CN102506986B - 自立式铁塔及大跨越输电塔模态和振动测试系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自立式铁塔及大跨越输电塔模态和振动测试系统及方法，其特征在于：包括传感器，所述传感器与信号调理仪相连，信号调理仪与数字信号采集箱相连，数字信号采集器与计算机相连，所述数字信号采集器具有8通道，所述计算机内具有自功率谱分析模块、互功率谱分析模块及环境激励模态分析模块。本发明基于环境激励法，利用固定参考点、移动测量点的方法测试高耸输电塔结构模态参数和振动，并利用相应的硬件设备和软件程序，使得环境激励法用于输电塔原型的离线模态测试分析成为可能。

Description

自立式铁塔及大跨越输电塔模态和振动测试系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种输电塔模态和振动测试系统及其方法，属于电力系统技术领域。

背景技术

结构在某种振动激励下的振动响应信号与激励信号之间的频域关系是结构的频响函数。根据结构所有特征自由度上的传递函数，经过模态参数拟合和识别软件可以识别结构的模态参数：固有频率、固有振型及模态阻尼。模态参数也称为结构或机器的动力指纹，是表征结构动力可靠性的主要状态参数。

对于桥梁、高层建筑、输电塔等大型结构，难以用人工激励使其产生固有振动，传统的正弦扫频、脉冲锤击等方法均无法实施。唯一可行的是利用结构在环境(风、大地脉动、行驶车辆)等的作用下产生的自然振动信息。由于这种环境激励作用往往是一种具有一定带宽的随机振动，结构物在此种随机激励下的振动响应中包含了此频段内的固有振动。影响大型结构物动力特性的主要是低频段的模态，而环境振动恰恰也是在低频端。因此，虽然环境振动的作用力无法测量，仅仅测量结构的环境振动响应也可能进行模态频率、振型及阻尼的识别。这就是基于环境激励的模态参数识别技术的理论根据。本世纪初，开始在大型桥梁的模态试验中获得了应用。

由于试验人员在输电塔原型高压电场附近高空作业，测量工作条件十分困难；微风时振动信号微弱，对测量传感器及仪器的信噪比要求高；整塔模态试验为了获得较可靠的振形，需要较多的测点，对传感器及数采仪要求通道数很多。输电塔线这一复杂体系的动力特性计算，由于线和塔都作了简化处理，计算精度往往很大程度取决于作用的简化方法，结果频率相差很大。必须对系统的自振特性(模态频率及模态振形及模阻尼)进行实测，根据实测的模态参数修正计算模型。目前有关输电塔原型的振动模态现场实测据甚少，整塔的试验模态分析工作几乎是空白。个别研究工作只做了一阶弯曲模态。

长期记录输电塔在不同气象条件下的振动和模态状态变化趋势将可能预知结构动力特性的变化，在重大事故发生前发出预警信息，防止突发事故发生。大型桥梁、高层建筑、大坝等重大设施已经开展了此项在线监测工作。某些输电线路也已经装备了线路断线、接地等故障远程在线监测系统。振动和模态的监测一定会在近期受到重视，该项技术的成果推广，不但能提高输电塔抗灾工作的效果而且在线路上装备该系统自身也可创造较大的经济价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高耸输电塔结构的离线试验模态和振动测试方法，使得环境激励法用于输电塔原型的模态测试分析成为可能。

为解决上述技术问题，本发明提供一种自立式铁塔及大跨越输电塔模态和振动测试系统，其特征在于：包括传感器，所述传感器与信号调理仪相连，信号调理仪与数字信号采集箱相连，数字信号采集器与计算机相连，所述数字信号采集箱具有8通道，所述计算机内具有自功率谱分析模块、互功率谱分析模块及环境激励模态分析模块。

前述的自立式铁塔及大跨越输电塔模态和振动测试系统，其特征在于：所述数据采集箱具有USB 2.0接口，4路并行同步采集，AD转换精度为14bit，电压范围为±5V；程控放大倍数分别为×1，×2，×4，×8，×16；最高采样频率为256KHz；

所述4通道信号调理仪包括电荷放大电路、模拟积分电路、电压放大电路和低通滤波电路，电压放大电路放大倍数为×1，×10，×100；低通滤波电路分析频率范围为5Hz，10Hz，20Hz，50Hz，0.1kHz，0.5kHz，1kHz，5kHz，10kHz。

前述的自立式铁塔及大跨越输电塔模态和振动测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将振动传感器设置于以下各点：

a)肢柱测点为两个相对角肢柱上各两个点的纵向X轴及横向Y轴两个方向，测点沿高度方向位置为下横隔处及下横担下部，横隔测点为两个相邻的主杆中部的X轴及Y轴方向，横担测点为每个横担两个外伸端的X轴及Y轴方向，所述X轴方向为纵向沿输电塔导线方向，Y轴方向为横向沿输电塔横担方向；

b)输电塔整体模态试验的测点数，每一根立柱不少于8个点的纵向X轴及横向Y轴两个方向，每一边横担不少于2个点的纵向X轴及横向Y轴两个方向；

2)传感器直接测得输电塔测点位置的振动速度，采用振动速度的有效值通过积分和微分分别得到输电塔纵向X轴和横向Y轴振动位移峰值及加速度峰值；

3)测量得到输电塔结构所有测点振动响应，利用计算机内的自功率谱分析模块、互功率谱分析模块和环境激励模态分析模块实现全部测点自功率谱集总平均计算，初始估计模态频率，然后整体拟合得到模态参数进而得到输电塔整体结构两个方向前16阶模态频率和振型。

前述的自立式铁塔及大跨越输电塔模态和振动测试系统的测试方法，其特征在于：在所述步骤3)中，采用固定参考点、移动测量点的方法进行测量，即根据测点数的要求确定输电塔所有测点位置，选择输电塔2/3高处的某个测点为固定参考点，在固定参考点的X轴方向和Y轴方向上各安装一个传感器，依此在输电塔所有测点的X轴方向和Y轴方向上各安装一个传感器，利用数据采集系统同时采集固定参考点的X轴方向和Y轴方向以及一个测点的X轴方向和Y轴方向的振动信号，直至输电塔所有测点都测量完。

本发明提出了高耸输电塔结构的离线试验模态和振动测试方法，说明了测试原理、测试方法、测点布置、测试软件硬件应具备功能。本发明基于环境激励法，首创了用固定参考点、移动测量点的方法测试高耸输电塔结构模态参数和振动，并利用相应的硬件设备和软件程序，使得环境激励法用于输电塔原型的模态测试分析成为可能。本发明能够获得输电塔整塔和局部结构的前16阶模态参数，包括频率、振型和阻尼系数。

附图说明

图1为本发明的输电塔测点布置示意图；

图2为本发明的离线振动采集分析系统原理图；

图3为本发明的模态和振动测试及参数识别流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

测量项目包括：

a)输电塔肢柱、横隔及横担振动测量；

b)输电塔纵向X和横向Y整体两个方向前6阶模态频率和振型。

测点布置：

a)肢柱测点为两个相对角肢柱上各两个点的两个方向(纵向X轴及横向Y轴)，测点高度为下横隔处及下横担下部。横隔测点为两个相邻的主杆中部的X轴及Y轴方向。横担测点为每个横担两个外伸端的X轴及Y轴方向。

b)输电塔整体模态试验的测点数，要求每一根立柱不少于8个点的两个方向，每一边横担不少于2个点的两个方向。

测量量：

采用振动速度的有效值(rms)，计量单位为mm/S，通过积分和微分分别得到振动位移峰值(mm)及加速度峰值(m/s²)。

测量周期：

a)离线振动测量：新塔建成通电之前测量一次，作为基线数据。同时必须测量当时的环境温度和风速。风速测量位置在最下部横隔高度。

投入运行后定期测量：跨越塔每年测两次，一次是夏季台风多发季节，选择风速较大时测量，另一次冬季气温较低及裹冰时测量。500kV以上输电塔每两年测量一次。

b)离线模态试验：新塔建成通电之前测量一次，作为基线数据。

投入运行后定期试验。跨越塔每年一次，选择在夏季台风多发季节或冬季气温较低及裹冰时测量。500kV以上输电塔每三年一次。

测量装置：

传感器选用：输电塔环境激励下振动响应测量应选用低频高灵敏度的速度传感器，低频下限小于0.2Hz。电压灵敏度不小于1V·S/m。传感器自身应坚实，引线可靠方便。

传感器安装：传感器测量方向必须符合本测试规范要求。离线式测量用磁力吸座将传感器固定吸在被测位置的指定方向。在线式测量传感器必须加装不锈钢防护罩并用螺栓将防护罩固定在被测的立柱或横担上。

离线数据采集装置：

至少应具有四通道数字信号采集分析功能，A/D转换精度不小于12bit，分析频率范围选用10Hz或5Hz，频率分辨率不低于0.025Hz。信号调理仪应选用与分析频率范围相同的低通滤波器(10Hz或5Hz)，并应具有足够的放大倍数。具有自功率谱分析、互功率谱分析功能及环境激励模态分析(工作模态分析)功能。

所述8通道数据采集箱具有USB 2.0接口，4路并行同步采集，AD转换精度为14bit，电压范围为±5V；程控放大倍数分别为×1，×2，×4，×8，×16；最高采样频率为256KHz。

4通道信号调理仪包括电荷放大电路；模拟积分电路；电压放大电路，放大倍数为×1，×10，×100；低通滤波电路：分析频率范围为5Hz，10Hz，20Hz，50Hz，0.1kHz，0.5kHz，1kHz，5kHz，10kHz；输入方式包括电压、电荷和、ICP。

测量过程：

离线数据记录分析：离线记录的数据必须测量振动测点的两个方向的振动速度有效值，通过数字积分得到振动位移的峰峰值，通过数字微分得到振动加速度的峰值。测量数据必须注明当时的温度及风速。

为了保证数据的可靠性，1次采集需经多次平均，平均次数不小于8，作为1次测量的结果。同一测点同一方向，需要重复进行3次测量，数据稳定后作为该离线测量的数据记录。

记录的数据记录前必须经过自功率谱分析验证其频谱的正确性，自功率谱图应包含前6阶整体模态频率的分量，裸塔及首次通电测试状态下振动测量的结果作为该塔的振动基线数据保存，以后定期测量的振动幅值及频率数据与基线数据对比。

离线模态测量方法：根据测点数的要求确定输电塔所有测点位置。选择输电塔2/3高处的某个测点为固定参考点。在固定参考点的X方向和Y方向上各安装一个传感器。依此在输电塔所有测点的X方向和Y方向上各安装一个传感器。用4通道数据采集系统同时采集固定参考点的X方向和Y方向以及一个测点的X方向和Y方向的振动信号。直至输电塔所有测点都测量完。用模态分析软件对所有测点的测量数据进行分析拟合处理，获得输电塔至少前6阶模态参数。

本发明所达到的效果是：

(1)基于环境激励方法，不需人为激励，从而大大节省了试验设备的成本并且避免了人为激励如发射火箭或切断预拉力钢丝造成突发冲击等引起对结构的损伤。

(2)该方法在结构物真实支承状态下进行，便于与理论计算进行比较。

(3)对于输电铁塔等大型结构，为了表征系统的固有特性，需要很多测量自由度。实际测量表明，用固定参考点，移动测量点的方法，只需2个通道或4个通道的传感器、信号调理仪及数采仪仍然可获得正确的模态频率及较好的模态振型。

本发明中的专业名词说明：

1)动态特性测定试验dynamic characteristics test

为了解结构的动态特性和验证设计时采用的力学模型是否正确所作的试验，如模态试验。

2)固有频率nature frequency

由系统本身的质量和刚度所确定的频率，n自由度系统一般有n个固有频率，按大小次序排列，最底的为第一阶固有频率。

3)模态试验modal test

为确定系统的模态参数所作的振动试验。

4)模态参数modal parameter

模态的特征参数，即振动系统的各阶固有频率、振型、模态质量、模态刚度与模态阻尼。

5)振型modal shape

机械系统某一给定振动模态的振型是指由中性面(或中性轴)上的点偏离其平衡位置的最大位移值所描述的图形。

6)环境激励模态试验测量原理

用环境激励方法对输电塔测试两个方向的振动模态。

对于输电塔桥梁建筑物等大型结构进行模态试验，无法施加正弦、随机或者脉冲方式的人为激励。但是任何大型结构物都存在一定的振动环境，例如风、水流冲击、大地脉动、移动的车辆引起的振动等。在这些自然环境的激励下，结构物都会产生微弱的振动。虽然我们对这些激励特性无法精确定量，但也并非一无所知。可合理的假定这些激励是近似的平稳随机信号，其频谱是具有一定带宽的连续谱，在带宽内基本覆盖了对结构物感兴趣的频带，从而在结构物的自然环境激励下的振动信号中包含了这些模态。基于环境激励的试验模态分析技术就是仅仅通过结构在自然环境下的振动响应来进行的。首先，将全部测点在环境激励下的振动响应和某一固定的参考点的振动响应分别作FFT，在自谱密度图上识别出共振频率f_i，再将各测点与参考点在共振频率上的幅值谱之比Φ(f_i)作为该点的振型的相对值，将它们的互谱密度的实部在此频率上的正负作为该点振型的相位。

$\left|\mathrm{\Φ}\left(f_i\right)\right|=\left|\frac{B\left(f_i\right)}{A\left(f_i\right)}\right|={\left|\frac{B\left(f_i\right)\stackrel{\‾}{B}\left(f_i\right)}{A\left(f_i\right)\stackrel{\‾}{A}\left(f_i\right)}\right|}^{\frac{1}{2}}={\left|\frac{G_{\mathrm{bb}}\left(f_i\right)}{G_{\mathrm{aa}}\left(f_i\right)}\right|}^{\frac{1}{2}}---\left(1\right)$

sgn(Φ(f_i))＝sgn(Real(G_ba(f_i))             (2)

其中A(f_i)为参考点信号a(t)的傅氏变换，B(f_i)为测量点信号b(t)的傅氏变换，G_aa(f_i)、G_bb(f_i)分别为参考点信号、测量点信号的自谱密度，G_ba(f_i)为测量点信号与参考点信号的互谱密度。

各阶模态阻尼则根据全部响应点信号的集总平均谱，采用改进的半功率带宽法得到。

Claims (2)

1.自立式铁塔及大跨越输电塔模态和振动测试系统的测试方法，自立式铁塔及大跨越输电塔模态和振动测试系统包括传感器，所述传感器与信号调理仪相连，信号调理仪与数字信号采集箱相连，数字信号采集器与计算机相连，所述数字信号采集箱具有8通道，所述计算机内具有自功率谱分析模块、互功率谱分析模块及环境激励模态分析模块，其特征在于，包括以下步骤：

1)将振动传感器设置于以下各点：

a) 肢柱测点为两个相对角肢柱上各两个点的纵向X轴及横向Y轴两个方向，测点沿高度方向位置为下横隔处及下横担下部,横隔测点为两个相邻的主杆中部的X轴及Y轴方向，横担测点为每个横担两个外伸端的X轴及Y轴方向，所述X轴方向为纵向沿输电塔导线方向，Y轴方向为横向沿输电塔横担方向；

b) 输电塔整体模态试验的测点数,每一根立柱不少于8个点的纵向X轴及横向Y轴两个方向, 每一边横担不少于2个点的纵向X轴及横向Y轴两个方向；

 2) 传感器直接测得输电塔测点位置的振动速度，采用振动速度的有效值通过积分和微分分别得到输电塔纵向X轴和横向Y轴振动位移峰值及加速度峰值； 

3)测量得到输电塔结构所有测点振动响应，利用计算机内的自功率谱分析模块、互功率谱分析模块和环境激励模态分析模块实现全部测点自功率谱集总平均计算，初始估计模态频率，然后整体拟合得到模态参数进而得到输电塔整体结构两个方向前16阶模态频率和振型。

2.根据权利要求1所述的自立式铁塔及大跨越输电塔模态和振动测试系统的测试方法，其特征在于：在所述步骤3）中，采用固定参考点、移动测量点的方法进行测量，即根据测点数的要求确定输电塔所有测点位置，选择输电塔2/3高处的某个测点为固定参考点，在固定参考点的X轴方向和Y轴方向上各安装一个传感器，依此在输电塔所有测点的X轴方向和Y轴方向上各安装一个传感器，利用数据采集系统同时采集固定参考点的X轴方向和Y轴方向以及一个测点的X轴方向和Y轴方向的振动信号，直至输电塔所有测点都测量完。

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