一种重力式稳定触发锤击的模态试验装置和方法与流程

1.本发明涉及的是一种重力式稳定触发锤击的模态试验装置和方法，具体涉及一种用于建筑行业结构设计和结构健康监测的重力式稳定触发锤击的模态试验装置和试验方法，属于振动模态试验测量装置技术领域。


背景技术：

2.模态试验是指测量系统的固有频率、阻尼比、振型和模态质量等的试验。模态试验中通过对给定激励的系统进行测量，得到响应信号，再应用模态参数辨识方法得到系统的模态参数。
3.模态试验通常采用锤击法，锤击法通常通过力锤敲击被测物体表面产生激励，快速、方便，适合于现场测量。现有技术中通常采用人工手动握锤锤击，或通过机电装置控制力锤锤击。
4.人工手动握锤锤击对于测试人员有较高的经验要求，在力锤激发的环节中，经验不足者难以掌握每次锤击的力度，且无法保证力锤与锤击面的垂直，往往无法在数次锤击内得到理想的结果，大大增加了试验的时间，且试验可重复性差，误差大。
5.采用机电装置实现锤击，如cn203519438u、cn110243938a、cn 218066956u、cn104155076a等，成本高昂且依赖电力，要求测试环境能够接电，测试环境适用性差，且机电装置易发生故障，使用寿命短。


技术实现要素：

6.本发明提出的是一种重力式稳定触发锤击的模态试验装置和方法，其目的旨在克服现有技术存在的上述不足，在保证试验准确性的前提下简化操作，且无需机电装置，延长使用寿命。
7.本发明的技术解决方案：一种重力式稳定触发锤击的模态试验装置，其结构包括竖直的螺纹杆，螺纹杆底端与传感器顶部的顶螺纹孔螺纹连接，传感器底部的底螺纹孔与锤头顶部的小螺杆螺纹连接，传感器顶部信号线连接口外接信号线，传感器通过信号线信号连接数据采集器，可输出力数据，传感器上方的螺纹杆上焊接有定位板，定位板上方螺纹杆套有若干块配重块，配重块的大小和数目均可变，以实现不同的冲击力大小，最顶部的配重块顶面的螺纹杆上固定有固定螺帽，位于主支架顶端的悬臂板一端部设有蝴蝶夹，蝴蝶夹夹持螺纹杆上部，主支架底部设有中空的底座，锤头位于底座上方且对准底座中心，与底座中心对准的螺纹杆及锤头保证锤击的位置位于底座的中心，底座顶部螺纹杆一侧设有刻度板，刻度板上刻有刻度及高度数值，可方便读出锤头底部对应高度，底座顶部设有中空的防连击机构，锤头外径小于防连击机构内径，定位板外径大于防连击机构内径，定位板底部到锤头底部的距离与防连击机构上表面至底座内底部的距离相等，保证锤头与地面接触时正好触发防连击机构。
8.优选的，所述的防连击机构包括底座顶部边缘的铰支座，位移放大杆转动连接铰
支座且靠近底座的一端连接限位环，位移放大杆另一端连接转向绳一端，转向绳经过数个安装在固定于主支架下部的固定板上的定滑轮且另一端连接插销一端，插销插设在阻挡环侧面的插销口内，阻挡环焊接在固定板一侧的主支架上，阻挡环与插销口相对的内侧通过控制铰转动连接控制条一端，控制条另一端支撑在插销另一端上，转向绳中部连接控制绳一端，控制绳另一端固定在弹簧底板底面上，弹簧底板支撑在控制条上，弹簧底板顶面连接压缩弹簧底端，压缩弹簧顶端固定在上挡板底面上，上挡板固定在主支架上，弹簧底板与压缩弹簧直径小于阻挡环内径。锤头与地面接触时，限位环产生向下的位移，该位移通过铰支座和位移放大杆成倍放大，带动转向绳拔出插销，随后控制条下落压缩弹簧弹性势能被释放，弹簧底板向下位移带动控制绳，控制绳反向带动限位环向上位移，将锤头带离地面，防止了二次连击。
9.一种重力式稳定触发锤击的模态试验装置的试验方法，包括：在测试工作前，连接好传感器的信号线，将传感器与螺纹杆拧紧，将锤头与传感器拧紧，根据测试所需冲击力大小选取适当质量的配重块，通过固定螺帽安装在螺纹杆的定位板上，再将螺纹杆通过蝴蝶夹夹持在悬臂板的端部，同时记录锤头底部对应的刻度板上的刻度位置；测试时，松开蝴蝶夹，锤头在重力的作用下自由下落，到达底座底部时发生锤击，同时防连击机构触发将锤头带离地面避免二次连击。原理是定位板触碰到限位环，带动限位环产生向下的位移，该位移通过位移放大杆产生数倍的向上的位移，通过定滑轮和转向绳又将向上的位移转化为水平方向上的位移，导致转向绳带动插销拔出；插销拔出的瞬间控制条向下发生转动，同时压缩弹簧的弹性势能被释放，带动弹簧底板产生向下的位移，随后控制绳绷紧，反向控制转向绳通过位移放大杆带动限位环产生向上位移，带动锤头脱离地面，从而实现防连击，该传力过程瞬间完成。
10.本发明的优点：1）可保证锤头与被锤击面的垂直，通过使锤头以自由落体锤击的方式实现；2）可避免二次连击，通过采用限位片和限位条结构实现；3）实现了锤击力的可调节，通过可替换的不同配重块实现；4）实现了锤击力的稳定输出，通过直观保证每次锤击锤头底部均位于刻度板的同一高度实现。
附图说明
11.图1是本发明重力式稳定触发锤击的模态试验装置的试验方法流程图。
12.图2是本发明重力式稳定触发锤击的模态试验装置的结构示意图。
13.图3是图2中防连击机构的结构示意图。
14.图4是图3中压缩弹簧底部细节的仰视示意图。
15.图5是图3中插销的细节示意图。
16.图6是图2中锤头的结构示意图。
17.图7是图2中传感器的透视结构示意图。
18.图中的1是螺纹杆、2是配重块、3是蝴蝶夹、4是固定螺帽、5是传感器、6是信号线、7是锤头、8是刻度板、9是底座、10是悬臂板、11是定位板、12是防连击机构、13是限位环、14是
铰支座、15是位移放大杆、16是转向绳、17是定滑轮、18是固定板、19是控制绳、20是插销、21是阻挡环、22是上挡板、23是压缩弹簧、24是弹簧底板、25是控制条、26是控制铰、27是插销口、28是信号线连接口、29是顶螺纹孔、30是底螺纹孔。
具体实施方式
19.下面结合实施例和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
20.如图2所示，一种重力式稳定触发锤击的模态试验装置，其结构包括竖直的螺纹杆1，螺纹杆1底端与传感器5顶部的顶螺纹孔29螺纹连接，传感器5底部的底螺纹孔30与锤头7顶部的小螺杆螺纹连接，传感器5顶部信号线连接口28外接信号线6，传感器5上方的螺纹杆1上焊接有定位板11，定位板11上方螺纹杆1套有若干块配重块2，最顶部的配重块2顶面的螺纹杆1上固定有固定螺帽4，位于主支架顶端的悬臂板10一端部设有蝴蝶夹3，蝴蝶夹3夹持螺纹杆1上部，主支架底部设有中空的底座9，锤头7位于底座9上方且对准底座9中心，底座9顶部螺纹杆1一侧设有刻度板8，底座9顶部设有中空的防连击机构12。
21.锤头7外径应小于防连击机构12内径，定位板11外径应大于防连击机构12内径。
22.配重块2通过固定螺帽4固定在定位板11上，配重块2的大小和数目均可变，以实现不同的冲击力大小。与底座9中心对准的螺纹杆1及锤头7保证锤击的位置位于底座9的中心。定位板11底部到锤头7底部的距离与防连击机构12上表面至底座9内底部的距离相等，保证锤头7与地面接触时正好触发防连击机构12。
23.锤头7如图6所示，锤头7可更换，可因实验条件的不同选择软硬程度不同的金属锤头、pvc（聚氯乙烯）锤头或橡胶锤头等，以控制锤击的频响范围。
24.如图7所示，传感器5的上下表面中心分别设置的顶螺纹孔29和底螺纹孔30，顶螺纹孔29和底螺纹孔30孔径分别与螺纹杆1直径及锤头7小螺杆直径相同，通过拧紧螺杆，可将传感器5、螺纹杆1和锤头7连接形成一整体；传感器5上表面设置的信号线连接口28，可接入信号线6与外设数据采集器相连以输出力数据。
25.悬臂板10的末端在竖直方向上应与底座9大圆环的中心对齐，保证锤击点的精确性。
26.配重块2具体是中心带螺纹孔的圆环形，圆环的孔径与螺纹杆1的直径一致，圆环的外径可变，可形成大小质量不同的几种配重块，配重块2上可标有其自身的质量，配重块2的数目可随所需锤击力大小的变化而增减。
27.刻度板8上刻有刻度及高度数值，可方便读出锤头7底部对应高度。
28.防连击机构12包括底座9顶部边缘的铰支座14，位移放大杆15转动连接铰支座14且靠近底座9的一端连接限位环13，位移放大杆15另一端连接转向绳16一端，转向绳16经过数个安装在固定于主支架下部的固定板18上的定滑轮17且另一端连接插销20一端，插销20插设在阻挡环21侧面的插销口27内，阻挡环21焊接在固定板18一侧的主支架上，阻挡环21与插销口27相对的内侧通过控制铰26转动连接控制条25一端，控制条25另一端支撑在插销20另一端上，转向绳16中部连接控制绳19一端，控制绳19另一端固定在弹簧底板24底面上，弹簧底板24支撑在控制条25上，弹簧底板24顶面连接压缩弹簧23底端，压缩弹簧23顶端固定在上挡板22底面上，上挡板22固定在主支架上。
29.锤头7与地面接触时，限位环13产生向下的位移，该位移通过铰支座14和位移放大
杆15成倍放大，带动转向绳16拔出插销20，随后控制条25下落压缩弹簧23弹性势能被释放，弹簧底板24向下位移带动控制绳19，控制绳19反向带动限位环13向上位移，将锤头7带离地面，防止了二次连击。
30.安装时应保证弹簧底板24与压缩弹簧23直径小于阻挡环21内径。压缩弹簧在开始应处于压缩状态，储备一定的弹性势能。
31.控制条25优选采用硬度较高的铁或铝制成，插销20优选采用摩擦系数小的聚四氟乙烯制成，阻挡环21上的插销口27内壁优选贴有镜面不锈钢，保证插销20与插销口27摩擦力较小，受力时可轻易拔出。
32.控制绳19是转向绳16的一个分叉，控制绳19末端与弹簧底板24紧密相连，初始时处于不受力的松弛状态，当插销20拔出后迅速因压缩弹簧23的伸长而绷紧受力。
33.在测试工作前，连接好传感器5的信号线6，并将传感器5与螺纹杆1拧紧，将锤头7与传感器5拧紧，根据测试所需冲击力大小，选取适当质量的配重块2，通过固定螺帽4安装在螺纹杆1的定位板11上，再将螺纹杆1通过蝴蝶夹3夹持在悬臂板10的端部，同时记录锤头7底部对应的刻度板8上的刻度位置。
34.测试时，松开蝴蝶夹3，锤头7在重力的作用下自由下落，到达底座9底部时发生锤击，同时防连击机构12触发，将锤头7带离地面避免二次连击，具体是定位板11触碰到限位环13，带动限位环13产生向下的位移，该位移通过位移放大杆15产生数倍的向上的位移，通过定滑轮17和转向绳16又将向上的位移转化为水平方向上的位移，导致转向绳16带动插销20拔出；插销20拔出的瞬间控制条25向下发生转动，同时压缩弹簧23的弹性势能被释放，带动弹簧底板24产生向下的位移，随后控制绳19绷紧，反向控制转向绳16通过位移放大杆15带动限位环产生向上位移，带动锤头7脱离地面，从而实现防连击，该传力过程是瞬间完成的。
35.以上所述各部件均为现有技术，本领域技术人员可使用任意可实现其对应功能的型号和现有设计。
36.以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种重力式稳定触发锤击的模态试验装置，其特征在于，包括竖直的螺纹杆（1），螺纹杆（1）底端与传感器（5）顶部的顶螺纹孔（29）螺纹连接，传感器（5）底部的底螺纹孔（30）与锤头7顶部的小螺杆螺纹连接，传感器（5）顶部信号线连接口（28）外接信号线（6），传感器（5）通过信号线（6）信号连接数据采集器，传感器（5）上方的螺纹杆（1）上焊接有定位板（11），定位板（11）上方螺纹杆（1）套有若干块配重块（2），最顶部的配重块（2）顶面的螺纹杆（1）上固定有固定螺帽（4），位于主支架顶端的悬臂板（10）一端部设有蝴蝶夹（3），蝴蝶夹（3）夹持螺纹杆（1）上部，主支架底部设有中空的底座（9），锤头（7）位于底座（9）上方且对准底座（9）中心，底座（9）顶部螺纹杆（1）一侧设有刻度板（8），底座（9）顶部设有中空的防连击机构（12），锤头（7）外径小于防连击机构（12）内径，定位板（11）外径大于防连击机构（12）内径，定位板（11）底部到锤头（7）底部的距离与防连击机构（12）上表面至底座（9）内底部的距离相等。2.如权利要求1所述的一种重力式稳定触发锤击的模态试验装置，其特征在于，所述的防连击机构（12）包括底座（9）顶部边缘的铰支座（14），位移放大杆（15）转动连接铰支座（14）且靠近底座（9）的一端连接限位环（13），位移放大杆（15）另一端连接转向绳（16）一端，转向绳（16）经过数个安装在固定于主支架下部的固定板（18）上的定滑轮（17）且另一端连接插销（20）一端，插销（20）插设在阻挡环（21）侧面的插销口（27）内，阻挡环（21）焊接在固定板（18）一侧的主支架上，阻挡环（21）与插销口（27）相对的内侧通过控制铰（26）转动连接控制条（25）一端，控制条（25）另一端支撑在插销（20）另一端上，转向绳（16）中部连接控制绳（19）一端，控制绳（19）另一端固定在弹簧底板（24）底面上，弹簧底板（24）支撑在控制条（25）上，弹簧底板（24）顶面连接压缩弹簧（23）底端，压缩弹簧（23）顶端固定在上挡板（22）底面上，上挡板（22）固定在主支架上，弹簧底板（24）与压缩弹簧（23）直径小于阻挡环（21）内径。3.如权利要求1或2所述的一种重力式稳定触发锤击的模态试验装置的试验方法，其特征在于，包括：在测试工作前，连接好传感器（5）的信号线（6），将传感器（5）与螺纹杆（1）拧紧，将锤头（7）与传感器（5）拧紧，根据测试所需冲击力大小选取适当质量的配重块（2），通过固定螺帽（4）安装在螺纹杆（1）的定位板（11）上，再将螺纹杆（1）通过蝴蝶夹（3）夹持在悬臂板（10）的端部，同时记录锤头（7）底部对应的刻度板（8）上的刻度位置；测试时，松开蝴蝶夹（3），锤头（7）在重力的作用下自由下落，到达底座（9）底部时发生锤击，同时防连击机构（12）触发将锤头（7）带离地面避免二次连击。

技术总结
本发明是重力式稳定触发锤击的模态试验装置和方法，其结构包括竖直的螺纹杆，螺纹杆连接传感器，传感器连接锤头，传感器通过信号线信号连接数据采集器，传感器上方螺纹杆上有定位板，定位板上方螺纹杆套有可调配重块实现不同冲击力，主支架顶端的悬臂板一端设蝴蝶夹夹持螺纹杆，主支架底部设有中空的底座，锤头位于底座上方对准底座中心，保证锤击位置位于底座中心，底座顶部螺纹杆一侧设有刻度板，可方便读出锤头底部对应高度，底座顶部设有中空防连击机构，定位板底部到锤头底部距离与防连击机构上表面至底座内底部距离相等，保证锤头与地面接触时正好触发防连击机构。本装置在保证试验准确性的前提下简化操作，且无需机电装置，延长使用寿命。延长使用寿命。延长使用寿命。


技术研发人员：董连东 温金鑫 拜立岗 张啟乐 吴建华 杨登禄
受保护的技术使用者：中国电子系统工程第二建设有限公司
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/23