低频超低频振动计量技术的研究与展望

　　振动计量是振动冲击研究领域、应用振动技术的其他学科研究领域从事测量、校准与科学实验的技术基础。中国计量科学研究院(以下简称为计量院)按照ISO 16063-11“振动与冲击传感器校准方法第11部分激光干涉法振动绝对校准”,于2006年完成了0. 1 Hz~50 kHz频率范围内直线振动传感器幅值和相位基准的研究和建立工作,其测量范围和能力达到国际先进水平。

　　研究建立低频超低频(0. 01 Hz~20 Hz)振动幅相特性国家级标准装置是一项振动量值溯源需求日益迫切的研究项目,它是基于国家长、大、高、柔建筑结构、大型运转机械、桥梁大坝等生命线工程、海洋平台和核电站等特殊大型工程结构、防震减灾等国家重大科研项目的发展对低频超低频振动测量需求背景下提出的。

　　1　低频超低频振动计量的主要应用领域

　　1·1　结构动力学研究

　　结构动力学对低频超低频振动测量的应用研究是当前十分重要和活跃的研究领域之一。随着国民经济的快速发展,高层、高耸建筑结构林立,悬索桥、斜拉桥等大跨度桥梁不断涌现,这些结构自振频率甚至超过了0. 1 Hz。高420. 5 m的上海金茂大厦固有频率0. 162Hz,在最大强台风作用下的顶层挠度可达(1~1. 3)m;大跨度斜拉桥的一阶固有频率约在(0. 2 Hz~0. 5Hz)之间;悬索桥的跨度更大,如江阴长江大桥,主跨达1 385 m;而我国第一座由悬索桥和斜拉桥构成的组合型特大桥梁润扬长江大桥,主跨达1 480 m,固有频率已接近0. 05Hz,载荷作用下的动静挠度超过了几百毫米。土木工程结构由于自振频率低,其动力响应极易受到环境等不可预见因素的影响。通常采用超低频振动传感器拾取桥梁或建筑物各部位的环境振动响应,分析结构的模态特性(包括自振频率、振型以及相应的阻尼比等);用地震低频振动传感器测量建筑桥梁等大型结构的动挠度等,所以基于振动测量技术的大型结构健康监测和损伤诊断已成为国内外工程界研究的热点。

　　水利工程堤坝也属低频大型结构。采用基于振动测试的结构损伤检测法对大坝进行定期或不定期的振动检测,检测大坝结构的动力特性和响应等,分析识别和判断结构状态,确定是否存在损伤、损伤的位置和程度,也已成为水利堤坝安全监测的一个应用研究发展方向。

　　气轮发电机组、海洋平台等大型设备也属低频结构,如300MW和600MW等级的大型机组已成为我国电力的主力机组,它们通常工作在高转速、大负荷、高温高压等恶劣条件下。据统计60%以上故障源于环境因素,而由振动(主要低频段)引起的故障几乎占30%。利用振动测试手段对运行设备进行在线监控和故障诊断是保证大型设备安全、及时消灭隐患的重要措施。