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 ·