大型工程结构振动特性测试系统及无线信号延迟标定方法

1.本发明涉及结构工程损伤检测技术领域，特别涉及一种大型工程结构振动特性测试系统及无线信号延迟标定方法。


背景技术：

2.在外部极端荷载和自然灾害作用下，基础设施将出现不同程度的损伤。面向大型基础设施损伤的快速识别和诊断技术，可为工程结构的服役性态评估、应急处置、维修和加固提供重要的技术支持。目前，该领域的测试理论、方法与技术十分匮乏。
3.不同于机械工程结构、电子元件和小型机电设备，土木工程结构一般为超高层建筑、高耸钢结构或大型桥梁(如图1a-图1c所示)，采用常规的测试手段，涉及到传感器安装、布置、线缆布设等一系列的问题。对于一些高耸结构，如桥塔、风电塔等，传感器安装费时费力，且传感器安装危险性较高。此外，接触式传感器连接线的布置工作量大，需要大量的高质量屏蔽导线和多通道动态数据同步采集系统，设备安装和系统调试过程复杂。因此大型工程结构的整体动力特性现场测试一直是一项技术难题。
4.为此，无线传感器近年来得以广泛应用，虽然相比于信号线连接，无线传感器存在一定的信号延迟，但是由于土木工程结构的振动的频率低(周期长)，因此，对于一般的小型工程结构，仍然具有一定技术优势。但是对于大型的工程结构，无线传感器的信号延迟显著，尚未有提出合理高效的量化和标定方法。
5.近年来，多普勒激光测振技术在土木工程领域得到了初步的应用。但是，已有应用主要基于单点激光的大型建筑物/构件振动特性测量，该方法只能实现单点测试，难以有效地得到结构的振型，测试效率低，精度相对较差，仅能判别是否存在损伤，无法进行损伤的定位。部分基于2d扫描的土木工程构件的振动特性测量，通过2d扫描的形式，逐个点进行测试，最终合成小型构件的振型，该方法一般需要采用人工激励/或者激振器的形式，并不适用于大型工程结构。此外，现有的2d测试设备的有效测试距离较小，主要适用于室内实验的小型土木工程构件，如混凝土梁等，对大型工程结构适用性较差。
6.此外，对于精度更高的连续扫描测振技术，目前缺乏面向大型工程结构的系统性解决方案。为此，亟需开发一种面向大型工程结构的基于扫描式激光测振技术的宏观振动特性快速测评方法，突破长距离测试的技术瓶颈和无线传输信号延迟的关键问题，通过高效的测试流程和实施方案，实现振动特性参数的精准识别，以及对结构损伤的快速评估。


技术实现要素：

7.针对现有有线传感器、无线传感器、初级的激光测振等测试技术在大型工程结构中应用的局限性，本发明的目的在于提供一种大型工程结构振动特性测试系统及无线信号延迟标定方法，通过所提出的信号延迟精准标定方案，解决传感器信号无线传输导致的信号延迟关键问题，提升测试精度；通过提出的3d和2d逐点扫描和连续扫描测试流程和实施方案，为大型工程结构的远距离非接触式测试提供了系统性的新的解决方案。
8.为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：
9.一方面，提供了一种大型工程结构振动特性测试系统，包括参考信号采集子系统、扫描式激光测振子系统和数据采集与分析子系统；
10.所述参考信号采集子系统用于提供参考信号输入源，对大型工程结构上的参考点进行振动特性测试或激振，获取参考信号；
11.所述扫描式激光测振子系统用于对大型工程结构的振动特性进行扫描式测试，获取测试信号；所述参考信号和所述测试信号均通过所述数据采集与分析子系统进行同步采集和存储；
12.所述数据采集与分析子系统用于根据所述参考信号和所述测试信号进行结构损伤的评估与定位。
13.优选地，所述参考信号采集子系统提供的参考信号输入源包括单点式激光测振仪、无线加速度传感器和无线力锤中的一种或多种；
14.其中，所述单点式激光测振仪对准所述参考点进行测试，以获取参考信号；所述无线加速度传感器安装在所述参考点附近，感应结构振动以获取参考信号；所述无线力锤敲击所述参考点附近，通过自身安装的压力传感器获取参考信号；
15.所述无线加速度传感器的安装位置和所述无线力锤的敲击位置与所述参考点的距离不超过预设值；
16.测试过程中，利用所述单点式激光测振仪测得的参考信号对所述无线加速度传感器和所述无线力锤测得的参考信号进行延迟标定。
17.优选地，所述单点式激光测振仪为长焦距单点式激光测振仪，测试距离不小于300m；
18.所述单点式激光测振仪用于对所述参考点进行振动特性测试，并将得到的参考信号传输至所述数据采集与分析子系统；
19.所述单点式激光测振仪通过脚架进行支撑，并通过信号调理仪连接至所述数据采集与分析子系统，所述信号调理仪还连接远景相机显示屏，用于对所述参考点的测试位置进行实时显示。
20.优选地，所述无线加速度传感器接触式设置在所述参考点附近，测得的参考信号通过信号发射端发送至所述数据采集与分析子系统，所述数据采集与分析子系统设置信号接收端，用于接收所述参考信号。
21.优选地，所述无线力锤上安装的压力传感器测得的参考信号通过无线发射器发送至所述数据采集与分析子系统，所述数据采集与分析子系统设置无线接收器，用于接收所述参考信号。
22.优选地，所述无线加速度传感器的安装位置和所述无线力锤的敲击位置与所述参考点之间的距离不超过5cm。
23.优选地，所述扫描式激光测振子系统包括多个扫描式激光测振仪，多个所述扫描式激光测振仪均由脚架进行支撑；
24.单个所述扫描式激光测振仪为2d扫描式激光测振仪，构成2d扫描式激光测振模块；多个所述2d扫描式激光测振仪沿不同测试角度摆放，构成3d扫描式激光测振模块；
25.所述3d扫描式激光测振模块用于对大型工程结构上布设的各个扫描点进行3d逐
点扫描式振动特性测试，初步判断是否存在疑似损伤部位；所述2d扫描式激光测振模块用于对疑似损伤部位进行2d逐点扫描式加密测试，确定具体的损伤区域。
26.一方面，提供了一种大型工程结构振动特性测试系统的无线信号延迟标定方法，包括以下步骤：
27.利用参考信号采集子系统提供参考信号输入源，对大型工程结构上的参考点进行振动特性测试或激振，获取参考信号；
28.利用扫描式激光测振子系统对大型工程结构的振动特性进行扫描式测试，获取测试信号；
29.通过数据采集与分析子系统同步采集和存储所述参考信号和所述测试信号；
30.根据所述参考信号和所述测试信号进行结构损伤的评估与定位；
31.其中，所述参考信号采集子系统提供的参考信号输入源包括单点式激光测振仪、无线加速度传感器和无线力锤中的一种或多种；
32.并且，测试过程中，利用所述单点式激光测振仪测得的参考信号对所述无线加速度传感器和所述无线力锤测得的参考信号进行延迟标定。
33.优选地，所述单点式激光测振仪对准所述参考点进行测试，以获取参考信号；所述无线加速度传感器安装在所述参考点附近，感应结构振动以获取参考信号；所述无线力锤敲击所述参考点附近，通过自身安装的压力传感器获取参考信号；
34.所述无线加速度传感器的安装位置和所述无线力锤的敲击位置与所述参考点的距离不超过预设值；
35.所述单点式激光测振仪、所述无线加速度传感器和所述无线力锤测得的参考信号与所述扫描式激光测振子系统测得的测试信号通过所述数据采集与分析子系统同步采集和存储；
36.所述数据采集与分析子系统根据所述单点式激光测振仪测得的参考信号对所述无线加速度传感器和所述无线力锤测得的参考信号进行延迟标定，解决无线信号时间不同步导致的相位差问题。
37.优选地，具体标定及测试过程如下：
38.制定测试方案，在大型工程结构上布设参考点和一系列扫描点；
39.根据实际情况选择参考信号采集子系统提供的参考信号输入源，包括单点式激光测振仪、无线加速度传感器和无线力锤中的一种或多种；
40.安装扫描式激光测振子系统；所述扫描式激光测振子系统包括多个扫描式激光测振仪，单个所述扫描式激光测振仪为2d扫描式激光测振仪，构成2d扫描式激光测振模块；多个所述2d扫描式激光测振仪沿不同测试角度摆放，构成3d扫描式激光测振模块；
41.测试过程中，利用所述单点式激光测振仪测得的参考信号对所述无线加速度传感器和所述无线力锤测得的参考信号进行延迟标定；
42.利用所述3d扫描式激光测振模块对各个扫描点进行3d逐点扫描式振动特性测试，将测试结果与理论结果进行对比，包括基频和振型的对比，初步判断是否存在疑似损伤部位；
43.若存在疑似损伤部位，则确定振型最敏感的2d测试面，利用所述2d扫描式激光测振模块进行2d逐点扫描式加密测试，判断是否存在损伤区域；
44.若存在损伤区域，则进行2d连续扫描式精准测试，根据振型变化对损伤区域进行精准定位；
45.保存测试及分析结果。
46.本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
47.本发明针对目前大型工程结构损伤评估中所面临的动力特性参数获取困难，传感器布置工作量大、无线信号传输延迟等瓶颈问题，提出了一种将激光测振技术与无线传感及信号传输相结合的超远距全域动力特性测试方案；通过所提出的信号延迟精准标定方案，解决传感器信号无线传输导致的信号延迟问题，提升测试精度；通过提出的3d和2d逐点扫描和连续扫描测试的高效实施流程，为大型工程结构的远距离非接触式测试提供了系统性的新的解决方案。
48.此外，通过已有的实施案例可以看出，所述测试系统及延迟标定方法具备高效、精准的测试特点，为高层建筑、大型桥梁、高耸建筑和超大体积构筑物的动力特性参数识别和模态分析，提供了硬件支撑和高效实施方法，具有显著的技术优势和广阔的应用前景。
附图说明
49.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
50.图1a-图1c是土木工程领域超高层建筑、高耸钢结构和大型桥梁的示意图；
51.图2是本发明实施例提供的基于单点式激光测振仪和3d扫描式激光测振模块的测试系统结构示意图；
52.图3是本发明实施例提供的基于单点式激光测振仪和2d扫描式激光测振模块的测试系统结构示意图；
53.图4是本发明实施例提供的基于无线加速度传感器和3d扫描式激光测振模块的测试系统结构示意图；
54.图5是本发明实施例提供的基于无线加速度传感器和2d扫描式激光测振模块的测试系统结构示意图；
55.图6是本发明实施例提供的基于无线力锤和3d扫描式激光测振模块的测试系统结构示意图；
56.图7是本发明实施例提供的基于无线力锤和2d扫描式激光测振模块的测试系统结构示意图；
57.图8是本发明实施例提供的测试系统进行延迟标定的布置示意图；
58.图9a-图9c分别是本发明实施例提供的逐点扫描测试、加密线连续扫描测试和面连续扫描测试的示意图；
59.图10是本发明实施例提供的基于模态振型识别大型结构损伤的机理示意图；
60.图11是本发明实施例提供的测试系统的具体标定及测试过程示意图；
61.图12是本发明实施例提供的异形复杂钢结构观景平台实测振型示意图；
62.图13是本发明实施例提供的异形复杂钢结构观景平台频谱分析示意图。
63.如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在本发明的保护范围中。
具体实施方式
64.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
65.本发明的实施例提供了一种大型工程结构振动特性测试系统，包括参考信号采集子系统、扫描式激光测振子系统和数据采集与分析子系统；
66.其中，参考信号采集子系统用于提供参考信号输入源，对大型工程结构上的参考点进行振动特性测试或激振，获取参考信号；扫描式激光测振子系统用于对大型工程结构的振动特性进行扫描式测试，获取测试信号；所述参考信号和所述测试信号均通过数据采集与分析子系统进行同步采集和存储；
67.数据采集与分析子系统用于根据所述参考信号和所述测试信号进行结构损伤的评估与定位。
68.如图2-图7所示，本发明实施例中，参考信号采集子系统提供的参考信号输入源包括单点式激光测振仪11、无线加速度传感器12和无线力锤13中的一种或多种。
69.其中，单点式激光测振仪11对准所述参考点进行测试，以获取参考信号；无线加速度传感器12安装在所述参考点附近，感应结构振动以获取参考信号；无线力锤13敲击所述参考点附近，通过自身安装的压力传感器获取参考信号。
70.无线加速度传感器12的安装位置和无线力锤13的敲击位置与所述参考点的距离不超过预设值。也就是说，无线加速度传感器12安装位置和自动力锤13敲击点距离单点式激光测振仪11测点的距离应足够小，优选地，该距离不超过5cm，具体的布置如图8所示。
71.并且，测试过程中，利用所述单点式激光测振仪测得的参考信号对所述无线加速度传感器和所述无线力锤测得的参考信号进行延迟标定。
72.进一步地，扫描式激光测振子系统包括多个扫描式激光测振仪21，多个扫描式激光测振仪21均由脚架4进行支撑。
73.单个扫描式激光测振仪21为2d扫描式激光测振仪，构成2d扫描式激光测振模块；多个2d扫描式激光测振仪沿不同测试角度摆放，构成3d扫描式激光测振模块。例如，图2、图4、图6中3个2d扫描式激光测振仪21-1、21-2、21-3共同构成3d扫描式激光测振模块。
74.其中，所述3d扫描式激光测振模块用于对大型工程结构上布设的各个扫描点进行3d逐点扫描式振动特性测试，初步判断是否存在疑似损伤部位；所述2d扫描式激光测振模块用于对疑似损伤部位进行2d逐点扫描式加密测试，确定具体的损伤区域。
75.具体地，图2是基于单点式激光测振仪和3d扫描式激光测振模块的测试系统结构示意图；图3是基于单点式激光测振仪和2d扫描式激光测振模块的测试系统结构示意图；图4是基于无线加速度传感器和3d扫描式激光测振模块的测试系统结构示意图；图5是基于无
线加速度传感器和2d扫描式激光测振模块的测试系统结构示意图；图6是基于无线力锤和3d扫描式激光测振模块的测试系统结构示意图；图7是基于无线力锤和2d扫描式激光测振模块的测试系统结构示意图。
76.本发明实施例中，单点式激光测振仪11为长焦距单点式激光测振仪，对准参考点进行测试，测试距离不小于300m。单点式激光测振仪11用于对参考点进行振动特性测试，并将得到的参考信号传输至数据采集与分析子系统3。
77.单点式激光测振仪11通过脚架4进行支撑，并通过信号调理仪5连接至数据采集与分析子系统3，信号调理仪4还连接远景相机显示屏5，用于对参考点的测试位置进行实时显示。
78.无线加速度传感器12接触式设置在参考点附近(距离参考点不超过5cm)，测得的参考信号通过信号发射端121发送至数据采集与分析子系统3，数据采集与分析子系统3设置信号接收端122，用于接收无线加速度传感器12测得的参考信号。
79.无线力锤13上安装的压力传感器测得的参考信号通过无线发射器131发送至数据采集与分析子系统3，数据采集与分析子系统3设置无线接收器132，用于接收压力传感器测得的参考信号。
80.由于光速较快，单点式激光测振仪11的参考信号可认为是不存在误差。但是，无线加速度传感器12和无线力锤13的参考信号传输速度相对较慢，因此导致了参考信号的延迟。测试时，利用单点式激光测振仪11测得的参考信号对无线加速度传感器12和无线力锤13测得的参考信号进行延迟标定，消除无线信号延迟对测试的影响，提高测试精度。
81.标定后，利用3d扫描式激光测振模块对各个扫描点进行3d逐点扫描式振动特性测试(如图9a所示)，基于图10所示的机理，将测试结果与理论结果进行对比，包括基频和振型的对比，初步判断是否存在疑似损伤部位；若存在疑似损伤部位，则确定振型最敏感的2d测试面，利用2d扫描式激光测振模块进行2d逐点扫描式加密测试(如图9b所示)，判断是否存在损伤区域；若存在损伤区域，则进行2d连续扫描式精准测试(如图9c所示)，根据振型变化对损伤区域进行精准定位。
82.具体地，如图10和表1所示，当工程结构出现损伤时，其基和振型均产生变化。结构损伤将导致结构整体刚度下降，振动周期增大，振动频率降低。基于此，可实现结构损伤的快速评估。此外，在结构损伤处，损伤将导致结构刚度突变，振型变化显著，依据逐点扫描和连续扫描得到的高精度振型图，可实现对损伤位置的定位。
83.表1有无损伤各阶模态频率对比(单位：hz)
84.85.相应地，本发明的实施例还提供了一种大型工程结构振动特性测试系统的无线信号延迟标定方法，所述方法包括：
86.利用参考信号采集子系统提供参考信号输入源，对大型工程结构上的参考点进行振动特性测试或激振，获取参考信号；
87.利用扫描式激光测振子系统对大型工程结构的振动特性进行扫描式测试，获取测试信号；
88.通过数据采集与分析子系统同步采集和存储所述参考信号和所述测试信号；
89.根据所述参考信号和所述测试信号进行结构损伤的评估与定位；
90.其中，参考信号采集子系统提供的参考信号输入源包括单点式激光测振仪、无线加速度传感器和无线力锤中的一种或多种；
91.并且，测试过程中，利用单点式激光测振仪测得的参考信号对无线加速度传感器和无线力锤测得的参考信号进行延迟标定。
92.进一步地，单点式激光测振仪对准参考点进行测试，以获取参考信号；无线加速度传感器安装在参考点附近，感应结构振动以获取参考信号；无线力锤敲击参考点附近，通过自身安装的压力传感器获取参考信号。
93.其中，无线加速度传感器的安装位置和无线力锤的敲击位置与参考点的距离不超过预设值；优选地，该预设值为5cm。
94.单点式激光测振仪、无线加速度传感器和无线力锤测得的参考信号与扫描式激光测振子系统测得的测试信号通过数据采集与分析子系统同步采集和存储；
95.数据采集与分析子系统根据单点式激光测振仪测得的参考信号对无线加速度传感器和无线力锤测得的参考信号进行延迟标定，解决无线信号时间不同步导致的相位差问题。
96.如图11所示，具体标定及测试过程如下：
97.制定测试方案，在大型工程结构上布设参考点和一系列扫描点；
98.根据实际情况选择参考信号采集子系统提供的参考信号输入源，包括单点式激光测振仪、无线加速度传感器和无线力锤中的一种或多种；
99.安装扫描式激光测振子系统；所述扫描式激光测振子系统包括多个扫描式激光测振仪，单个所述扫描式激光测振仪为2d扫描式激光测振仪，构成2d扫描式激光测振模块；多个所述2d扫描式激光测振仪沿不同测试角度摆放，构成3d扫描式激光测振模块；
100.测试过程中，利用所述单点式激光测振仪测得的参考信号对所述无线加速度传感器和所述无线力锤测得的参考信号进行延迟标定；
101.利用所述3d扫描式激光测振模块对各个扫描点进行3d逐点扫描式振动特性测试，将测试结果与理论结果进行对比，包括基频和振型的对比，初步判断是否存在疑似损伤部位；
102.若存在疑似损伤部位，则确定振型最敏感的2d测试面，利用所述2d扫描式激光测振模块进行2d逐点扫描式加密测试，判断是否存在损伤区域；
103.若存在损伤区域，则进行2d连续扫描式精准测试，根据振型变化对损伤区域进行精准定位；
104.保存测试及分析结果。
105.图12和图13是利用本发明所述测试系统及延迟标定方法对异形复杂钢结构观景平台进行测试得到的实测振型及频谱分析示意图。可以看出，本发明提出的测试方案具备高效、全域测试的显著技术优势。
106.综上所述，本发明提出了基于长焦距扫描式激光测振仪的大型工程结构损伤测试方法，分别采用长焦距3d和2d激光测振模块进行逐点扫描测试，采用单点式激光测振仪、无线加速度传感器和无线力锤提供参考信号进行系统的信号延迟标定，解决由于无线信号延迟导致的信号数据时间不同步，进而导致相位差问题。本发明提出了基于逐点扫描和连续扫描相结合的高效实施流程和损伤评判方法，测试精度高、现场作业周期短，为大型工程结构的损伤评估和损伤定位提供了新的解决方案，具有广阔的应用场景。
107.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
108.在说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等指示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。另外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合其它实施例(无论是否明确描述)实现这种特征、结构或特性应在相关领域技术人员的知识范围内。
109.通常，可以至少部分从上下文中的使用来理解术语。例如，至少部分取决于上下文，本文中使用的术语“一个或多个”可以用于描述单数意义的任何特征、结构或特性，或者可以用于描述复数意义的特征、结构或特性的组合。另外，术语“基于”可以被理解为不一定旨在传达一组排他性的因素，而是可以替代地，至少部分地取决于上下文，允许存在不一定明确描述的其他因素。
110.本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路等。
111.本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读取存储介质中，如：rom/ram、磁碟、光盘等。
112.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。