基于激光遥测方法的某在役风电塔现场实测分析

工程科学学报，第38卷，第10期：1475-1481,2016年10月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.10:1475-1481,October 2016 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2016.10.017:http://journals..ustb.edu.cn 基于激光遥测方法的某在役风电塔现场实测分析 戴靠山2)四，王英2》，黄益超2) 1)同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海2000922)同济大学结构工程与防灾研究所，上海200092 ☒通信作者，E-mail:kdai@tongji.edu.cn 摘要风力发电塔作为一类特殊的高柔结构，顶部支撑的风机在工作状态下对塔身产生动态激励，目前的风电塔振动实测 通常采用接触式传感器.为发展风电塔现场非接触测试技术，本文对激光遥测方法进行阐述，利用加速度计和激光遥测设备 对某1.5MW风电塔进行环境脉动激励下的动力实测，对两种仪器的现场使用及测试结果进行对比，分析遥测方法的优势. 利用得到的多组实测信号，分别采用峰值拾取法和随机子空间识别法进行分析处理，获得该风电塔的自振频率 关键词风力发电塔：激光测振仪；动力实测：自振频率；信号分析 分类号TK83:TU279.7 Field testing of an in-service wind turbine tower using a laser based remote sensing method DAI Kao-shan,WANG Ying?,HUANG Yi-chao2 1)State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China: 2)Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction,Tongji University,Shanghai 200092,China Corresponding author,E-mail:kdai@tongji.edu.cn ABSTRACT As a special slender structure,a wind turbine tower with a turbine on the top of the structure is sensitive to dynamic loading.Therefore,it is critical to accurately assess the vibrational behaviors of the wind turbine tower.To facilitate field testing of wind turbine towers,a laser Doppler vibrometer was proposed in the ambient vibration testing.Comparisons between the conventional contact accelerometer method and the laser based remote sensing method were made in the aspects of testing efficiency and result valid- ity.Based on a series of vibration signals collected from a 1.5 MW wind turbine tower,the natural frequencies of this tower were ob- tained by using different vibration analysis methods. KEY WORDS wind turbine towers;laser Doppler vibrometers:ambient vibration tests:natural frequency:signal analysis 20世纪90年代以来，我国大力发展风能产业，在的影响；对建成后风电塔现场实测，获得其振动特性， 西部以及东部沿海地区已建立许多大规模风电场，并 也是目前认证机构主要关心点之一·实际上，风机运 且在2010年超越美国成为全球风电装机容量第一大 行期间也多需要进行振动监测，以便及时发现异常情 国四.了解已建成风电塔的结构特性，有助于针对我 况进行停机检修四.风电塔是一类高耸柔性结构，地 国服役一定阶段风电场发展科学的设备安全评估方 震作用对其影响可能较大田.我国沿海及西北等风能 法.我国现行的风电塔设计文件明确要求塔筒固有频 充沛的地区大部分处于地震带，然而早期我国风电塔 率与叶片通过频率之间有适当的间隔回，单靠设计阶 塔筒设计多参照欧洲标准，未系统地研究符合我国地 段的计算很难准确考虑地基土等因素对结构动力特性 理特性的设计规范同.明确风电塔的动力特性有助于 收稿日期：2015-12-13 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51208382)：上海市国际科技合作基金项目(16510711300)：土木工程防灾国家重点实验室自主研究 课题(SLDRCE14-B02):上海科技支撑计划资助项目(13dz1203402)

工程科学学报，第 38 卷，第 10 期: 1475--1481，2016 年 10 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 10: 1475--1481，October 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 10． 017; http: / /journals． ustb． edu． cn 基于激光遥测方法的某在役风电塔现场实测分析 戴靠山1，2) ，王 英2) ，黄益超2) 1) 同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092 2) 同济大学结构工程与防灾研究所，上海 200092  通信作者，E-mail: kdai@ tongji． edu． cn 摘 要 风力发电塔作为一类特殊的高柔结构，顶部支撑的风机在工作状态下对塔身产生动态激励，目前的风电塔振动实测 通常采用接触式传感器． 为发展风电塔现场非接触测试技术，本文对激光遥测方法进行阐述，利用加速度计和激光遥测设备 对某 1. 5 MW 风电塔进行环境脉动激励下的动力实测，对两种仪器的现场使用及测试结果进行对比，分析遥测方法的优势． 利用得到的多组实测信号，分别采用峰值拾取法和随机子空间识别法进行分析处理，获得该风电塔的自振频率． 关键词 风力发电塔; 激光测振仪; 动力实测; 自振频率; 信号分析 分类号 TK83; TU279. 7 Field testing of an in-service wind turbine tower using a laser based remote sensing method DAI Kao-shan1，2)  ，WANG Ying2) ，HUANG Yi-chao2) 1) State Key Laboratory of Disaster Ｒeduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China; 2) Ｒesearch Institute of Structural Engineering and Disaster Ｒeduction，Tongji University，Shanghai 200092，China  Corresponding author，E-mail: kdai@ tongji． edu． cn ABSTＲACT As a special slender structure，a wind turbine tower with a turbine on the top of the structure is sensitive to dynamic loading． Therefore，it is critical to accurately assess the vibrational behaviors of the wind turbine tower． To facilitate field testing of wind turbine towers，a laser Doppler vibrometer was proposed in the ambient vibration testing． Comparisons between the conventional contact accelerometer method and the laser based remote sensing method were made in the aspects of testing efficiency and result valid￾ity． Based on a series of vibration signals collected from a 1. 5 MW wind turbine tower，the natural frequencies of this tower were ob￾tained by using different vibration analysis methods． KEY WOＲDS wind turbine towers; laser Doppler vibrometers; ambient vibration tests; natural frequency; signal analysis 收稿日期: 2015--12--13 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51208382) ; 上海市国际科技合作基金项目( 16510711300) ; 土木工程防灾国家重点实验室自主研究 课题( SLDＲCE14--B--02) ; 上海科技支撑计划资助项目( 13dz1203402) 20 世纪 90 年代以来，我国大力发展风能产业，在 西部以及东部沿海地区已建立许多大规模风电场，并 且在 2010 年超越美国成为全球风电装机容量第一大 国［1］． 了解已建成风电塔的结构特性，有助于针对我 国服役一定阶段风电场发展科学的设备安全评估方 法． 我国现行的风电塔设计文件明确要求塔筒固有频 率与叶片通过频率之间有适当的间隔［2］，单靠设计阶 段的计算很难准确考虑地基土等因素对结构动力特性 的影响; 对建成后风电塔现场实测，获得其振动特性， 也是目前认证机构主要关心点之一． 实际上，风机运 行期间也多需要进行振动监测，以便及时发现异常情 况进行停机检修［3］． 风电塔是一类高耸柔性结构，地 震作用对其影响可能较大［4］． 我国沿海及西北等风能 充沛的地区大部分处于地震带，然而早期我国风电塔 塔筒设计多参照欧洲标准，未系统地研究符合我国地 理特性的设计规范［5］． 明确风电塔的动力特性有助于

·1476 工程科学学报，第38卷，第10期 研究其在动力作用下的响应，完善相关结构设计理论 速发展.主要的基于激光技术的测量方法有全息干涉 因此，发展高效的现场实测手段和科学的数据分析方 测量技术、散斑法测量技术、激光三角法测量技术、激 法是关系风场安全运行的一个重要工作. 光多普勒测量技术等.其中，激光多普勒测振技术具 关于风电塔结构的现场测试已有一些报道.马人 有非接触性，对被测物体不产生影响，响应速度快，测 乐等对内蒙古某风场中三座风电机组进行环境脉动 量频带宽，分辨率高，对反射面要求不高，且不受温度 实测，并根据实测数据提出一种新的风电塔塔筒建模 影响等优点，被广泛应用于各种流体测量以及固体表 方法.黄帅等m基于实测提出某风电塔在位移、暴风 面运动速度测量☒ 荷载等方面的设计不足.Kilie和Unluturk圆设计了一 多普勒效应是波动的特有性质，当波源、观察者、 套基于无线网络的风电塔结构健康监测系统，并进行 介质或反射点发生相对运动时，观察到的波与波源产 实测验证了其可行性.大量的现场实测需要高效率的 生的波相比频率（或波长）会发生变化，即多普勒频 测量方式，然而目前风电塔振动实测通常采用接触式 移.图1(a)是以反射点发生运动为例的多普勒效应 传感器，需要人工将传感器安装于风电塔适当位置，费 示意图.当反射点发生运动时，观察点接收到的波形 时费力.一些新型非接触测试手段近来得到研究关 频率不同于波源发出的波形频率.如图1(b)所示，0 注.Chang和Ji网利用摄影测量对一风电塔进行监测， 为光源，S为观察者，T为被测运动物体（反射点），则 得出该风电塔叶片与塔身的振动特性：但该方法需要 由被测物体运动引起的多普勒频移∫。可表示为式 在测量部位安装识别标志.Pieraccini等a利用微波 (1)四.通过测得该频移量∫。即可由式(1)推知被测 雷达对风电塔进行测试，方便有效地得出其振动特性， 物体的运动速度信息. 然而其研究发现结构表面过于平整会降低该雷达信号 n=大u(e,-el (1) 的反射效果. 由于风电塔结构体量较大，人工激励困难，所以往 式中，“为被测物体的运动速度，入为所采用激光的波 往采用环境脉动作为激励源.这类测试方法通常仅针 长，e。和e,分别为光源到被测物体和被测物体到观察 对响应信号进行处理.基于输出信号的数据处理方法 者的单位向量 可分为频域法、时域法和时频域法.频域计算方法的 优点是计算量小，可用于数据的初步分析，常用的频域 观察点· 法有峰值拾取法(peak-picking,PP)、频域分解法(fre- 波源发出的波形： quency domain decomposition,FDD)等；时域计算方法 AAA 是计算精度高，但计算量大，适合用于数据的精细分 反射点 析，常用的时域方法有基于状态空间模型的特征系统 观察点收到的波形： 实现算法(eigensystem realization algorithm,ERA)、随 4AAMAA 机子空间识别(stochastic subspace identification,SSI)、 基于自回归滑动平均模型(auto-regressive and moving % average model,ARMA)等：时频域分析法可研究时变 性系统的特征，常用的时频域分析法有小波变换 (wavelet transform,WT)、希尔伯特-黄变换(Hilbert-一 Huang transform,HHT)0 为发展风电塔现场非接触测试方法，分别利用压 电式加速度计和激光多普勒测振仪(laser Doppler vi- 图1激光多普勒测振基本原理.(a)多普勒频移：(b)测振方法 brometer,LDV)对一座l.5MW风电塔开展了环境脉 Fig.1 Laser Doppler vibrometer basics:(a)Doppler frequency 动激励下的动力实测，对两种仪器的现场使用及测试 shift:(b)velocity measurement 结果进行对比，分析遥测方法的优势.利用得到的风 电塔多组实测信号，分别采用峰值拾取法和随机子空 激光多普勒技术是通过被测物体散射光的多普勒 间识别法进行分析处理，计算获得该风电塔的前三阶 效应来测振的.基于激光多普勒技术，通过不同的光 自振频率 路设计，可以实现多种不同的测量要求.常见的激光 1激光遥测的基本原理 多普勒测振仪类型有单点式激光测振仪、扫描型激光 测振仪、三维激光测振仪、多点激光测振仪、远距离激 激光器的诞生使获得纯度高、平行性好的相干光 光测振仪等.图2为一种典型的激光多普勒测振仪的 源成为可能，各种基于激光技术的测量方法也随之迅 光路示意图.由激光器产生的激光由分光镜分为两

工程科学学报，第 38 卷，第 10 期 研究其在动力作用下的响应，完善相关结构设计理论． 因此，发展高效的现场实测手段和科学的数据分析方 法是关系风场安全运行的一个重要工作． 关于风电塔结构的现场测试已有一些报道． 马人 乐等［6］对内蒙古某风场中三座风电机组进行环境脉动 实测，并根据实测数据提出一种新的风电塔塔筒建模 方法． 黄帅等［7］基于实测提出某风电塔在位移、暴风 荷载等方面的设计不足． Kilic 和 Unluturk［8］设计了一 套基于无线网络的风电塔结构健康监测系统，并进行 实测验证了其可行性． 大量的现场实测需要高效率的 测量方式，然而目前风电塔振动实测通常采用接触式 传感器，需要人工将传感器安装于风电塔适当位置，费 时费力． 一些新型非接触测试手段近来得到研究关 注． Chang 和 Ji［9］利用摄影测量对一风电塔进行监测， 得出该风电塔叶片与塔身的振动特性; 但该方法需要 在测量部位安装识别标志． Pieraccini 等［10］利用微波 雷达对风电塔进行测试，方便有效地得出其振动特性， 然而其研究发现结构表面过于平整会降低该雷达信号 的反射效果． 由于风电塔结构体量较大，人工激励困难，所以往 往采用环境脉动作为激励源． 这类测试方法通常仅针 对响应信号进行处理． 基于输出信号的数据处理方法 可分为频域法、时域法和时频域法． 频域计算方法的 优点是计算量小，可用于数据的初步分析，常用的频域 法有峰值拾取法( peak-picking，PP) 、频域分解法( fre￾quency domain decomposition，FDD) 等; 时域计算方法 是计算精度高，但计算量大，适合用于数据的精细分 析，常用的时域方法有基于状态空间模型的特征系统 实现算法( eigensystem realization algorithm，EＲA) 、随 机子空间识别( stochastic subspace identification，SSI) 、 基于自回归滑动平均模型( auto-regressive and moving average model，AＲMA) 等; 时频域分析法可研究时变 性系统 的 特 征，常 用 的 时 频 域 分 析 法 有 小 波 变 换 ( wavelet transform，WT) 、希尔伯特--黄变换( Hilbert-- Huang transform，HHT) 等［11］． 为发展风电塔现场非接触测试方法，分别利用压 电式加速度计和激光多普勒测振仪( laser Doppler vi￾brometer，LDV) 对一座 1. 5 MW 风电塔开展了环境脉 动激励下的动力实测，对两种仪器的现场使用及测试 结果进行对比，分析遥测方法的优势． 利用得到的风 电塔多组实测信号，分别采用峰值拾取法和随机子空 间识别法进行分析处理，计算获得该风电塔的前三阶 自振频率． 1 激光遥测的基本原理 激光器的诞生使获得纯度高、平行性好的相干光 源成为可能，各种基于激光技术的测量方法也随之迅 速发展． 主要的基于激光技术的测量方法有全息干涉 测量技术、散斑法测量技术、激光三角法测量技术、激 光多普勒测量技术等． 其中，激光多普勒测振技术具 有非接触性，对被测物体不产生影响，响应速度快，测 量频带宽，分辨率高，对反射面要求不高，且不受温度 影响等优点，被广泛应用于各种流体测量以及固体表 面运动速度测量［12］． 多普勒效应是波动的特有性质，当波源、观察者、 介质或反射点发生相对运动时，观察到的波与波源产 生的波相比频率( 或波长) 会发生变化，即多普勒频 移． 图 1( a) 是以反射点发生运动为例的多普勒效应 示意图． 当反射点发生运动时，观察点接收到的波形 频率不同于波源发出的波形频率． 如图 1( b) 所示，O 为光源，S 为观察者，T 为被测运动物体( 反射点) ，则 由被测物体运动引起的多普勒频移 fD 可表示为式 ( 1) ［13］． 通过测得该频移量 fD 即可由式( 1) 推知被测 物体的运动速度信息． fD = 1 λ | u( es － eo ) | ． ( 1) 式中，u 为被测物体的运动速度，λ 为所采用激光的波 长，eo 和 es 分别为光源到被测物体和被测物体到观察 者的单位向量． 图 1 激光多普勒测振基本原理． ( a) 多普勒频移; ( b) 测振方法 Fig． 1 Laser Doppler vibrometer basics: ( a ) Doppler frequency shift; ( b) velocity measurement 激光多普勒技术是通过被测物体散射光的多普勒 效应来测振的． 基于激光多普勒技术，通过不同的光 路设计，可以实现多种不同的测量要求． 常见的激光 多普勒测振仪类型有单点式激光测振仪、扫描型激光 测振仪、三维激光测振仪、多点激光测振仪、远距离激 光测振仪等． 图 2 为一种典型的激光多普勒测振仪的 光路示意图． 由激光器产生的激光由分光镜分为两 · 6741 ·

戴靠山等：基于激光遥测方法的某在役风电塔现场实测分析 ·1477· 束：一束通过透镜后投射于被测物体，由于透镜的聚焦 (a 作用，可以使得激光汇聚于一点，便于瞄准微小目标： 另一束则通过布拉格盒调制，作为参考光投射于观测 器.被测物体的反射光线同样传递到观测器.通过对 比参考光线与反射光线干涉图样的变化可得到频移量 ∫。通过合理的透镜选择与组合，该种激光多普勒测 振仪可以测量小到毫米级，大到几十米甚至几百米远 目标的振动测量.随着集成光路的发展，激光多普勒 测振仪的生产趋于小型化和便携化，市场也更为广泛· 分光镜 透镜 激光器 被测物体 b (c) 反射镜 布拉格盒 1 探测器 ◆激光测点 单位：mm 图2激光多普勒测振仪的结构示意图 一激光束 Fig.2 Basic structure of a laser Doppler vibrometer 五层平台 四层平台 2风电塔振动实测 三层平台 为比较不同测试方法的差别，先后利用激光多普 8029L 勒测振仪和加速度传感器两种方法对一风电塔进行动 二层平台 力测试（图3(）和(b).实测对象为某风力发电场的 一座1.5MW水平轴风力发电塔塔筒.该风力发电塔 一层平台 于2007年建成投产，叶片数量为3，叶片轴心高度为 65m,叶片长度均为34.5m.塔简净高63.15m,底部直 径4.04m,顶部直径2.96m,由2两个法兰分成三段， 图3利用加速度计与激光测振仪对风电塔进行实测.()加速 每段内部连接采用焊接，内部共有五个工作平台（图3 度计布设：(b)激光测振仪布设：(c)风电塔尺寸 (c)).塔简底部有一个宽0.83m,高2.40m的长椭圆 Fig.3 Field testing of a wind turbine tower:(a)accelerometer de- 形门洞，门洞底部标高为1.30m.风电塔基础采用灌 ployment:(b)laser Doppler vibrometer setup:(e)structural dimen- 注桩基础. sion 测试采用远距离激光多普勒测振仪，其光路设计 同图2，最大测量距离为300m,技术参数如表1所示. 激光多普勒测振仪 试验过程中首先在距离风电塔约200m左右的空旷场 地上布置好测振仪、采集仪、电脑等仪器（图4），再用 测振仪配置的光学望远镜对测量位置进行瞄准，同时 采集 聚焦激光，之后在电脑上利用测振仪器配套的采集软 件选择所需的采样频率和采集时间，即可进行数据的 连续采集和储存.因塔简为圆柱形，为减少侧向振动 引起的测量误差，试验中注意尽量瞄准测量高度塔筒 的中间位置.试验中分别获得了轮教(2组数据)、塔 筒上部(5组数据)和塔筒中部(6组数据)三个位置垂 直于叶片方向的振动速度时程，采样频率选择为240 Hz,采样时长为5~10min.整个现场测试，包括仪器 架设、数据采集等工作，两个多小时即完成，而其中仪 图4激光多普勒测振仪系统 器架设只用了大致l0min. Fig.4 Laser Doppler vibrometer system deployment

戴靠山等: 基于激光遥测方法的某在役风电塔现场实测分析 束: 一束通过透镜后投射于被测物体，由于透镜的聚焦 作用，可以使得激光汇聚于一点，便于瞄准微小目标; 另一束则通过布拉格盒调制，作为参考光投射于观测 器． 被测物体的反射光线同样传递到观测器． 通过对 比参考光线与反射光线干涉图样的变化可得到频移量 fD ． 通过合理的透镜选择与组合，该种激光多普勒测 振仪可以测量小到毫米级，大到几十米甚至几百米远 目标的振动测量． 随着集成光路的发展，激光多普勒 测振仪的生产趋于小型化和便携化，市场也更为广泛． 图 2 激光多普勒测振仪的结构示意图 Fig． 2 Basic structure of a laser Doppler vibrometer 2 风电塔振动实测 为比较不同测试方法的差别，先后利用激光多普 勒测振仪和加速度传感器两种方法对一风电塔进行动 力测试( 图 3( a) 和( b) ) ． 实测对象为某风力发电场的 一座 1. 5 MW 水平轴风力发电塔塔筒． 该风力发电塔 于 2007 年建成投产，叶片数量为 3，叶片轴心高度为 65 m，叶片长度均为 34. 5 m． 塔筒净高 63. 15 m，底部直 径 4. 04 m，顶部直径 2. 96 m，由 2 两个法兰分成三段， 每段内部连接采用焊接，内部共有五个工作平台( 图 3 ( c) ) ． 塔筒底部有一个宽 0. 83 m，高 2. 40 m 的长椭圆 形门洞，门洞底部标高为 1. 30 m． 风电塔基础采用灌 注桩基础． 测试采用远距离激光多普勒测振仪，其光路设计 同图 2，最大测量距离为 300 m，技术参数如表 1 所示． 试验过程中首先在距离风电塔约 200 m 左右的空旷场 地上布置好测振仪、采集仪、电脑等仪器( 图 4) ，再用 测振仪配置的光学望远镜对测量位置进行瞄准，同时 聚焦激光，之后在电脑上利用测振仪器配套的采集软 件选择所需的采样频率和采集时间，即可进行数据的 连续采集和储存． 因塔筒为圆柱形，为减少侧向振动 引起的测量误差，试验中注意尽量瞄准测量高度塔筒 的中间位置． 试验中分别获得了轮毂( 2 组数据) 、塔 筒上部( 5 组数据) 和塔筒中部( 6 组数据) 三个位置垂 直于叶片方向的振动速度时程，采样频率选择为 240 Hz，采样时长为 5 ～ 10 min． 整个现场测试，包括仪器 架设、数据采集等工作，两个多小时即完成，而其中仪 器架设只用了大致 10 min． 图 3 利用加速度计与激光测振仪对风电塔进行实测． ( a) 加速 度计布设; ( b) 激光测振仪布设; ( c) 风电塔尺寸 Fig． 3 Field testing of a wind turbine tower: ( a) accelerometer de￾ployment; ( b) laser Doppler vibrometer setup; ( c) structural dimen￾sion 图 4 激光多普勒测振仪系统 Fig． 4 Laser Doppler vibrometer system deployment · 7741 ·

·1478 工程科学学报，第38卷，第10期 采用现场测试中常用的布设加速度传感器的方法 所使用采集软件为同济大学土木工程学院自主开发的 进行对比试验，其中加速度计为单轴压电式传感器，技 SVSA系统.试验采样频率为50Hz,采样时长为5~10 术参数如表1所示.测试过程中首先需要依靠人工攀 min.获得包含三个平台（二层、三层和五层）高度侧向 爬将加速度计、连接线、采集仪、电脑等仪器设备放置 振动的数据9组.现场近6h才完成测试，其中攀爬不 在塔筒内部的平台上，再在平台上将加速度计通过连 同高度的塔筒进行传感器布设，特别是传感器引线连 接线与采集仪和电脑相连接，同样通过采集软件控制 接等工作，花了3h才得以完成，相比激光遥测的方 采样频率和采样时间进行信号采集，见图5.本试验中 法，现场工作量多出许多. 表1两种传感器的技术参数 Table 1 Technical parameters of the sensors 技术参数 低频加速度计 技术参数 激光多普勒测振仪 准确度 (40000mV)/g 精度设置 (0.4~100)mms1.V-l 幅值范围 0.12g 测试幅值 1ms小 频带 (0.5~1000)Hz,±10% 测试带宽 (0~25)kHz 精度 5x10-1g 仪器大小 235mm×320mm×150mm 冲击保护 100g 保护等级 IP-20 质量 310g 仪器质量 6kg 5® 加速度计 www 采集仪 510152025303540 45 50 时间s 5 wWWWWiM 电脑 的g0青6 1520 25 30 35 40 4550 时间/s 图5基于加速度计的振动测试系统 图6由加速度计和激光测振仪测得的典型时程信号.()加速 Fig.5 Accelerometer-based vibration measurement system 度计；(b)激光测振仪 Fig.6 Acceleration and velocity time histories:(a)typical acceler- 所测风电塔风场未设置测风塔，故实测中未实时 ometer data:(b)typical laser Doppler vibrometer measurement 对风速进行精确测量.现场实测当天通过手持风速仪 读数所记录的风速较小，未达到所测风机的切入风速 P。/P,作归一化处理.其中：P。为归一化的a方法所 (即风速<3.5m·s),测试过程中风机处于停机状 有数据的平均功率谱密度函数，P。为a方法第一个峰 态，且在测试时间段未出现强烈阵风，故可以把风激励 值所对应频率的功率谱密度函数幅值.处理后的频域 理想为平稳随机过程，基本满足环境振动测试方法的 数据对比如图7所示. 使用前提.由于现场试验的实际情况，加速度计布置 102 -加速度计 位置高度与激光多普勒测振仪测量高度并非一一对 激光测振仪 应，但风电塔的二层平台（布置加速度计）和塔筒中部 10 (激光多普勒测振仪瞄准点)高度相近，选取此位置两 种传感器采集到的数据为例进行比较.分别截取50s 两组数据的典型时程，如图6所示. 频率/Hz 激光测振仪和加速度计两种仪器所测得数据分别 为速度与加速度.由于现场试验布置参考点的困难， 图7不同测试方法数据的颍域信息对比 试验中未对位移进行测量，但可以利用所测的速度或 Fig.7 Testing result comparison in the frequency domain 加速度信号的积分获得风电塔振动的位移，鉴于本文 从图7中对比可以看出：在塔筒中部，使用两种仪 的研究侧重点，将不进行详述.为了比较激光测振仪 器测试所得数据的频域信息相似程度较高，使用激光 和加速度计所测两种数据频率成分的差异，首先将激 多普勒测振仪可以获得可信的结构振动信号.此外， 光多普勒测振仪所得到的速度信号经过微分转化成加 压电式加速度计受温度变化等影响严重，0z处成分 速度信号，再将不同数据的功率谱密度函数按照P:= 明显，漂移现象严重：而激光多普勒测振仪所测得的数

工程科学学报，第 38 卷，第 10 期 采用现场测试中常用的布设加速度传感器的方法 进行对比试验，其中加速度计为单轴压电式传感器，技 术参数如表 1 所示． 测试过程中首先需要依靠人工攀 爬将加速度计、连接线、采集仪、电脑等仪器设备放置 在塔筒内部的平台上，再在平台上将加速度计通过连 接线与采集仪和电脑相连接，同样通过采集软件控制 采样频率和采样时间进行信号采集，见图 5． 本试验中 所使用采集软件为同济大学土木工程学院自主开发的 SVSA 系统． 试验采样频率为 50 Hz，采样时长为 5 ～ 10 min． 获得包含三个平台( 二层、三层和五层) 高度侧向 振动的数据 9 组． 现场近 6 h 才完成测试，其中攀爬不 同高度的塔筒进行传感器布设，特别是传感器引线连 接等工作，花了 3 h 才得以完成，相比激光遥测的方 法，现场工作量多出许多． 表 1 两种传感器的技术参数 Table 1 Technical parameters of the sensors 技术参数 低频加速度计 技术参数 激光多普勒测振仪 准确度 ( 40000 mV) /g 精度设置 ( 0. 4 ～ 100) mm·s － 1·V － 1 幅值范围 0. 12 g 测试幅值 1 m·s － 1 频带 ( 0. 5 ～ 1000) Hz，± 10% 测试带宽 ( 0 ～ 25) kHz 精度 5 × 10 － 7 g 仪器大小 235 mm × 320 mm × 150 mm 冲击保护 100 g 保护等级 IP--20 质量 310 g 仪器质量 6 kg 图 5 基于加速度计的振动测试系统 Fig． 5 Accelerometer-based vibration measurement system 所测风电塔风场未设置测风塔，故实测中未实时 对风速进行精确测量． 现场实测当天通过手持风速仪 读数所记录的风速较小，未达到所测风机的切入风速 ( 即风速 ＜ 3. 5 m·s － 1 ) ，测试过程中风机处于停机状 态，且在测试时间段未出现强烈阵风，故可以把风激励 理想为平稳随机过程，基本满足环境振动测试方法的 使用前提． 由于现场试验的实际情况，加速度计布置 位置高度与激光多普勒测振仪测量高度并非一一对 应，但风电塔的二层平台( 布置加速度计) 和塔筒中部 ( 激光多普勒测振仪瞄准点) 高度相近，选取此位置两 种传感器采集到的数据为例进行比较． 分别截取 50 s 两组数据的典型时程，如图 6 所示． 激光测振仪和加速度计两种仪器所测得数据分别 为速度与加速度． 由于现场试验布置参考点的困难， 试验中未对位移进行测量，但可以利用所测的速度或 加速度信号的积分获得风电塔振动的位移，鉴于本文 的研究侧重点，将不进行详述． 为了比较激光测振仪 和加速度计所测两种数据频率成分的差异，首先将激 光多普勒测振仪所得到的速度信号经过微分转化成加 速度信号，再将不同数据的功率谱密度函数按照 P'a = 图 6 由加速度计和激光测振仪测得的典型时程信号． ( a) 加速 度计; ( b) 激光测振仪 Fig． 6 Acceleration and velocity time histories: ( a) typical acceler￾ometer data; ( b) typical laser Doppler vibrometer measurement Pa /Pa1作归一化处理． 其中: Pa 为归一化的 a 方法所 有数据的平均功率谱密度函数，Pa1为 a 方法第一个峰 值所对应频率的功率谱密度函数幅值． 处理后的频域 数据对比如图 7 所示． 图 7 不同测试方法数据的频域信息对比 Fig． 7 Testing result comparison in the frequency domain 从图 7 中对比可以看出: 在塔筒中部，使用两种仪 器测试所得数据的频域信息相似程度较高，使用激光 多普勒测振仪可以获得可信的结构振动信号． 此外， 压电式加速度计受温度变化等影响严重，0 Hz 处成分 明显，漂移现象严重; 而激光多普勒测振仪所测得的数 · 8741 ·

戴靠山等：基于激光遥测方法的某在役风电塔现场实测分析 ·1479· 据该现象不明显 通过对比发现，激光多普勒测振仪用于振动测试， 可以获得有效的结构振动信息，其测量得到的振动信 号与传统方法使用加速度传感器获得的信号无明显差 别，且受温度、光照等因素影响较小.激光测试无需在 塔简 截面 塔筒上安装传感器，因此大大缩减了振动测试的现场 工作量.远距离激光测振技术相对成熟，对结构表面 无特殊的反射要求，获得的结构振动信号质量较高 R一塔筒半径 △一塔简振幅 激光束 此外，在现场测试中，加速度传感器多安装在塔筒内的 ò一测量误差 平台上，因此仅能测试特定几个高度处的振动信号，而 激光多普勒测振仪则不受此限制，对于轮毂部位等难 图8塔身侧向振动引起的测量误差分析 以安放加速度计的位置仍然可以获得其振动数据.不 Fig.8 Measurement error due to lateral vibration 过由于文中所采用的激光多普勒测振仪为单点模式， 无法多点同时测量，因而未获得结构的振型信息；如 3 风电塔振动特性识别 需结构振型信息，则可采用多台测振仪同步采样，或 对采用两种方法获得的振动信号进行处理以获得 采用扫描式激光多普勒测振仪进行同步多点测量. 该风电塔的振动特性，分别利用频域中的峰值拾取法 本次试验中所测量风电塔处于停机状态，因此变桨、 (PP)与时域中的随机子空间识别法(SS)进行分析. 偏航等风机的不同工作状态对测量未造成影响.若 其中，峰值拾取法是一种能够快速得出结构固有频率 进行风机运转状态下塔架振动测试，则需要在测试 的算法，该方法基于系统激励和响应关系（式(2）和式 中选取合适的测量位置（如轮毂处、叶片背面塔身 (3)),在白噪声假定的基础上，即外部输入F(w)频域 等)，以避免激光束被遮挡而导致无法有效获得所需 为常数时，认为结构响应在结构固有频率处出现峰值， 测点振动的情况.另外，在对风电塔塔身振动进行测 利用该原理可获得结构的固有频率. 量过程中，鉴于圆筒的几何形状，还需处理好塔筒侧 X(o)=H(o)F(o). (2) 向振动导致激光瞄准点改变而引起的测量误差.本 式中，H(o)为频率响应函数，可表示为 文试验中风机处于停机状态，对所测信号分析，得到 塔筒在垂直于激光束的平面内振幅△小于5mm,由 H(a）= PLPpr (3) 0-(2/w.)]+25(2/o.) 其引起的测量误差8<0.2%4，在沿激光束方向振动 式中，l和p分别为测点和激励点，r为模态阶数，p为 不大于垂直激光束方向振动的条件下，可判定侧向 结构振型，2和ω。分别为外界激励频率和结构固有频 振动引起的测量误差可忽略（图8）.当然，在一些极 率，（为阻尼比 端工况下，塔顶位移会出现过大振动，造成不可忽略 两种传感器所测得数据的频域响应图像如图9所 的测量误差，使用者需要特别注意。另外，在使用激 示.从加速度数据的频域图像（图9(a)可以得出，前 光测振的现场试验中，还需注意激光束和被测表面 二阶结构频率分别为0.488Hz和3.967Hz,由于加速 之间入射角度的设置，一般在激光束与被测表面垂 度计硬件敏感性和测量位置局限于塔简内部平台高度 直的时候测量效果最好，入射角的减小会削弱反射 等原因，其采集的数据未能得到结构的第三阶频率. 光的强度而影响测量效果 激光测量数据的频域图像如图9(b)所示.从图中可 300 二层平台 150 塔筒中部 2.5 0.488 三层平台 0.483 塔简上部 五层平台 轮毂 2.0 10 10 0.5 3.967 3.999 6.752 6 4 6 频率Hz 频率Hz 图9峰值拾取法计算结构频率.()加速度计数据：(b)激光测振仪数据 Fig.9 Eigen frequencies of the wind turbine tower calculated by using the peak-picking method:(a)typical accelerometer data:(b)typical laser Doppler vibrometer measurement

戴靠山等: 基于激光遥测方法的某在役风电塔现场实测分析 据该现象不明显． 通过对比发现，激光多普勒测振仪用于振动测试， 可以获得有效的结构振动信息，其测量得到的振动信 号与传统方法使用加速度传感器获得的信号无明显差 别，且受温度、光照等因素影响较小． 激光测试无需在 塔筒上安装传感器，因此大大缩减了振动测试的现场 工作量． 远距离激光测振技术相对成熟，对结构表面 无特殊的反射要求，获得的结构振动信号质量较高． 此外，在现场测试中，加速度传感器多安装在塔筒内的 平台上，因此仅能测试特定几个高度处的振动信号，而 激光多普勒测振仪则不受此限制，对于轮毂部位等难 以安放加速度计的位置仍然可以获得其振动数据． 不 过由于文中所采用的激光多普勒测振仪为单点模式， 无法多点同时测量，因而未获得结构的振型信息; 如 需结构振型信息，则可采用多台测振仪同步采样，或 采用扫描式激光多普勒测振仪进行同步多点测量． 本次试验中所测量风电塔处于停机状态，因此变桨、 偏航等风机的不同工作状态对测量未造成影响． 若 进行风机运转状态下塔架振动测试，则需要在测试 中选取合 适 的 测 量 位 置( 如 轮 毂 处、叶 片 背 面 塔 身 等) ，以避免激光束被遮挡而导致无法有效获得所需 测点振动的情况． 另外，在对风电塔塔身振动进行测 量过程中，鉴于圆筒的几何形状，还需处理好塔筒侧 向振动导致激光瞄准点改变而引起的测量误差． 本 文试验中风机处于停机状态，对所测信号分析，得到 塔筒在垂直于激光束的平面内振幅 Δ 小于 5 mm，由 其引起的测量误差 δ ＜ 0. 2% Δ，在沿激光束方向振动 不大于垂直激光束方向振动的条件下，可判定侧向 振动引起的测量误差可忽略( 图 8) ． 当然，在一些极 端工况下，塔顶位移会出现过大振动，造成不可忽略 的测量误差，使用者需要特别注意． 另外，在使用激 光测振的现场试验中，还需注意激光束和被测表面 之间入射角度的设置，一般在激光束与被测表面垂 直的时候测量效果最好，入射角的减小会削弱反射 光的强度而影响测量效果． 图 9 峰值拾取法计算结构频率． ( a) 加速度计数据; ( b) 激光测振仪数据 Fig． 9 Eigen frequencies of the wind turbine tower calculated by using the peak-picking method: ( a) typical accelerometer data; ( b) typical laser Doppler vibrometer measurement 图 8 塔身侧向振动引起的测量误差分析 Fig． 8 Measurement error due to lateral vibration 3 风电塔振动特性识别 对采用两种方法获得的振动信号进行处理以获得 该风电塔的振动特性，分别利用频域中的峰值拾取法 ( PP) 与时域中的随机子空间识别法( SSI) 进行分析． 其中，峰值拾取法是一种能够快速得出结构固有频率 的算法，该方法基于系统激励和响应关系( 式( 2) 和式 ( 3) ) ，在白噪声假定的基础上，即外部输入 F( ω) 频域 为常数时，认为结构响应在结构固有频率处出现峰值， 利用该原理可获得结构的固有频率． X( ω) = H( ω) F( ω) ． ( 2) 式中，H( ω) 为频率响应函数，可表示为 Hlp ( ω) = ∑ N r = 1 φlrφpr ［1 － ( Ω/ωn ) 2 ］+ 2ζj( Ω/ωn ) ． ( 3) 式中，l 和 p 分别为测点和激励点，r 为模态阶数，φ 为 结构振型，Ω 和 ωn 分别为外界激励频率和结构固有频 率，ζ 为阻尼比． 两种传感器所测得数据的频域响应图像如图 9 所 示． 从加速度数据的频域图像( 图 9( a) ) 可以得出，前 二阶结构频率分别为 0. 488 Hz 和 3. 967 Hz，由于加速 度计硬件敏感性和测量位置局限于塔筒内部平台高度 等原因，其采集的数据未能得到结构的第三阶频率． 激光测量数据的频域图像如图 9( b) 所示． 从图中可 · 9741 ·