半径，与理论计算值进行分析比较。

3、试验步骤：

（1）测量等强度悬臂梁的几何尺寸和仪表安装放位置的X值，并记录在表1—1中。

（2）在距梁端X1处的截面处安装杠杆应变仪，在X2处安装百分表（注意：百分表要有初读数，并严格垂直于梁面），将曲率仪安装在梁上合适的地方。

（3）记录初读数，在梁端分加三级砝码，量测在相应荷载作用下被测截面的应变与梁端的挠度值和曲率值，并记录在表1—2中。 （4）整理记录资料，计算出各级荷载下的实测应变，应力和挠度值和曲率值。并和理论值作比较（用P＝3kg荷载作比较）见表1—3。 （5）分析误差产生的原因，提出改进方法。

4

P

a=100mm

a/2 曲率仪 a/2

h

b

注：据实测值，计算曲率半径的公式 =（a2+42）/8

等强度梁几何尺寸和实测截面尺寸 表1—1 序号 L(mm) b(mm) bx1(mm) bx2(mm) X1(mm) X2(mm) h(mm) 1

等强度梁几何尺寸和实测截面尺寸 表1—2 杠杆应变仪K= L= 序荷bx1(mm)截面杠杆应变仪 bx2(mm)截面百分表 曲率仪 号 载 读数 增量 读数 增量 读数 增量 1 0 1 2 3 2 0 3 0 3 0 3 平均值

5

实测值与理论值比较 表1—3 序号 项目 截面 理论值 实测值 1 应力（） bx1 2 挠度（） Bx2 3 曲率半径（） 实测/理论

实验二：等强度梁电测（应变的电测和电测的原理及仪器的使用） 一、实验目的：

1、了解电阻应变片的种类及应用范围，掌握应变片的构造、粘贴、检查和引线的焊接等工艺。

2、掌握静态电阻应变仪的使用方法，标定和常见的故障排除。 3、掌握静态电阻应变仪的半桥、全桥等接桥方式，验证电桥的桥路特性。测取不同的接桥方式的桥臂灵敏系数。

4、学习电测位移计的使用方法。 二、课前预习要求： 1、预习教材的下列章节 3.3.1应变量测仪器 2、思考下列问题

（1）电阻的变化如何模拟应变？

（2）在结构试验中，常用到的物理量，通过什么方式可以转换电量。

（3）应变仪常用惠斯顿电桥方式测电阻变化率，有什么好处，目前使用别的方式是否可以？

（4）掌握静态电阻应变仪的读数仪与和桥臂应变片的应变值1

有什么关系，温度补偿的作用及原理是什么？

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三、实验内容：

l、通过观察认识下列各种类型传感器的外貌，了解其构造、工作原理、使用方法和适用范围。各种型式的应变片，电测位移计，YI-ID型位移计及电子引伸仪。DC—10型水准倾角传感器。BLK、BHK型传感器。

2、熟悉YJ-5型电子应变仪的操作和使用方法。

3、用电测位移计和应变仪，测在荷载作用下等强度梁端挠度和被测截面的应变。

4、重测各种接桥方式原桥臂系数。 四、实验原理和方法：

电阻应变仪电桥输出u与各挢臀应变片指示应变有下列关系： uuk(1234)

式中：1、2、3、4分别为各桥臂应变片的指示应变。K是应变片的灵敏系数，U为电桥电压。

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纵向正反面各两片应变片Rl、R2、R3、R4。横向正反面各应变中R5、R6、横为补偿片R7、R8，图2-l等强度应变片布置图：

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半桥接桥法如图2-2．图①~④，全桥法如图2．2的⑤~⑧

图2-2应变片和各种桥接法

五、实验步骤：

1、用YBD-10电测位移计测量梁端挠度时，必须选和位移计的要求用半桥或全桥接桥方式与应变片联接。同时要记录位移计的换算灵敏系数，以便将实测应变量换算成挠度值。

2、分别按图2—2所示各种接法接成桥路先将应变仪调零，加砝码3公斤，测量指示应变ε仪，进行记录。加卸载共三次，进行数据处理检查ε仪与应变值的倍数。

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表2—1 半桥测量结果 K仪=2.17 K片=2.1 7 荷载 接法 Kg 次数 1 2 3 平均应数 桥臂系数

表2—2 全桥测量结果 K仪= K片= 荷载 接法 Kg 次数 1 2 3 平均应数 桥臂系数

2、配预调平衡箱进行多点测量

将等强度梁上所贴的六个应变测点分两组分别接到预调平衡箱上做半桥测量。两组分别用温度补偿块上的两个补偿上R7、R8、补偿温度影响，仪器调整平台后，加载3公斤，读数各点应变数值记录

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① 3 ② 3 ③ 3 ④ 3 ⑤ 3 ⑥ 3 ⑦ 3 ⑧ 3

在表2—3中。

表2-3 配预调整平衡箱作多点测量各测点应变值 K仪= K片= 荷载接法(kg) 1 2 3 4 5 6 7 次数 1 2 3 平均值

实验三、四 结构静载试验—钢桁架机测、电测(综合) 一、试验目的：

1、进一步认识结构静载试验用的各种仪器设备，了解它们的构造性能，安装和使用方法．通过综合训练，掌握结构静载试验的方法。

2、熟悉结构试验的全过程，学习试验方法和理论计算及试验结果的分析整理。(参考结构力学及材料力学教材) 二、预习要求： 预习教材下列章节一 3.3 、 3.4 三、实验内容：

1、通过观察使用认识下列各种仪器的外貌，了解它们的构造，并结合钢桁架的试验过程熟悉其工作原理，使用方法并学习钢桁架的

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理论计算和试验结果进行比较，注意有如下事项。

(1)采用重物加载方法

(2) 静态电阻应变仪的使用和量测方法 (3)用各种机械、电测仪表，测量挠度、应力 (4)杠杆应变仪的使用及计算方法 (5)水淮式倾角仪的使用及计算方法

2、用非破坏性静力的加载方法试验跨度为了6.25×0.63米的钢桁架。测定桁架各杆件内力。桁架挠度及上弦杆的角变位，并与理论计算进行比较。

3、了解位移和转角的自动测试系统的组成，即由电测位移传感器与电测倾角仪通过放大器接X-Y函数记录仪，记录荷载—挠度，荷载—倾角曲线，与理论计算进行比较。

4、试验荷载及测点的位置见图3—1

图中：干为电测倾角仪 φ为百分表或电测传感器 s为电阻应变片

图3-l钢桁架挠度转角杆件内力测点布置图 四、实验步骤：

1、桁架就位固定于刚性支位上，并在上弦的中间节装支撑拉杆，

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防止试验中桁架出现平面外总体或局部失稳。

2、按图3-l安装各种仪器仪表。

3、对桁架进行预载试验。加载600kg，练习各种仪表的测读数，并检查各种仪表工作是否正常。然后卸载。

4、在预载试验中，如发现仪表安装及读数有问题，必须作相应调整。

5、熟悉各种仪表记录用的表格与记录方法并将所有仪表原初读数记录在表格中，正式开始试验。

6、利用液压装置或重力加载装置，每次加载300kg，共为5级1500kg，每级荷载加载后3分钟进行仪表测读。

7、满载后分两次卸载(1200.0)并相应记录读数理论计算。

图3-2试验桁架示意图

其中fH

961.88P------------------H点挠度 AE961.88P fH------------------C点挠度

AE5.903180QAF=---------------AF杆转角 AE式中A—实测杆件的截面面积 E—实测杆件材料的弹性模量。 六、实验结果的整理

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l、桁下弦节点挠度整理与分析

①绘制各级荷载作用下桁架下弦杆C、K的实测与理论挠度曲线。 (考虑支座刚性位移的修正) ②绘制下弦节点C、H实测与理论的荷载挠度曲线

③比较桁架在满载时下弦各节点的实测与理论挠度值(表3-1)

测点编号 理论值fmm 实测位f1mm f1／f

φ1 13

φ2 φ3

2、桁架弦杆的转角分析

①绘制上弦杆AF的荷载一转角曲线(理论值与实测值)

②比较上弦杆AF在各及荷载作用下转角的测量值与理论值。

荷载（kg） 理论值θsee 实测值θTsee θT/θ 400 800 1200 1600 2000 3、桁架杆件的内力分析

①绘制桁架杆件FM、MK及AC在满载时的荷载—应变曲线。

②比较桁架各杆件在各级荷载作用下力的实测值与理论值

P 荷载

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七、分析讨论

①根据实测结果整理分析，对桁架在受载后的实际工作情况作出结论。

②试分析理论与实测值间差产生的原因，并讨论。

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桁架各杆件在各级荷载下的内力的实验值与理论值

杆件 内力 荷载 最大荷载时 实测／理论 注：T-杠杆应变仪测读数结果 S-电阻应仪测结果

理论 T g AF 实测 理论 T g EH 实测 理论 T g AC 实测 理 论 T g FC 实测 理论 T g MC 实测 理论 T g CK 实测

钢桁架试验实测记录与整理表 附表3-1

实验内容 仪器型号 测点编号 时荷载 间 kg 电阻应变仪实测应变 应变仪灵敏系数K仪__ 传感器灵敏系数K传__ 1 读数 2 读数 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 读读读读读读读读读读数 数 数 数 数 数 数 数 数 数 备注 0 试验日期： 年 月 日记录： 测读：

钢桁架试验实测记录与整理表 附表3-2 实验内容 仪器型号 测点编号 时间 荷载 kg 电阻应变仪实测应变 应变仪灵敏系数K仪__ 传感器灵敏系数K传__ 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 读读读读读读读读读读读读数 数 数 数 数 数 数 数 数 数 数 数 备注

0 试验日期： 年 月 日记录： 测读： 18

钢桁架试验实测记录与整理表 附表3-3 实验内容 仪器型号 测点编号 时间 荷载 kg 电阻应变仪实测应变 应变仪灵敏系数K仪__ 传感器灵敏系数K传__ 25 26 27 28 28 30 31 32 读读数 数 读读读读读读读读读读数 数 数 数 数 数 数 数 数 数 备注

0 试验日期： 年 月 日记录： 测读： 19

钢桁架试验实测记录与整理表 附表3-4

实验内容 仪器型号 测点编号 时间 荷载 kg 实测应变 百分表实测位移 倾角仪实测转角 杠杆应变仪 斜杆 下弦1 杆 读数 读数 读 数 百分表 倾角仪 2 读数 3 读数 4 读数 5 读数 东 读数 中 西 读读数 数 备注 0 试验日期： 年 月 日记录： 测读： 20

结构静载试验—空间钢桁架机测、电测(综合、开放) 一、试验目的：

1、进一步认识结构静载试验用的各种仪器设备，了解它们的构造性能，安装和使用方法．通过综合训练，掌握结构静载试验的方法。

2、掌握空间桁架结构试验的全过程，学习试验方法和理论计算及试验结果的分析整理。(参考结构力学及材料力学教材) 二、预习要求： 预习教材下列章节一 3.3 、 3.4 三、实验内容：

1、通过观察使用认识下列各种仪器的外貌，了解它们的构造，并结合钢桁架的试验过程熟悉其工作原理，使用方法并学习钢桁架的理论计算和试验结果进行比较，注意有如下事项。

(1)采用机械千斤顶加载方法

(2) 静态电阻应变仪的使用和量测方法

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(3)用各种机械、电测仪表，测量挠度、应力 (4)杠杆应变仪的使用及计算方法

2、用非破坏性静力的加载方法试验计算跨度为5.85米、计算高度为0.563米的钢桁架。测定桁架各杆件应变，桁架节点挠度，并与理论计算进行比较。

3、试验荷载及测点的位置见下图8—1

图中：数字1~24为测试应变的杆件编号、 小括号内①~④为测试挠度的节点编号

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图8-l钢桁架挠度转角杆件内力测点布置图 四、实验步骤：

1、桁架就位并简支于刚性底座上。 2、按图8-l安装各种仪器仪表。

3、对桁架进行预载试验。加载300kg，练习各种仪表的测读数，并检查各种仪表工作是否正常。然后卸载。

4、在预载试验中，如发现仪表安装及读数有问题，必须作相应调整。

5、熟悉各种仪表记录用的表格与记录方法并将所有仪表原初读数记录在表格中，正式开始试验。

6、利用机械千斤顶加载装置，每次加载150kg，共为5级750kg，每级荷载加载后3分钟进行仪表测读。

7、满载后相反于加载次序分5级卸载并相应记录读数理论计算。

五、实验结果的整理

l、①~④号下弦节点挠度整理与分析

①、比较桁架在满载时下弦①~④节点的实测与理论挠

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度值(表8-1)

下弦节点编号 理论值fmm 实测位f1mm f1／f φ1 φ2 φ3 φ4 表8-1

②、选取①~④节点之一，绘制各级荷载作用下的实测与理论的荷载—挠度曲线。 (考虑支座刚性位移的修正)

挠度

荷载

3、桁架杆件的应变分析

①绘制桁架-----------号杆件的荷载—应变曲线。

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应变

荷载

七、分析讨论

①根据实测结果整理分析，对桁架在受载后的实际工作情况作出结论。

②试分析理论与实测值间差产生的原因，并讨论。

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空间桁架杆件应变数据记录表

实验时间 荷载（KN） 应 变 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 理论 实验 理论 实验 理论 实验 理论 实验 理论 实验 卸载后 - 26

实验五：单自由度系统模型参数的测试 1．实验目的

1、学习建立单自由度系统模型；

2、学会用共振法测定单自由度系统模型的固有频率f0、刚度k；

3、学习简支梁等效质量的计算与测试。 2．实验仪器及安装示意图

实验仪器：INVl601B型振动教学实验仪、INVl601T型振动教学实验台、加速度传感器、接触式激振器、配重块。软件：INV1601型DASP软件。

3．实验原理

单自由度线性系统是最简单的振动系统，又是最基本的振动系统，这种系统在振动分析中的重要性，一方面在

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于很多实际问题都可简化为单自由度线性系统来处理，从而可直接利用对这种系统的研究成果来解决问题；另一方面在于单自由度系统具有一般振动系统的一些基本特性，实际上，它是多自由度系统、连续系统、甚至非线性系统进行振动分析的基础。

任何一个实际的振动系统都是无限复杂的，为了能对之进行分析，一定要加以简化，并在简化的基础上建立合适的力学模型。在简化的模型中，振动体的位置或形状只需要用一个独立的坐标来描述的系统称为单自由度系统。

振动系统的力学模型是由三种理想化元件组成的，它们是：质量块、阻尼器和弹簧。

1、通过静变形法测量单自由度系统的固有频率 INVl601T型实验台上的简支梁是一无限多自由度的梁，梁中部的电机及配重看作质量块，使系统简化为单自由度系统。梁相当于一根弹簧，则系统可简化为一个单自由度无阻尼系统，力学模型如图所示：

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在质量块的重力mg作用下，简支梁受到拉伸或压缩，其静变形δst，与重力mg间的关系为 kδst=mg 则k=

mgst

12k，将上式代入则有m 根据固有频率的定义，ff

12gst 由结构力学知梁中点的静变形为 stmgL3/48EI 则系统固有频率为 f1248EI 3mL48EIL3 简支梁中点处的刚度为 k 2、简支梁等效质量的计算

对于中部附有集中质量块m的简支梁系统，若梁的均布质量为m0，线密度为ρ=m0/L，假定梁在自由振动时的动挠度曲线与简支梁中间有集中载荷mg作用下的静挠度曲线一样。由材料力学在距离端点为l处的梁截面的静挠度

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曲线为：

3L2l4l3 xlst

L3 式中，st为梁中点的静挠度，其值为stmgL3/48EJ， 动挠度曲线方程可以认为与上式相似：

3L2l4l3 xl(t)x(t)

L3 其中，x(t)为中点处的振动位移，振动为简谐振动即有： xmax=X， xmax =Xωn。

对于距端点l处长度为dl的微段梁，质量为pdl，由曲

3L2l4l3线方程可知其速度为x1(t)x(t)， 3L 所以整段梁的动能为：

12x22 xldl62Ll/201171171(3L2l4l3)2dlLx2m0x2mx22352352

均布质量梁的质量m0折合到梁中部的等效集中质量

m171m0m0 352

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根据所测得频率，可计算出等效刚度 k42f2m

4．实验步骤

1、参考示意图连接好仪器和传感器(安装注意事项可以参考前面实验)。

2、开机进入INVl601型DASP软件的主界面，选择单通道按钮。进入单通道示波状态进行波形和频谱同时示波。

3、调节INVl60lB型实验仪的频率和功率放大器旋钮，使梁产生共振，用加速度传感器测量简支梁的振动。

4、在采样参数设置菜单下设置采样频率为2000Hz，程控倍数1倍。

5、选择“虚拟仪器库”中的“高精度频率计”，并读取频率值。

6、 更换配重块数量，分别测量没有配重块、加一块配重(1 kg)、加两块配重(2 kg)时的频率。 5．实验结果和分析

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1、共振法测量 配重情况 不加配重 加一块配重(1kg) 测试的频率(Hz) 加两块配重(2kg) f2= f0= f1= 2、简支梁等效质量m(梁的均布质量折合到梁的中部的质量)和等效刚度k的计算梁的质量m0= kg

1kf02m把测得和数据带入方程联立解得： kf122m2kgm kN/m折合到梁中部的集中等效质量与梁质量的比值：理论计算值与测量值

理论计算值 实测值

梁固有频率f0 (Hz) m= m0梁的等刚度k(N/m) 32

实验六：测试附加质量对系统频率的影响 1．实验目的

1、学习结构频率的测试：

2、测试附加质量对结构频率的影响。 2．实验仪器及安装示意图

实验仪器：INVl601B型振动教学实验仪、INVl601T型振动教学实验台、速度传感器、接触式激振器、电涡流传感器。软件：INVl601型DASP软件。

3．实验原理

简支梁是一个无限多自由度的均布质量系统，可以简化为弹簧和质量的单自由度系统。梁的均布质量m0可以折合成等效集中质量m，在单自由度系统模型参数测试实验中，已经计算和测出了梁的等效质量和等效刚度：

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m17m0 35 系统的固有频率计算公式： f12k mm' 系统的固有频率与集中质量的平方根成反比，本实验通过在梁的中部附加集中质量块m，改变系统固有频率，可以绘制出频率与质量的变化曲线。

4．实验步骤

l、为了不对系统增加附加质量，采用了非接触式的电涡流传感器，电涡流传感器接配套有前置放大器后接入INVl60lB型实验仪。电涡流传感器探头部分距离测试表面

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约2mm，参考示意图连接好仪器和传感器。

2、开机进入INVl60l型DASP软件的主界面，选择单通道按钮。进入单通道示波状态进行波形和频谱同时示波，如果没有信号或信号很微弱，可以通过改变电涡流传感器探头距测试表面的距离来进行调节。

3、调节INVl60lB型实验仪的频率旋钮，使系统发生共振。

4、从频率计中读取频率值。

5、分别用加速度、速度传感器和增加配重测量各种情况下系统的频率。 5．实验结果和分析 1、记录测试数据

配重情况 不加配重 速度传感器 测(135g) 理论计算频 率(Hz) 测试的频率 (Hz)

加一块配重 (1kg) 加两块配重 (2 kg) 加两块半配 重(2.5 kg) f0= f2= f3= f4= f5= 2、绘制出频率与质量的变化曲线

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实验七：附加质量分布对系统频率的影响

1．实验目的

1、理解系统质量分布变化对系统频率影响的原理； 2、测试质量分布对结构频率的影响。 2．实验仪器及安装示意图

实验仪器：INVl601B型振动教学实验仪、INVl601T型振动教学实验台、速度传感器、接触式激振器、调速电机及调压器。软件：INVl60l型DASP软件。

图l 附加质量分布对系统频率的影响实验的仪器组成及连接示意图

3．实验原理

简支梁集中荷载在任意位置时，梁的刚度计算为：

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K3EIL 22l1l2 对于由简支梁和集中质量组成的单自由度系统，由于质量分布不同，刚度发生变化，系统的频率也随之变化，集中质量在中间位置时，对系统的频率最低，随着位置不同，其频率变化曲线如图3所示：

图中所示曲线分别是在简支梁上加1.2kg和2.2kg集中质量所测得的曲线，由图可知，相同附加质量在不同位置对系统固有频率的影响，而在同一位置处，随着集中荷载的的增加，系统的频率也相应降低。

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当l1时， K

L2L

当l1时，

3L

当l1时，

448EI； L3243EI； K34L256EI； K3L34．实验步骤

l、参考示意图连接好仪器和传感器。

2、开机进入INVl601型DASP软件的主界面，选择单通道按钮。进入单通道示波状态进行波形和频谱同时示波。(可参照实验6测频率)

3、用速度传感器测量简支梁的振动，经INVl601B型实验仪放大后，接入采集仪进行示波。

4、采样频率可以通过“自动SF装置”设置或手动设置，如：512Hz。(测试中，如果更关心频域参数，如系统频率，采样参数在满足采样定理的前提下，可以以较低的采样频率进行采样，这样可以提高频率分辨率f SF／N。如果更关心时域指标，采样频率可以设置得高一些)。

5、从频率计中读取频率值。

6、分别测量各种配重情况下系统的频率。

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5．实验结果和分析

配重情况 测试的频率(Hz) 1/2处 l/3处 l/4处 39

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