现代监控量测新技术 课程讲义 授课人： 许福友 单位：大连理工大学建设工程学部 编制日期：2016年11月1日
现 代 监 控 量 测 新 技 术 课 程 讲 义 授课人： 许福友 单 位：大连理工大学 建设工程学部 编制日期： 2016 年 11 月 1 日
第一章：边界层风洞概述 风洞是指在一个按一定要求设计的管道系统内，采用动力装置驱动可控制的 气流，根据运动的相对性和相似性原理进行各种气动力试验的设备，如图1-1 所示，主要有循环式和开口式风洞两类。图1-2为大连理工大学风洞实验室外观。 图1-1风洞布置示意图 图1-2大连理工大学风洞外观 风洞是空气动力学研究和飞行器验证、大型土木工程结构抗风设计的最基本 的试验设备。主要特点： (1)风洞中的气流参数，如速度、演练、密度、温度等，都可以比较准确 地控制，并且随时可以改变、因而风洞试验可以方便、可靠地满足各种试验要求： (2)风洞试验在室内进行，一般不受大气环境（如季节、昼夜、风雨、气 温等)变化的影响，可以连续进行试验，因而风洞的利用率很高：
第一章：边界层风洞概述 风洞是指在一个按一定要求设计的管道系统内，采用动力装置驱动可控制的 气流，根据运动的相对性和相似性原理进行各种气动力试验的设备，如图 1-1 所示，主要有循环式和开口式风洞两类。图 1-2 为大连理工大学风洞实验室外观。 图 1-1 风洞布置示意图 图 1-2 大连理工大学风洞外观 风洞是空气动力学研究和飞行器验证、大型土木工程结构抗风设计的最基本 的试验设备。主要特点： （1）风洞中的气流参数，如速度、演练、密度、温度等，都可以比较准确 地控制，并且随时可以改变、因而风洞试验可以方便、可靠地满足各种试验要求； （2）风洞试验在室内进行，一般不受大气环境（如季节、昼夜、风雨、气 温等）变化的影响，可以连续进行试验，因而风洞的利用率很高；
(3)风洞试验时，试验数据的测力既方便又准确，而且比较安全： (4)风洞试验可以测试结构物的空气精力性能和动力性能： 风洞试验的不足之处主要包括： (1)风洞试验不能同时满足相似率所提出的所有相似准则，如雷诺数等： (2)风洞试验中，气流是有边界的，不可避免地存在洞壁的影响，称为洞 壁干扰。同时，模型支撑系统会影响模型流场，称为支架干扰，这些都影响流场 的几何相似
（3）风洞试验时，试验数据的测力既方便又准确，而且比较安全； （4）风洞试验可以测试结构物的空气精力性能和动力性能； 风洞试验的不足之处主要包括： （1）风洞试验不能同时满足相似率所提出的所有相似准则，如雷诺数等； （2）风洞试验中，气流是有边界的，不可避免地存在洞壁的影响，称为洞 壁干扰。同时，模型支撑系统会影响模型流场，称为支架干扰，这些都影响流场 的几何相似
第二章：风洞试验类型 风洞试验按不同的标准划分，有不同的分类。按被测量的参数类型划分，主 要有测速试验、测振试验、测力试验和测压试验。 2.1测速试验 风速测定有多种方法和仪器设备，对于均匀流速，可以采用皮托管（图2-1） 和微压计（图2-2）测量。对于高频脉动风速，可以采用热线风速仪（图2-3和 2-4)来测试。热线风速仪测试精度高，但容易损坏，且需要多次标定。可以采 用眼镜蛇脉动风速仪（图2-5）来测三维脉动风速。图2-6是风洞三维脉动风速 仪流场测试照片，图27是典型脉动风速时程。 p. 图2-1皮托管测风速示意图 水柱调节转留 平衡现察窗 图2-2微压计
第二章：风洞试验类型 风洞试验按不同的标准划分，有不同的分类。按被测量的参数类型划分，主 要有测速试验、测振试验、测力试验和测压试验。 2.1 测速试验 风速测定有多种方法和仪器设备，对于均匀流速，可以采用皮托管（图 2-1） 和微压计（图 2-2）测量。对于高频脉动风速，可以采用热线风速仪（图 2-3 和 2-4）来测试。热线风速仪测试精度高，但容易损坏，且需要多次标定。可以采 用眼镜蛇脉动风速仪（图 2-5）来测三维脉动风速。图 2-6 是风洞三维脉动风速 仪流场测试照片，图 2-7 是典型脉动风速时程。 图 2-1 皮托管测风速示意图 图 2-2 微压计
安装方向指示标记 热线（膜） 引出线 绝缘支杆 针脚 正面 安装方向指示标远 热线 引出线 侧面 针胸 图2-3热线风速仪示意图 图2-4热线风速仪测量系统 Body Head Stem
图 2-3 热线风速仪示意图 图 2-4 热线风速仪测量系统
Y-axis X-axis +ve Yaw 图2-5眼镜蛇探头风速仪 图2-6风洞三维脉动风速仪流场测试 13 11 vave 2:H=24m;distance=60m;statistics:12.03;0.37:-0.32:13.73 20 25 30 35 t(s) 2 0. t(s) 图2-7典型脉动风速时程
图 2-5 眼镜蛇探头风速仪 图 2-6 风洞三维脉动风速仪流场测试 0 5 10 15 20 25 30 35 40 7 8 9 10 11 12 13 14 15 U (m/s) t (s) wave 2: H=24m; distance=60m; statistics: 12.03; 0.37; -0.32; 13.73 0 5 10 15 20 25 30 35 40 -2.5 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 U (m/s) t (s) wave 3: H=12m;distance=50m;statistics: 7.30; 2.85; -0.90; 3.14 图 2-7 典型脉动风速时程
2.2测振试验 测振试验主要是测量在风荷载动力作用下模型的位移和加速度时程，一般通 过位移传感器和加速度传感器来采集数据。加速度传感器应用广泛，在此介绍 种非接触式激光位移计，见图2-8。其基本原理是：传感器发出光照在被测物体 表面，然后经反射被传感器接收，当被测物体发生振动时，相对传感器距离发生 变化，光线传输时间随之改变，根据光线传输时间变化来反算位移的变化，从而 得到位移振动时程。其基本原理示意图见图2-9。 激光位移计精度高，在风洞试验中应用广泛，见图2-10。图2-11为桥梁模 型风洞试验时，采用激光位移计来测量不同新面的振动位移。激光位移计广泛用 于多种测试领域。 根据量测范围和精度要求不同，激光位移计有多种型号，见图212。 由于光线具有散射和干扰作用，因此当用多个激光位移计量测时，位移计之 间距离（图2-13）有相关要求，不同型号位移计所需要的具体参数见表2-1。 图2-8激光位移计 Position sensing device(PSD) Beam-receiving lens Beam-emitting lens Center point A Measuring range B 图2-9激光位移计基本测试原理示意图
2.2 测振试验 测振试验主要是测量在风荷载动力作用下模型的位移和加速度时程，一般通 过位移传感器和加速度传感器来采集数据。加速度传感器应用广泛，在此介绍一 种非接触式激光位移计，见图 2-8。其基本原理是：传感器发出光照在被测物体 表面，然后经反射被传感器接收，当被测物体发生振动时，相对传感器距离发生 变化，光线传输时间随之改变，根据光线传输时间变化来反算位移的变化，从而 得到位移振动时程。其基本原理示意图见图 2-9。 激光位移计精度高，在风洞试验中应用广泛，见图 2-10。图 2-11 为桥梁模 型风洞试验时，采用激光位移计来测量不同断面的振动位移。激光位移计广泛用 于多种测试领域。 根据量测范围和精度要求不同，激光位移计有多种型号，见图 2-12。 由于光线具有散射和干扰作用，因此当用多个激光位移计量测时，位移计之 间距离（图 2-13）有相关要求，不同型号位移计所需要的具体参数见表 2-1。 图 2-8 激光位移计 图 2-9 激光位移计基本测试原理示意图
图2-10典型桥梁风洞测振试验
图 2-10 典型桥梁风洞测振试验
4 0 30 40 50 t(s) 10 20 30 40 0 t(s) 图2-11模型振动位移时程 Class 1 Range:50±10mm1.969±0.394im ANR1150) ange mm 9±0.394 Range80士20mm310±0787n (ANR1151) (ANR1182) 6 Resolution:.787 mil 50mm5.118± 1.9691 lution: (ANR1115) 2m6.562t 面 Class 2 Range:50±10mm1969±0.394in (ANR1250 0399±0.394 Res (ANR1251) Range:80 (ANR1282) Range:130±50mm5.118±1.969 (ANR1215 (ANR1226 0.5m1640t 1.5m4.921t Raby canredo Intamedate catle 图2-12不同型号激光位移计相关参数
0 10 20 30 40 50 60 -2 -1 0 1 h (cm) t (s) 0 10 20 30 40 50 60 0.56 0.58 0.60 0.62 0.64 0.66 ( o) t (s) 图 2-11 模型振动位移时程 图 2-12 不同型号激光位移计相关参数
a 图2-13相邻位移计安装距离要求 Units(mmin】 Sensor model No. a b c ANR1150 401.575 200.787 702756 ANR1151 ANR1182 501.969 602.362 1104.331 ANR1115 803.150 1003.937 1505.906 ANR1250 501969 401.575 903.543 ANR1251 ANR1282 803.150 803.150 1305.118 ANR1215 1204.724 1405.512 1907.480 ANR1226 2108.268 35013.780 40015.748 表2-1不同型号位移计在临近安装时的距离要求 2.3测力试验 利用测力天平（图2-14）测试出作用在结构上的气动合力（系数）。 特点：刚性模型：无需模拟结构本身的刚度质量和动力特性：严格几何相似： 对竖向结构需要模拟大气边界层。 试验目的：获得结构平均气动合力和脉动气动合力。 测力天平有多种分类方式，按照测量原理：机械式天平、应变式天平、磁悬 浮天平、压电式天平。 按所测试的分量数分类：单分量天平、三分量天平、五分量天平、六分量 天平。 按天平的测试频率：普通天平和高频天平。 风洞中各种模型测力试验照片见图2-15。 风洞测力试验示意图见图2-16
图 2-13 相邻位移计安装距离要求 表 2-1 不同型号位移计在临近安装时的距离要求 2.3 测力试验 利用测力天平（图 2-14）测试出作用在结构上的气动合力（系数）。 特点：刚性模型；无需模拟结构本身的刚度质量和动力特性；严格几何相似； 对竖向结构需要模拟大气边界层。 试验目的：获得结构平均气动合力和脉动气动合力。 测力天平有多种分类方式，按照测量原理：机械式天平、应变式天平、磁悬 浮天平、压电式天平。 按所测试的分量数分类 ：单分量天平 、三分量天平、五分量天平、六分量 天平。 按天平的测试频率：普通天平和高频天平。 风洞中各种模型测力试验照片见图 2-15。 风洞测力试验示意图见图 2-16