大型工程結構振動特性測試系統及無線信號延遲標定方法
2024-04-13 19:24:05 1
1.本發明涉及結構工程損傷檢測技術領域，特別涉及一種大型工程結構振動特性測試系統及無線信號延遲標定方法。
背景技術：
2.在外部極端荷載和自然災害作用下，基礎設施將出現不同程度的損傷。面向大型基礎設施損傷的快速識別和診斷技術，可為工程結構的服役性態評估、應急處置、維修和加固提供重要的技術支持。目前，該領域的測試理論、方法與技術十分匱乏。
3.不同於機械工程結構、電子元件和小型機電設備，土木工程結構一般為超高層建築、高聳鋼結構或大型橋梁(如圖1a-圖1c所示)，採用常規的測試手段，涉及到傳感器安裝、布置、線纜布設等一系列的問題。對於一些高聳結構，如橋塔、風電塔等，傳感器安裝費時費力，且傳感器安裝危險性較高。此外，接觸式傳感器連接線的布置工作量大，需要大量的高質量屏蔽導線和多通道動態數據同步採集系統，設備安裝和系統調試過程複雜。因此大型工程結構的整體動力特性現場測試一直是一項技術難題。
4.為此，無線傳感器近年來得以廣泛應用，雖然相比於信號線連接，無線傳感器存在一定的信號延遲，但是由於土木工程結構的振動的頻率低(周期長)，因此，對於一般的小型工程結構，仍然具有一定技術優勢。但是對於大型的工程結構，無線傳感器的信號延遲顯著，尚未有提出合理高效的量化和標定方法。
5.近年來，都卜勒雷射測振技術在土木工程領域得到了初步的應用。但是，已有應用主要基於單點雷射的大型建築物/構件振動特性測量，該方法只能實現單點測試，難以有效地得到結構的振型，測試效率低，精度相對較差，僅能判別是否存在損傷，無法進行損傷的定位。部分基於2d掃描的土木工程構件的振動特性測量，通過2d掃描的形式，逐個點進行測試，最終合成小型構件的振型，該方法一般需要採用人工激勵/或者激振器的形式，並不適用於大型工程結構。此外，現有的2d測試設備的有效測試距離較小，主要適用於室內實驗的小型土木工程構件，如混凝土梁等，對大型工程結構適用性較差。
6.此外，對於精度更高的連續掃描測振技術，目前缺乏面向大型工程結構的系統性解決方案。為此，亟需開發一種面向大型工程結構的基於掃描式雷射測振技術的宏觀振動特性快速測評方法，突破長距離測試的技術瓶頸和無線傳輸信號延遲的關鍵問題，通過高效的測試流程和實施方案，實現振動特性參數的精準識別，以及對結構損傷的快速評估。
技術實現要素：
7.針對現有有線傳感器、無線傳感器、初級的雷射測振等測試技術在大型工程結構中應用的局限性，本發明的目的在於提供一種大型工程結構振動特性測試系統及無線信號延遲標定方法，通過所提出的信號延遲精準標定方案，解決傳感器信號無線傳輸導致的信號延遲關鍵問題，提升測試精度；通過提出的3d和2d逐點掃描和連續掃描測試流程和實施方案，為大型工程結構的遠距離非接觸式測試提供了系統性的新的解決方案。
8.為解決上述技術問題，本發明的實施例提供如下方案：
9.一方面，提供了一種大型工程結構振動特性測試系統，包括參考信號採集子系統、掃描式雷射測振子系統和數據採集與分析子系統；
10.所述參考信號採集子系統用於提供參考信號輸入源，對大型工程結構上的參考點進行振動特性測試或激振，獲取參考信號；
11.所述掃描式雷射測振子系統用於對大型工程結構的振動特性進行掃描式測試，獲取測試信號；所述參考信號和所述測試信號均通過所述數據採集與分析子系統進行同步採集和存儲；
12.所述數據採集與分析子系統用於根據所述參考信號和所述測試信號進行結構損傷的評估與定位。
13.優選地，所述參考信號採集子系統提供的參考信號輸入源包括單點式雷射測振儀、無線加速度傳感器和無線力錘中的一種或多種；
14.其中，所述單點式雷射測振儀對準所述參考點進行測試，以獲取參考信號；所述無線加速度傳感器安裝在所述參考點附近，感應結構振動以獲取參考信號；所述無線力錘敲擊所述參考點附近，通過自身安裝的壓力傳感器獲取參考信號；
15.所述無線加速度傳感器的安裝位置和所述無線力錘的敲擊位置與所述參考點的距離不超過預設值；
16.測試過程中，利用所述單點式雷射測振儀測得的參考信號對所述無線加速度傳感器和所述無線力錘測得的參考信號進行延遲標定。
17.優選地，所述單點式雷射測振儀為長焦距單點式雷射測振儀，測試距離不小於300m；
18.所述單點式雷射測振儀用於對所述參考點進行振動特性測試，並將得到的參考信號傳輸至所述數據採集與分析子系統；
19.所述單點式雷射測振儀通過腳架進行支撐，並通過信號調理儀連接至所述數據採集與分析子系統，所述信號調理儀還連接遠景相機顯示屏，用於對所述參考點的測試位置進行實時顯示。
20.優選地，所述無線加速度傳感器接觸式設置在所述參考點附近，測得的參考信號通過信號發射端發送至所述數據採集與分析子系統，所述數據採集與分析子系統設置信號接收端，用於接收所述參考信號。
21.優選地，所述無線力錘上安裝的壓力傳感器測得的參考信號通過無線發射器發送至所述數據採集與分析子系統，所述數據採集與分析子系統設置無線接收器，用於接收所述參考信號。
22.優選地，所述無線加速度傳感器的安裝位置和所述無線力錘的敲擊位置與所述參考點之間的距離不超過5cm。
23.優選地，所述掃描式雷射測振子系統包括多個掃描式雷射測振儀，多個所述掃描式雷射測振儀均由腳架進行支撐；
24.單個所述掃描式雷射測振儀為2d掃描式雷射測振儀，構成2d掃描式雷射測振模塊；多個所述2d掃描式雷射測振儀沿不同測試角度擺放，構成3d掃描式雷射測振模塊；
25.所述3d掃描式雷射測振模塊用於對大型工程結構上布設的各個掃描點進行3d逐
點掃描式振動特性測試，初步判斷是否存在疑似損傷部位；所述2d掃描式雷射測振模塊用於對疑似損傷部位進行2d逐點掃描式加密測試，確定具體的損傷區域。
26.一方面，提供了一種大型工程結構振動特性測試系統的無線信號延遲標定方法，包括以下步驟：
27.利用參考信號採集子系統提供參考信號輸入源，對大型工程結構上的參考點進行振動特性測試或激振，獲取參考信號；
28.利用掃描式雷射測振子系統對大型工程結構的振動特性進行掃描式測試，獲取測試信號；
29.通過數據採集與分析子系統同步採集和存儲所述參考信號和所述測試信號；
30.根據所述參考信號和所述測試信號進行結構損傷的評估與定位；
31.其中，所述參考信號採集子系統提供的參考信號輸入源包括單點式雷射測振儀、無線加速度傳感器和無線力錘中的一種或多種；
32.並且，測試過程中，利用所述單點式雷射測振儀測得的參考信號對所述無線加速度傳感器和所述無線力錘測得的參考信號進行延遲標定。
33.優選地，所述單點式雷射測振儀對準所述參考點進行測試，以獲取參考信號；所述無線加速度傳感器安裝在所述參考點附近，感應結構振動以獲取參考信號；所述無線力錘敲擊所述參考點附近，通過自身安裝的壓力傳感器獲取參考信號；
34.所述無線加速度傳感器的安裝位置和所述無線力錘的敲擊位置與所述參考點的距離不超過預設值；
35.所述單點式雷射測振儀、所述無線加速度傳感器和所述無線力錘測得的參考信號與所述掃描式雷射測振子系統測得的測試信號通過所述數據採集與分析子系統同步採集和存儲；
36.所述數據採集與分析子系統根據所述單點式雷射測振儀測得的參考信號對所述無線加速度傳感器和所述無線力錘測得的參考信號進行延遲標定，解決無線信號時間不同步導致的相位差問題。
37.優選地，具體標定及測試過程如下：
38.制定測試方案，在大型工程結構上布設參考點和一系列掃描點；
39.根據實際情況選擇參考信號採集子系統提供的參考信號輸入源，包括單點式雷射測振儀、無線加速度傳感器和無線力錘中的一種或多種；
40.安裝掃描式雷射測振子系統；所述掃描式雷射測振子系統包括多個掃描式雷射測振儀，單個所述掃描式雷射測振儀為2d掃描式雷射測振儀，構成2d掃描式雷射測振模塊；多個所述2d掃描式雷射測振儀沿不同測試角度擺放，構成3d掃描式雷射測振模塊；
41.測試過程中，利用所述單點式雷射測振儀測得的參考信號對所述無線加速度傳感器和所述無線力錘測得的參考信號進行延遲標定；
42.利用所述3d掃描式雷射測振模塊對各個掃描點進行3d逐點掃描式振動特性測試，將測試結果與理論結果進行對比，包括基頻和振型的對比，初步判斷是否存在疑似損傷部位；
43.若存在疑似損傷部位，則確定振型最敏感的2d測試面，利用所述2d掃描式雷射測振模塊進行2d逐點掃描式加密測試，判斷是否存在損傷區域；
44.若存在損傷區域，則進行2d連續掃描式精準測試，根據振型變化對損傷區域進行精準定位；
45.保存測試及分析結果。
46.本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果至少包括：
47.本發明針對目前大型工程結構損傷評估中所面臨的動力特性參數獲取困難，傳感器布置工作量大、無線信號傳輸延遲等瓶頸問題，提出了一種將雷射測振技術與無線傳感及信號傳輸相結合的超遠距全域動力特性測試方案；通過所提出的信號延遲精準標定方案，解決傳感器信號無線傳輸導致的信號延遲問題，提升測試精度；通過提出的3d和2d逐點掃描和連續掃描測試的高效實施流程，為大型工程結構的遠距離非接觸式測試提供了系統性的新的解決方案。
48.此外，通過已有的實施案例可以看出，所述測試系統及延遲標定方法具備高效、精準的測試特點，為高層建築、大型橋梁、高聳建築和超大體積構築物的動力特性參數識別和模態分析，提供了硬體支撐和高效實施方法，具有顯著的技術優勢和廣闊的應用前景。
附圖說明
49.為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
50.圖1a-圖1c是土木工程領域超高層建築、高聳鋼結構和大型橋梁的示意圖；
51.圖2是本發明實施例提供的基於單點式雷射測振儀和3d掃描式雷射測振模塊的測試系統結構示意圖；
52.圖3是本發明實施例提供的基於單點式雷射測振儀和2d掃描式雷射測振模塊的測試系統結構示意圖；
53.圖4是本發明實施例提供的基於無線加速度傳感器和3d掃描式雷射測振模塊的測試系統結構示意圖；
54.圖5是本發明實施例提供的基於無線加速度傳感器和2d掃描式雷射測振模塊的測試系統結構示意圖；
55.圖6是本發明實施例提供的基於無線力錘和3d掃描式雷射測振模塊的測試系統結構示意圖；
56.圖7是本發明實施例提供的基於無線力錘和2d掃描式雷射測振模塊的測試系統結構示意圖；
57.圖8是本發明實施例提供的測試系統進行延遲標定的布置示意圖；
58.圖9a-圖9c分別是本發明實施例提供的逐點掃描測試、加密線連續掃描測試和面連續掃描測試的示意圖；
59.圖10是本發明實施例提供的基於模態振型識別大型結構損傷的機理示意圖；
60.圖11是本發明實施例提供的測試系統的具體標定及測試過程示意圖；
61.圖12是本發明實施例提供的異形複雜鋼結構觀景平臺實測振型示意圖；
62.圖13是本發明實施例提供的異形複雜鋼結構觀景平臺頻譜分析示意圖。
63.如圖所示，為了能明確實現本發明的實施例的結構，在圖中標註了特定的結構和器件，但這僅為示意需要，並非意圖將本發明限定在該特定結構、器件和環境中，根據具體需要，本領域的普通技術人員可以將這些器件和環境進行調整或者修改，所進行的調整或者修改仍然包括在本發明的保護範圍中。
具體實施方式
64.下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
65.本發明的實施例提供了一種大型工程結構振動特性測試系統，包括參考信號採集子系統、掃描式雷射測振子系統和數據採集與分析子系統；
66.其中，參考信號採集子系統用於提供參考信號輸入源，對大型工程結構上的參考點進行振動特性測試或激振，獲取參考信號；掃描式雷射測振子系統用於對大型工程結構的振動特性進行掃描式測試，獲取測試信號；所述參考信號和所述測試信號均通過數據採集與分析子系統進行同步採集和存儲；
67.數據採集與分析子系統用於根據所述參考信號和所述測試信號進行結構損傷的評估與定位。
68.如圖2-圖7所示，本發明實施例中，參考信號採集子系統提供的參考信號輸入源包括單點式雷射測振儀11、無線加速度傳感器12和無線力錘13中的一種或多種。
69.其中，單點式雷射測振儀11對準所述參考點進行測試，以獲取參考信號；無線加速度傳感器12安裝在所述參考點附近，感應結構振動以獲取參考信號；無線力錘13敲擊所述參考點附近，通過自身安裝的壓力傳感器獲取參考信號。
70.無線加速度傳感器12的安裝位置和無線力錘13的敲擊位置與所述參考點的距離不超過預設值。也就是說，無線加速度傳感器12安裝位置和自動力錘13敲擊點距離單點式雷射測振儀11測點的距離應足夠小，優選地，該距離不超過5cm，具體的布置如圖8所示。
71.並且，測試過程中，利用所述單點式雷射測振儀測得的參考信號對所述無線加速度傳感器和所述無線力錘測得的參考信號進行延遲標定。
72.進一步地，掃描式雷射測振子系統包括多個掃描式雷射測振儀21，多個掃描式雷射測振儀21均由腳架4進行支撐。
73.單個掃描式雷射測振儀21為2d掃描式雷射測振儀，構成2d掃描式雷射測振模塊；多個2d掃描式雷射測振儀沿不同測試角度擺放，構成3d掃描式雷射測振模塊。例如，圖2、圖4、圖6中3個2d掃描式雷射測振儀21-1、21-2、21-3共同構成3d掃描式雷射測振模塊。
74.其中，所述3d掃描式雷射測振模塊用於對大型工程結構上布設的各個掃描點進行3d逐點掃描式振動特性測試，初步判斷是否存在疑似損傷部位；所述2d掃描式雷射測振模塊用於對疑似損傷部位進行2d逐點掃描式加密測試，確定具體的損傷區域。
75.具體地，圖2是基於單點式雷射測振儀和3d掃描式雷射測振模塊的測試系統結構示意圖；圖3是基於單點式雷射測振儀和2d掃描式雷射測振模塊的測試系統結構示意圖；圖4是基於無線加速度傳感器和3d掃描式雷射測振模塊的測試系統結構示意圖；圖5是基於無
線加速度傳感器和2d掃描式雷射測振模塊的測試系統結構示意圖；圖6是基於無線力錘和3d掃描式雷射測振模塊的測試系統結構示意圖；圖7是基於無線力錘和2d掃描式雷射測振模塊的測試系統結構示意圖。
76.本發明實施例中，單點式雷射測振儀11為長焦距單點式雷射測振儀，對準參考點進行測試，測試距離不小於300m。單點式雷射測振儀11用於對參考點進行振動特性測試，並將得到的參考信號傳輸至數據採集與分析子系統3。
77.單點式雷射測振儀11通過腳架4進行支撐，並通過信號調理儀5連接至數據採集與分析子系統3，信號調理儀4還連接遠景相機顯示屏5，用於對參考點的測試位置進行實時顯示。
78.無線加速度傳感器12接觸式設置在參考點附近(距離參考點不超過5cm)，測得的參考信號通過信號發射端121發送至數據採集與分析子系統3，數據採集與分析子系統3設置信號接收端122，用於接收無線加速度傳感器12測得的參考信號。
79.無線力錘13上安裝的壓力傳感器測得的參考信號通過無線發射器131發送至數據採集與分析子系統3，數據採集與分析子系統3設置無線接收器132，用於接收壓力傳感器測得的參考信號。
80.由於光速較快，單點式雷射測振儀11的參考信號可認為是不存在誤差。但是，無線加速度傳感器12和無線力錘13的參考信號傳輸速度相對較慢，因此導致了參考信號的延遲。測試時，利用單點式雷射測振儀11測得的參考信號對無線加速度傳感器12和無線力錘13測得的參考信號進行延遲標定，消除無線信號延遲對測試的影響，提高測試精度。
81.標定後，利用3d掃描式雷射測振模塊對各個掃描點進行3d逐點掃描式振動特性測試(如圖9a所示)，基於圖10所示的機理，將測試結果與理論結果進行對比，包括基頻和振型的對比，初步判斷是否存在疑似損傷部位；若存在疑似損傷部位，則確定振型最敏感的2d測試面，利用2d掃描式雷射測振模塊進行2d逐點掃描式加密測試(如圖9b所示)，判斷是否存在損傷區域；若存在損傷區域，則進行2d連續掃描式精準測試(如圖9c所示)，根據振型變化對損傷區域進行精準定位。
82.具體地，如圖10和表1所示，當工程結構出現損傷時，其基和振型均產生變化。結構損傷將導致結構整體剛度下降，振動周期增大，振動頻率降低。基於此，可實現結構損傷的快速評估。此外，在結構損傷處，損傷將導致結構剛度突變，振型變化顯著，依據逐點掃描和連續掃描得到的高精度振型圖，可實現對損傷位置的定位。
83.表1有無損傷各階模態頻率對比(單位：hz)
84.85.相應地，本發明的實施例還提供了一種大型工程結構振動特性測試系統的無線信號延遲標定方法，所述方法包括：
86.利用參考信號採集子系統提供參考信號輸入源，對大型工程結構上的參考點進行振動特性測試或激振，獲取參考信號；
87.利用掃描式雷射測振子系統對大型工程結構的振動特性進行掃描式測試，獲取測試信號；
88.通過數據採集與分析子系統同步採集和存儲所述參考信號和所述測試信號；
89.根據所述參考信號和所述測試信號進行結構損傷的評估與定位；
90.其中，參考信號採集子系統提供的參考信號輸入源包括單點式雷射測振儀、無線加速度傳感器和無線力錘中的一種或多種；
91.並且，測試過程中，利用單點式雷射測振儀測得的參考信號對無線加速度傳感器和無線力錘測得的參考信號進行延遲標定。
92.進一步地，單點式雷射測振儀對準參考點進行測試，以獲取參考信號；無線加速度傳感器安裝在參考點附近，感應結構振動以獲取參考信號；無線力錘敲擊參考點附近，通過自身安裝的壓力傳感器獲取參考信號。
93.其中，無線加速度傳感器的安裝位置和無線力錘的敲擊位置與參考點的距離不超過預設值；優選地，該預設值為5cm。
94.單點式雷射測振儀、無線加速度傳感器和無線力錘測得的參考信號與掃描式雷射測振子系統測得的測試信號通過數據採集與分析子系統同步採集和存儲；
95.數據採集與分析子系統根據單點式雷射測振儀測得的參考信號對無線加速度傳感器和無線力錘測得的參考信號進行延遲標定，解決無線信號時間不同步導致的相位差問題。
96.如圖11所示，具體標定及測試過程如下：
97.制定測試方案，在大型工程結構上布設參考點和一系列掃描點；
98.根據實際情況選擇參考信號採集子系統提供的參考信號輸入源，包括單點式雷射測振儀、無線加速度傳感器和無線力錘中的一種或多種；
99.安裝掃描式雷射測振子系統；所述掃描式雷射測振子系統包括多個掃描式雷射測振儀，單個所述掃描式雷射測振儀為2d掃描式雷射測振儀，構成2d掃描式雷射測振模塊；多個所述2d掃描式雷射測振儀沿不同測試角度擺放，構成3d掃描式雷射測振模塊；
100.測試過程中，利用所述單點式雷射測振儀測得的參考信號對所述無線加速度傳感器和所述無線力錘測得的參考信號進行延遲標定；
101.利用所述3d掃描式雷射測振模塊對各個掃描點進行3d逐點掃描式振動特性測試，將測試結果與理論結果進行對比，包括基頻和振型的對比，初步判斷是否存在疑似損傷部位；
102.若存在疑似損傷部位，則確定振型最敏感的2d測試面，利用所述2d掃描式雷射測振模塊進行2d逐點掃描式加密測試，判斷是否存在損傷區域；
103.若存在損傷區域，則進行2d連續掃描式精準測試，根據振型變化對損傷區域進行精準定位；
104.保存測試及分析結果。
105.圖12和圖13是利用本發明所述測試系統及延遲標定方法對異形複雜鋼結構觀景平臺進行測試得到的實測振型及頻譜分析示意圖。可以看出，本發明提出的測試方案具備高效、全域測試的顯著技術優勢。
106.綜上所述，本發明提出了基於長焦距掃描式雷射測振儀的大型工程結構損傷測試方法，分別採用長焦距3d和2d雷射測振模塊進行逐點掃描測試，採用單點式雷射測振儀、無線加速度傳感器和無線力錘提供參考信號進行系統的信號延遲標定，解決由於無線信號延遲導致的信號數據時間不同步，進而導致相位差問題。本發明提出了基於逐點掃描和連續掃描相結合的高效實施流程和損傷評判方法，測試精度高、現場作業周期短，為大型工程結構的損傷評估和損傷定位提供了新的解決方案，具有廣闊的應用場景。
107.需要說明的是，在本文中，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者終端設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者終端設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個
……」
限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者終端設備中還存在另外的相同要素。
108.在說明書中提到「一個實施例」、「實施例」、「示例性實施例」、「一些實施例」等指示所述的實施例可以包括特定特徵、結構或特性，但未必每個實施例都包括該特定特徵、結構或特性。另外，在結合實施例描述特定特徵、結構或特性時，結合其它實施例(無論是否明確描述)實現這種特徵、結構或特性應在相關領域技術人員的知識範圍內。
109.通常，可以至少部分從上下文中的使用來理解術語。例如，至少部分取決於上下文，本文中使用的術語「一個或多個」可以用於描述單數意義的任何特徵、結構或特性，或者可以用於描述複數意義的特徵、結構或特性的組合。另外，術語「基於」可以被理解為不一定旨在傳達一組排他性的因素，而是可以替代地，至少部分地取決於上下文，允許存在不一定明確描述的其他因素。
110.本發明涵蓋任何在本發明的精髓和範圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。為了使公眾對本發明有徹底的了解，在以下本發明優選實施例中詳細說明了具體的細節，而對本領域技術人員來說沒有這些細節的描述也可以完全理解本發明。另外，為了避免對本發明的實質造成不必要的混淆，並沒有詳細說明眾所周知的方法、過程、流程、元件和電路等。
111.本領域普通技術人員可以理解實現上述實施例方法中的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關的硬體來完成，該程序可以存儲於計算機可讀取存儲介質中，如：rom/ram、磁碟、光碟等。
112.以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。