專利名稱：一種輸電線路高塔結(jié)構(gòu)振動測試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于輸電線路鐵塔結(jié)構(gòu)力學(xué)性能測試中的振動測試領(lǐng)域，具體涉及一種輸電線 路高塔結(jié)構(gòu)振動測試方法。
背景技術(shù)：
輸電線路高塔結(jié)構(gòu)的振動狀態(tài)與外界干擾特性和結(jié)構(gòu)本身的動力特性有關(guān)，結(jié)構(gòu)的動 力特性一般是指結(jié)構(gòu)的振動頻率、振型及阻尼比，該參數(shù)只與結(jié)構(gòu)自身的材料特性、剛度、 重量、約束等有關(guān)，與外界載荷無關(guān)。雖然結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型可以通過理論計(jì)算求得， 但通過測試得到的動力特性仍然具有重要的意義。通過輸電線路高塔結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)測試及 模態(tài)分析，可以起到驗(yàn)證理論計(jì)算、給出簡單易用的計(jì)算結(jié)構(gòu)頻率的經(jīng)驗(yàn)公式、為輸電線 路高塔結(jié)構(gòu)的安全性評估及損傷識別積累基本技術(shù)資料、得到結(jié)構(gòu)的阻尼比、尋找減小振 動的途徑的作用。
傳統(tǒng)的振動響應(yīng)測試方法不適宜應(yīng)用到輸電線路高塔結(jié)構(gòu)，主要存在信號傳輸和激勵 方式兩方面的問題。在信號傳輸方面采用傳統(tǒng)的信號采集和傳輸方式，電源無法保障、 測試方案操作難度大，且由于信號線過長導(dǎo)致信號衰減；在激勵方式方面輸電線路高塔 結(jié)構(gòu)重量大，傳統(tǒng)錘擊法的能量不足以激勵鐵塔，而采用人工激勵顯然是不現(xiàn)實(shí)的，其效 果也不令人滿意。為保證輸電線路高塔結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要采用新的信 號傳輸和激勵方式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種采用無線方式傳輸振動信號、風(fēng)荷載作為外部環(huán)境激勵，對輸電線 路高塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動響應(yīng)測試的測試方法。本發(fā)明相對采用有線傳輸和錘擊法激勵的傳統(tǒng) 振動響應(yīng)測試手段來說，具有操作和分析更為簡便易行、精度更高的特點(diǎn)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過氣象環(huán)境監(jiān)測裝置確定環(huán)境激勵的相關(guān)環(huán)境參數(shù)，選用 加速度傳感器來測試鐵塔的振動響應(yīng)，應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸輸電線路高塔結(jié)構(gòu)振動響 應(yīng)測試數(shù)據(jù)，最后通過監(jiān)測系統(tǒng)后端處理確定輸電線路高塔結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。為此，本發(fā)明提供了一種輸電線路高塔結(jié)構(gòu)振動測試方法，其特征在于包括以下步驟:
(1) 建立振動測試模型
在進(jìn)行振動測試之前，建立輸電線路高塔結(jié)構(gòu)的有限元模型，對輸電線路高塔結(jié)構(gòu)進(jìn) 行初步動力特性分析，使測點(diǎn)沿輸電線路高塔結(jié)構(gòu)高度設(shè)置在振型模型曲線上位移較大的 部位；
(2) 測試方案設(shè)計(jì)
依據(jù)輸電線路高塔結(jié)構(gòu)振動測試模型的有限元模型分析結(jié)果，在輸電線路高塔結(jié)構(gòu)關(guān) 鍵部位設(shè)置測點(diǎn)，測點(diǎn)在平面上設(shè)置時(shí)，設(shè)置在主材或靠近主材的地方，各傳感器安裝時(shí) 保持安裝方向一致，并使測點(diǎn)遠(yuǎn)離振動干擾源；
(3) 振動信號采集 -使用加速度傳感器對所述輸電線路高塔進(jìn)行水平X向時(shí)域測試和豎直Y向時(shí)域測試，
在鐵塔振動測試中采用通用的網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖朔?wù)器和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)；
(4) 振動信號處理
使用加速度傳感器測量得到的輸電線路高塔結(jié)構(gòu)在不同位置不同高度處的振動加速 度數(shù)值后，通過后端服務(wù)器進(jìn)行輸電線路高塔結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別，包括對輸電線路高塔結(jié) 構(gòu)進(jìn)行頻率估計(jì)、振型估計(jì)和阻尼比估計(jì)，最后確定輸電線路高塔結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。
并且上述方法在信號采集過程中
(1) 要求傳感器具有很低的頻響特性以及較高的靈敏度；
(2) 要求振動信號經(jīng)過高放大倍數(shù)的低噪聲放大器再進(jìn)行傳輸；
(3) 對于高度超過200米的輸電線路高塔結(jié)構(gòu)，為了得到主材水平向彎曲和扭轉(zhuǎn)振 型，沿高度方向在主材上設(shè)置至少10個(gè)以上的測量點(diǎn)。
本發(fā)明還具有以下優(yōu)點(diǎn)本方法采用無線通信方式傳輸振動信號，將風(fēng)荷載等作為外 部環(huán)境激勵，對輸電線路高塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動響應(yīng)測試，相對采用有線傳輸和錘擊法激勵的 傳統(tǒng)振動響應(yīng)測試手段來說，具有操作和分析更為簡便易行、精度更高的特點(diǎn)。


圖1是使用本發(fā)明的測試裝置的輸電線路高塔結(jié)構(gòu)振動測試方法的流程圖； 圖2是依據(jù)本發(fā)明的輸電線路高塔結(jié)構(gòu)振動測試裝置的構(gòu)成示意圖； 圖3是依據(jù)本發(fā)明的輸電線路高塔結(jié)構(gòu)振動測試裝置的工作流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)一歩說明。 圖2示出了依據(jù)本發(fā)明的輸電線路高塔結(jié)構(gòu)振動測試裝置構(gòu)成示意圖，依據(jù)本發(fā)明的
方法的振動測試裝置應(yīng)滿足如下基本性能要求
(1) 加速度傳感器量程-0.5g~0.5g
(2) 傳感器分辨率O.OOlg
(3) 傳感器頻率范圍O.l-lOOHz
(4) 傳感器重量《1.0kg
(5) 無線傳輸距離〉〉200m
(6) 數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)無線正EE802.15.4
本輸電線路高塔振動測試方法的具體操作流程如圖1所示，主要包括以下歩驟
1. 建立振動測試模型
輸電線路高塔結(jié)構(gòu)動力特性測試的重點(diǎn)是結(jié)構(gòu)沿水平X向和Y向的自振頻率及振型。
為得到需要的振型，應(yīng)使測點(diǎn)沿結(jié)構(gòu)高度設(shè)置在振型曲線上位移較大的部位，要注意防止 將測點(diǎn)設(shè)置在振型曲線的"節(jié)"點(diǎn)處，即在某一振型上結(jié)構(gòu)振動時(shí)位移為"零"的不動點(diǎn)。 為此，在振動測試之前，建立輸電線路高塔結(jié)構(gòu)有限元模型，對輸電線路高塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行初 步動力特性分析，對可能產(chǎn)生的振動有大致了解。
2. 測試方案設(shè)計(jì)
依據(jù)輸電線路高塔結(jié)構(gòu)振動測試模型的有限元分析結(jié)果，在輸電線路高塔結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部 位設(shè)置測點(diǎn)。測點(diǎn)在平面上設(shè)置時(shí)，盡量設(shè)置在主材或靠近主材的地方，避免桿件局部振 動的干擾。各傳感器安裝時(shí)需保持方向一致。此外，測點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離振動干擾源。
3. 振動信號采集
針對輸電線路高塔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，選用加速度傳感器對鐵塔進(jìn)行水平X向時(shí)域測試和Y 向時(shí)域測試，在鐵塔振動測試中可采用無線射頻技術(shù)來傳輸數(shù)據(jù)，本發(fā)明專利應(yīng)用無線傳
感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在信號采集過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)
(1) 要求測量傳感器具有很低的頻響特性，例如低頻特性小于0.3Hz，以及較高的靈
敏度，例如lg對應(yīng)lV或更高；
(2) 振動信號必須經(jīng)過高放大倍數(shù)的低噪聲放大器，放大倍數(shù)需要幾千甚至1萬倍
以上；
(3) 使用高質(zhì)量的低通濾波器，其低通濾波截止頻率小于5Hz;(4)為了獲得比較可信的振型，要求有足夠的實(shí)測自由度。對于高度為200米左右 的輸電線路高塔結(jié)構(gòu)，為了得到主材水平向彎曲和扭轉(zhuǎn)振型，應(yīng)沿高度方向在主材上設(shè)置 IO個(gè)以上的測點(diǎn)，如果為了得到輔材的局部振型，則需更多的自由度測點(diǎn)。 4.振動信號處理
采用加速度傳感器通過無限網(wǎng)絡(luò)采集技術(shù)測量得到輸電線路高塔結(jié)構(gòu)不同位置不同 高度處的振動加速度值后，通過監(jiān)測系統(tǒng)后端進(jìn)行輸電線路高塔結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別，包括 對輸電線路高塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻率估計(jì)、振型估計(jì)和阻尼比估計(jì)等，最終確定輸電線路高塔結(jié) 構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。
圖3是依據(jù)本發(fā)明的輸電線路高塔結(jié)構(gòu)振動測試裝置的工作流程圖。首先啟動和初始 化監(jiān)測儀，在接收到外部的開始工作指令后，監(jiān)測儀進(jìn)行振動信號數(shù)據(jù)的采集并將數(shù)據(jù)儲 存在內(nèi)存，完成預(yù)先設(shè)定的采樣時(shí)間內(nèi)的采集任務(wù)后，監(jiān)測儀的傳感器關(guān)閉，將數(shù)據(jù)發(fā)送 至在線監(jiān)測基站?；驹偻ㄟ^無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸至終端的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)。
已經(jīng)根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例描述了本發(fā)明。顯然，在閱讀和理解了上述詳細(xì)說明書后能做
出多種修正和替換。本發(fā)明意欲的是本申請構(gòu)建成包括了落入附屬的權(quán)利要求書或其等同 物的范圍之內(nèi)的所有這些修正和替換。
權(quán)利要求
1、一種輸電線路高塔結(jié)構(gòu)振動測試方法，包括以下步驟(1)建立振動測試模型在進(jìn)行振動測試之前，建立輸電線路高塔結(jié)構(gòu)的有限元模型，對輸電線路高塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步動力特性分析，使測點(diǎn)沿輸電線路高塔結(jié)構(gòu)高度設(shè)置在振型模型曲線上位移較大的部位；(2)測試方案設(shè)計(jì)依據(jù)輸電線路高塔結(jié)構(gòu)振動測試模型的有限元模型分析結(jié)果，在輸電線路高塔結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位設(shè)置測點(diǎn)，測點(diǎn)在平面上設(shè)置時(shí)，設(shè)置在主材或靠近主材的地方，各傳感器安裝時(shí)保持安裝方向一致，并使測點(diǎn)遠(yuǎn)離振動干擾源；(3)振動信號采集使用加速度傳感器對所述輸電線路高塔進(jìn)行水平X向時(shí)域測試和豎直Y向時(shí)域測試，在鐵塔振動測試中采用通用的網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖朔?wù)器和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)；(4)振動信號處理使用加速度傳感器測量得到的輸電線路高塔結(jié)構(gòu)在不同位置不同高度處的振動加速度數(shù)值后，通過后端服務(wù)器進(jìn)行輸電線路高塔結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別，包括對輸電線路高塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻率估計(jì)、振型估計(jì)和阻尼比估計(jì)，最后確定輸電線路高塔結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。
2、 如權(quán)利要求1所述的測試方法，其特征在于在信號采集過程中(1) 要求傳感器具有很低的頻響特性以及較高的靈敏度；(2) 要求振動信號經(jīng)過高放大倍數(shù)的低噪聲放大器再進(jìn)行傳輸；(3) 對于高度超過200米的輸電線路高塔結(jié)構(gòu)，為了得到主材水平向彎曲和扭轉(zhuǎn)振 型，沿高度方向在主材上設(shè)置至少10個(gè)以上的測量點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種采用無線方式傳輸振動信號、風(fēng)荷載作為外部環(huán)境激勵，對輸電線路高塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動響應(yīng)測試的測試方法。本方法相對采用有線傳輸和錘擊法激勵的傳統(tǒng)振動響應(yīng)測試手段來說，具有操作和分析更為簡便易行、精度更高的特點(diǎn)。本發(fā)明通過氣象環(huán)境監(jiān)測裝置確定環(huán)境激勵的相關(guān)環(huán)境參數(shù)，選用加速度傳感器來測試鐵塔的振動響應(yīng)，應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸輸電線路高塔結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)測試數(shù)據(jù)，最后通過監(jiān)測系統(tǒng)后端處理確定輸電線路高塔結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。
文檔編號G01M7/00GK101446517SQ20081023978
公開日2009年6月3日 申請日期2008年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月17日
發(fā)明者于欽剛, 代澤兵, 楊靖波, 楊風(fēng)利, 郭志廣, 韓軍科 申請人:中國電力科學(xué)研究院