CN107101800A - 输电铁塔模型的风力测量设备及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种输电铁塔模型的风力测量设备及其测量方法，风力测量设备，其包括用于放置输电铁塔模型的测量筒、粘贴在测量筒筒壁上的应变片和与应变片连接的应变分析仪；测量时，测量筒纵向放置，使测量筒的一端朝上，将输电铁塔模型放置在该端上，应变分析仪采集应变片的应变值数据，根据模型受力与应变片的应变值的对应关系以及施加风力前后的应变片的应变值的变化，获得模型受到的风力的大小。本发明主要是通过测量筒上的应变片来测量输电铁塔模型受到的风力，测量筒可以根据输电铁塔模型的具体形状设计大小，适用于体积大、质量重的复杂输电铁塔模型的风力测量，而且测量过程简单，易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及输电铁塔检测技术领域，特别是涉及一种输电铁塔模型的风力测量设备及其测量方法。
背景技术
近年来，输电铁塔遭受台风影响的问题受到大家的关注，沿海地区因台风造成的倒塔事故频发，严重影响了电网的稳定运行。因此开展输电铁塔抗风设计研究和风灾防御措施研究，提高输电铁塔在强风灾害天气下的安全性、减少输电铁塔倒塌事故的出现，保障电力供给的可靠性迫在眉睫。
目前在建筑、结构和桥梁等实际工程应用中通常利用风洞试验模拟风流场，设计相应的风洞模型进行相关试验研究。由于风洞实验室尺寸的限制，试验中对应的实物结构采用缩比例模型，即缩比弹性风洞模型，并采用精密天平对其进行风力测量，利用精密天平左右两边不平衡差值来确定模型受到的扭转力。
但是，精密天平的量程和容量有限，对于体积大、质量重的复杂结构采用的分段全尺寸模型，无法采用精密天平进行风力测量。
发明内容
基于此，有必要针对传统的输电铁塔风洞试验模型的风力测量方法对体积大、质量重的复杂输电铁塔模型无法进行风力测量的问题，提供一种输电铁塔模型的风力测量设备及其测量方法。
一种输电铁塔模型的风力测量设备，包括：测量筒、应变片和应变分析仪；
测量时测量筒纵向设置，测量筒的一端用于放置输电铁塔模型；
应变片粘贴在测量筒的筒壁上，并与应变分析仪连接；
应变片用于有风力时和无风力时，在放置输电铁塔模型条件下测量测量筒的应变，应变分析仪用于采集应变片的应变量数据。
根据上述输电铁塔模型的风力测量设备，其包括用于放置输电铁塔模型的测量筒、粘贴在测量筒筒壁上的应变片和与应变片连接的应变分析仪；在具体实现过程中，测量筒纵向放置，使测量筒的一端朝上，将输电铁塔模型放置在该端上，保持水平，没有风力作用时，应变片有相应的初始应变值ε0；当有风力作用时，应变片有相应的测试应变值ε1。而前后的应变值差(Δε＝ε1-ε0)是由受到的风力作用带来的，应变分析仪采集应变片的应变值数据，根据应变片的应力与应变片的应变值的对应关系，获得模型受到的风力的大小，而且根据应变值差的变化情况还可以获得输电铁塔模型受到的风力的分布情况。此方案主要是通过测量筒上的应变片来测量输电铁塔模型受到的风力，测量筒可以根据输电铁塔模型的具体形状设计大小，适用于体积大、质量重的复杂输电铁塔模型的风力测量，而且测量过程简单，易于实现。
一种基于上述输电铁塔模型的风力测量设备的测量方法，包括以下步骤：
将输电铁塔模型放置在测量筒的一端上；
通过应变分析仪采集应变片的第一应变值；
对输电铁塔模型施加风力，通过应变分析仪采集应变片的第二应变值；
获取第一应变值和第二应变值的应变量差值，根据应变片的应力与应变的对应关系获取应变量差值对应的测量应力值；
根据测量应力值计算输电铁塔模型受到的风力值。
根据上述基于输电铁塔模型的风力测量设备的测量方法，其是测量筒纵向放置，使测量筒的一端朝上，将输电铁塔模型放置在该端上，保持水平，没有风力作用时，应变片有相应的初始应变值ε0；当有风力作用时，应变片有相应的测试应变值ε1，而前后的应变值差(Δε＝ε1-ε0)是由受到的风力作用带来的，应变分析仪采集应变片的应变值数据，根据应变片的应力与应变片的应变值的对应关系，获得模型受到的风力的大小，而且根据应变值差的变化情况还可以获得输电铁塔模型受到的风力的分布情况。此方案主要是通过测量筒上的应变片来测量输电铁塔模型受到的风力，测量筒可以根据输电铁塔模型的具体形状设计大小，适用于体积大、质量重的复杂输电铁塔模型的风力测量，而且测量过程简单，易于实现。
附图说明
图1为其中一个实施例的输电铁塔模型的风力测量设备的结构示意图；
图2为其中一个实施例的输电铁塔模型的风力测量设备的结构示意图；
图3为其中一个实施例的输电铁塔模型的风力测量设备的结构示意图；
图4为其中一个实施例的输电铁塔模型的风力测量设备的结构示意图；
图5为其中一个实施例的输电铁塔模型的风力测量设备的部分结构示意图；
图6为其中一个实施例的输电铁塔模型的风力测量设备的结构示意图；
图7为其中一个实施例的输电铁塔模型的风力测量设备的测量方法的流程示意图；
图8为其中一个具体实施例的输电铁塔模型的风力测量设备的结构示意图；
图9为其中一个具体实施例的输电铁塔模型的风力测量设备风力计算示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
参见图1所示，为本发明实施例的输电铁塔模型的风力测量设备的结构示意图。该实施例中的输电铁塔模型的风力测量设备，包括测量筒100、应变片200和应变分析仪300；
测量时测量筒100纵向设置，测量筒100的一端用于放置输电铁塔模型；
应变片200粘贴在测量筒100的筒壁上，并与应变分析仪300连接；
应变片200用于有风力时和无风力时，在放置输电铁塔模型条件下测量测量筒的应变，应变分析仪300用于采集应变片的应变量数据。
在本实施例中，输电铁塔模型的风力测量设备包括用于放置输电铁塔模型的测量筒、粘贴在测量筒筒壁上的应变片和与应变片连接的应变分析仪；在具体实现过程中，测量筒纵向放置，使测量筒的一端朝上，将输电铁塔模型放置在该端上，保持水平，没有风力作用时，应变片有相应的初始应变值ε0；当有风力作用时，应变片有相应的测试应变值ε1。而前后的应变值差(Δε＝ε1-ε0)是由受到的风力作用带来的，应变分析仪采集应变片的应变值数据，根据模型受力与应变片的应变值的对应关系，获得模型受到的风力的大小，而且根据差值的变化情况还可以获得输电铁塔模型受到的风力的分布情况。此方案主要是通过测量筒上的应变片来测量输电铁塔模型受到的风力，测量筒可以根据输电铁塔模型的具体形状设计大小，适用于体积大、质量重的复杂输电铁塔模型的风力测量，而且测量过程简单，易于实现。
在其中一个实施例中，如图2所示，应变片200包括横向应变片210和纵向应变片220；
纵向应变片210与测量筒100的轴线平行，横向应变片220与测量筒100的轴线垂直。
在本实施例中，应变片200包括横向应变片210和纵向应变片220，可以分别测量测量筒100横向和纵向的应变，不仅可以测试输电铁塔模型受到的不同方向的风力，而且分别通过横向应变和纵向应变进行测量可以使得测量结果更加准确。
在其中一个实施例中，如图3所示，横向应变片210和纵向应变片220连接，形成双轴90度应变片。
在本实施例中，横向应变片210和纵向应变片220形成双轴90度应变片，可以在测量筒100筒壁的同一位置对其进行应变的测量，集中体现应力的变化，进一步提高测量结果的准确性。
在其中一个实施例中，如图4所示，应变片200还包括应变基底230；
应变基底230直接粘贴在测量筒100的筒壁上，横向应变片210和纵向应变片220均设置在应变基底230上；
横向应变片210、纵向应变片220和应变基底230的应变性质相同。
在本实施例中，应变基底230与横向应变片210、纵向应变片220的应变性质相同，在相同应力下的应变量相同，应变基底230直接粘贴在测量筒100的筒壁上，横向应变片210和纵向应变片220均设置在应变基底230上，并不会影响横向应变片210和纵向应变片220的测试性能，而且应变基底230与测量筒100的筒壁的接触面积比横向应变片210和纵向应变片220的大，通过应变基底230将横向应变片210和纵向应变片220设置在测量筒100的筒壁上，稳定性更好。
在其中一个实施例中，应变片200为多个，均匀分布在测量筒100的筒壁上。
在本实施例中，可以设置多个应变片，而且均匀分布在测量筒的筒壁上，从而可以比较全面地测量测量筒100的应变，避免只测量测量筒100的局部应变影响测量的准确性。
在其中一个实施例中，如图5所示，应变片200为四个，四个应变片200与测量筒100的一端底面的距离相同，且相邻两个应变片200与测量筒100的轴线的垂线形成的夹角均为90度。
在本实施例中，相邻两个应变片200与测量筒100的轴线的垂线形成的夹角均为90度，只需四个应变片200就足以全面地测量测量筒100一周的应变量，而且应变片的数量也不会过多，在降低测量成本的同时也避免增加计算风力过程的复杂性。
在其中一个实施例中，应变片200粘贴在测量筒100的内筒壁。
在本实施例中，应变片200粘贴在测量筒100的内筒壁上，可以消除测量时风力对应变片本身的影响，进一步提高测量的准确性。
在其中一个实施例中，测量筒100为圆筒。
在本实施例中，圆筒状的测量筒有利于采集各个方向的受力，从而有利于输电铁塔模型的风力测量。
在其中一个实施例中，测量筒100为工字型圆筒。
在本实施例中，工字型圆筒状的测量筒有利于采集各个方向的受力，从而有利于输电铁塔模型的风力测量，而且工字型圆筒的底部面积大于一般的圆筒底部面积，便于放置体积较大的输电铁塔模型。
可选的，测量筒100的材料为不锈钢，不锈钢的应力和应变之间的关系较为稳定。
在其中一个实施例中，如图6所示，输电铁塔模型的风力测量设备还包括数据处理终端400，数据处理终端400与应变分析仪300连接。
在本实施例中，应变分析仪300与数据处理终端400连接，将应变分析仪采集的应变片的应变数据传输至数据处理终端400，数据处理终端400根据应变片300的应力与应变的对应关系，由应变片的应变数据处理得到应力的大小，进而得到输电铁塔模型受到的风力大小。
根据上述输电铁塔模型的风力测量设备，本发明还提供一种基于输电铁塔模型的风力测量设备的测量方法，以下就本发明的基于输电铁塔模型的风力测量设备的测量方法的实施例进行详细说明。
参见图7所示，为本发明实施例的输电铁塔模型的风力测量设备的测量方法的流程示意图。该实施例中的输电铁塔模型的风力测量设备的测量方法，包括以下步骤：
步骤S101：将输电铁塔模型放置在测量筒100的一端上；
步骤S102：通过应变分析仪300采集应变片200的第一应变值；
在本步骤中，应变片300粘贴测量筒100的筒壁上，并与应变分析仪200连接；
步骤S103：对输电铁塔模型施加风力，通过应变分析仪300采集应变片200的第二应变值；
在本步骤中，在测量筒100和输电铁塔模型上方施加风力，如此可以使测量筒产生有效的应变；
步骤S104：获取第一应变值和第二应变值的应变量差值，根据应变片200的应力与应变的对应关系获取应变量差值对应的测量应力值；
步骤S105：根据测量应力值计算输电铁塔模型受到的风力值。
在本实施例中，测量筒纵向放置，使测量筒的一端朝上，将输电铁塔模型放置在该端上，保持水平，没有风力作用时，应变片有相应的初始应变值ε0；当有风力作用时，应变片有相应的测试应变值ε1，而前后的应变值差(Δε＝ε1-ε0) 是由受到的风力作用带来的，应变分析仪采集应变片的应变值数据，根据应变片的应力与应变片的应变值的对应关系，获得模型受到的风力的大小，而且根据应变值差的变化情况还可以获得输电铁塔模型受到的风力的分布情况。此方案主要是通过测量筒上的应变片来测量输电铁塔模型受到的风力，测量筒可以根据输电铁塔模型的具体形状设计大小，适用于体积大、质量重的复杂输电铁塔模型的风力测量，而且测量过程简单，易于实现。
在其中一个实施例中，将输电铁塔模型放置在测量筒100的一端上的步骤之前还包括以下步骤：
在测量筒100上施加不同预设大小的力，通过应变分析仪300采集对应的应变片200的试验应变值，根据各预设大小的力和对应的试验应变值获得应变片200的应力与应变的对应关系。
在本实施例中，应变片200的应力与应变的对应关系可以通过对测量筒100施加不同大小的力来测量获取，由于应变片的应力与应变不一定呈现线性关系，可以在施加不同预设大小的力的条件下测量获取对应的试验应变值，准确获知应变片200的应力与应变的对应关系，进而保证计算风力值的准确性。
在其中一个实施例中，根据各预设大小的力和对应的试验应变值获得应变片200的应力与应变的对应关系的步骤包括以下步骤：
计算各预设大小的力与对应的试验应变值的比值，得到应变片200对应不同试验应变值的应变系数。
在本实施例中，计算预设大小的力与对应的试验应变值的比值，得到应变片200对应不同试验应变值的应变系数；在对输电铁塔模型进行风力测量时，根据获取的应变量差值可以确定对应的应变系数，两者的乘积即为测量应力值。在实际测量时，在较小范围内的不同的应变量对应的应变系数相同，在确定测量应力值时只需要应变系数即可，不需要记录所有不同的应力值，从而简化获取测量应力值的过程。
在其中一个实施例中，在测量筒100上施加不同预设大小的力的步骤包括以下步骤：
在测量筒100上依次施加按从小到大顺序的不同预设大小的力，再依次施加按从大到小顺序的不同预设大小的力；
得到应变片200对应不同试验应变值的应变系数的步骤包括以下步骤：
计算同一试验应变值对应的各个比值的平均值作为应变片200对应该试验应变值的应变系数。
在本实施例中，按照从小到大的顺序和从大到小的顺序先后对输电铁塔模型的风力测量设备进行试验，可以减少应变片在测量过程因施加的力变化过大所带来的应变劳损，从而降低测量的误差，而且相同的力测试多次，可以取各个比值的平均值作为对应该试验应变值的应变系数，进一步降低测量误差。
在其中一个实施例中，通过液压设备对测量筒100上施加不同预设大小的力。
在本实施例中，利用液压设备对测量筒100施加不同的力，液压设备施加的力分布均匀，由此得到的应变系数的准确度较高。
在其中一个实施例中，测量应力值包括横向应力值和纵向应力值；
根据测量应力值计算输电铁塔模型受到的风力值的步骤包括以下步骤：
根据横向应力值和纵向应力值的矢量和得到输电铁塔模型受到的风力值。
在本实施例中，输电铁塔模型受到的风力方向可以是任意的，但不论方向如何，在应变片的作用时可以分解为横向应力和纵向应力，利用物理几何的矢量和计算方法，可以计算出横向应力和纵向应力的合力，从而得到输电铁塔模型受到的风力。
在其中一个实施例中，风力测量设备还包括与应变分析仪300连接的数据处理终端400；
通过数据处理终端400获取第一应变值和第二应变值的应变量差值，根据应变片200的应力与应变的对应关系获取应变量差值对应的测量应力值，根据测量应力值计算输电铁塔模型受到的风力值，并将风力值显示在数据处理终端400的显示屏上。
在本实施例中，应变分析仪300与数据处理终端400连接，将应变分析仪采集的应变片的应变数据传输至数据处理终端400，数据处理终端400根据应变片300的应力与应变的对应关系，由应变片的应变数据处理得到应力的大小，进而得到输电铁塔模型受到的风力大小，并可以在数据处理终端400的显示屏上直接地显示输电铁塔模型受到的风力大小，提高数据处理效率。
在一个具体实施例中，输电铁塔模型的风力测量设备可以对输电铁塔的风洞试验模型进行风力测量。
如图8所示，测量筒为工字型圆筒，圆筒上下两端不封闭，圆筒筒壁上与平行于底面的平面相交的位置每隔90度贴有一组应变片，每组应变片为双轴应变片，共4组，包括应变片8片，其中4个横向应变片，用来测量横向应变；4个纵向应变片，用来测量纵向应变。
输电铁塔风洞模型放置在工字型圆筒的上端圆面，没有风力作用时，应变片有相应的初始应变值ε0；当有风力作用时，应变片有相应的初始应变值ε1。而前后的应变值差(Δε＝ε1-ε0)由受到的风力作用带来的；
应变分析仪通过数据传输线采集应变片应变值，经过简单的误差补偿处理，将处理后的应变值差数据进行保存；
应变分析仪还与数据处理终端连接，数据处理终端根据应变片的应力与应变片的应变值的对应关系，获得输电铁塔模型受到的风力的大小，而且根据应变值差的变化情况还可以获得输电铁塔模型受到的风力的分布情况。数据处理终端可以是计算机终端或者单片机等等。
测量筒也可以采用其他形状，比如立方体，采用不同的形状的风力计算方法应该不同。工字型圆筒这种形状有利于采集各个方向的受力，圆筒材料可以为不锈钢材料。
如图9所示，根据力的合成，可得：
纵向力：
横向力：
其中分别指应变片1的纵向应力和横向应力；分别指应变片2的纵向应力和横向应力；分别指应变片3的纵向应力和横向应力；分别指应变片4的纵向应力和横向应力。
由此可以得到，模型受到风力
应变片的应力与应变片的应变值的对应关系可以通过系数校正试验来获得。
采用液压设备对工字型圆筒施加不同大小的力F，应变片会发生相应的应变，由应变分析仪测量得到对应的应变值ε，获得应变值与应力的关系F＝Kε(ε为应变片应变值)。获取多组不同力对应的应变值，从零到一定值的力F的上升过程进行试验，再从一定力F到零的下降过程进行试验，如此重复进行多次试验。通过系数校正试验得到应力与应变值的关系f＝kΔε＝k(ε1-ε0)，通常取ε0＝0，于是有：fi＝kiε (4)
对同一大小的力的试验结果取平均值，以减小误差。
当风力作用在风洞模型上时，应变仪采集到相应的应变值ε，该应变值乘以相应的应变值系数ki，便可得到应变片的纵向力和横向力，再根据力的合成原理即可得到模型受到的风力。
风力可以由风洞实验室来产生，实验室包括动力段、扩散段、收缩段、试验段和稳定段，通过大型风力旋转引起周围空气流动产生，在封闭的空间流动时，便产生风。风作用在模型上时，根据压强、面积与受力关系：F＝P*S，其中P是空气压强，S模型迎风面积，通过改变动力部分转速，改变气体压强，进而达到改变模型受力的目的。
在上述的各个实施例中，只是举例说明了输电铁塔模型的风力测量设备的测试计算处理过程，但本发明并不依赖于上述计算处理过程，在测试筒形状不同时就可以使用不同的计算处理过程，同样可以实现输电铁塔模型的风力测量，利用上述测量筒、应变片、应变分析仪及其连接关系，就可以实现本发明的功能，数据处理终端可以有，也可以没有，数据处理终端实现对数据的计算处理并显示，可以在应变分析仪中集成数据处理终端，在没有的数据处理终端的情况下，也可以对应变分析仪的数据进行人工计算。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种输电铁塔模型的风力测量设备，其特征在于，包括：测量筒(100)、应变片(200)和应变分析仪(300)；
测量时所述测量筒(100)纵向设置，所述测量筒(100)的一端用于放置输电铁塔模型；
所述应变片(200)粘贴在所述测量筒(100)的筒壁上，并与所述应变分析仪(300)连接；
所述应变片(200)用于有风力时和无风力时，在放置所述输电铁塔模型条件下测量所述测量筒(100)的应变，所述应变分析(300)仪用于采集所述应变片(200)的应变量数据。
2.根据权利要求1所述的输电铁塔模型的风力测量设备，其特征在于，所述应变片(200)包括横向应变片(210)和纵向应变片(220)；
所述纵向应变片(210)与所述测量筒(100)的轴线平行，所述横向应变片(220)与所述测量筒(100)的轴线垂直。
3.根据权利要求1所述的输电铁塔模型的风力测量设备，其特征在于，所述应变片(200)为四个，四个所述应变片(200)与所述测量筒(100)的一端底面的距离相同，且相邻两个应变片(200)与所述测量筒(100)的轴线的垂线形成的夹角均为90度。
4.一种基于权利要求1至3任意一项的输电铁塔模型的风力测量设备的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
将输电铁塔模型放置在所述测量筒(100)的一端上；
通过所述应变分析仪(300)采集所述应变片(200)的第一应变值；
对所述输电铁塔模型施加风力，通过所述应变分析仪(300)采集所述应变片(200)的第二应变值；
获取所述第一应变值和所述第二应变值的应变量差值，根据所述应变片(200)的应力与应变的对应关系获取所述应变量差值对应的测量应力值；
根据所述测量应力值计算所述输电铁塔模型受到的风力值。
5.根据权利要求4所述的基于输电铁塔模型的风力测量设备的测量方法，其特征在于，所述将输电铁塔模型放置在测量筒(100)的一端上的步骤之前还包括以下步骤：
在所述测量筒(100)上施加不同预设大小的力，通过应变分析仪(300)采集对应的应变片(200)的试验应变值，根据各所述预设大小的力和对应的试验应变值获得所述应变片(200)的应力与应变的对应关系。
6.根据权利要求5所述的基于输电铁塔模型的风力测量设备的测量方法，其特征在于，所述根据各所述预设大小的力和对应的试验应变值获得所述应变片(200)的应力与应变的对应关系的步骤包括以下步骤：
计算各所述预设大小的力与对应的试验应变值的比值，得到所述应变片(200)对应不同试验应变值的应变系数。
7.根据权利要求6所述的基于输电铁塔模型的风力测量设备的测量方法，其特征在于，所述在所述测量筒(100)上施加不同预设大小的力的步骤包括以下步骤：
在所述测量筒(100)上依次施加按从小到大顺序的不同预设大小的力，再依次施加按从大到小顺序的不同预设大小的力；
所述得到所述应变片(200)对应不同试验应变值的应变系数的步骤包括以下步骤：
计算同一试验应变值对应的各个比值的平均值作为所述应变片(200)对应该试验应变值的应变系数。
8.根据权利要求5所述的基于输电铁塔模型的风力测量设备的测量方法，其特征在于，通过液压设备对所述测量筒(100)上施加不同预设大小的力。
9.根据权利要求4所述的基于输电铁塔模型的风力测量设备的测量方法，其特征在于，所述测量应力值包括横向应力值和纵向应力值；
所述根据所述测量应力值计算所述输电铁塔模型受到的风力值的步骤包括以下步骤：
根据所述横向应力值和所述纵向应力值的矢量和得到所述输电铁塔模型受到的风力值。
10.根据权利要求4至9中任意一项所述的基于输电铁塔模型的风力测量设备的测量方法，其特征在于，所述风力测量设备还包括与所述应变分析仪(300)连接的数据处理终端(400)；
通过数据处理终端(400)获取所述第一应变值和所述第二应变值的应变量差值，根据应变片(200)的应力与应变的对应关系获取所述应变量差值对应的测量应力值，根据所述测量应力值计算输电铁塔模型受到的风力值，并将所述风力值显示在数据处理终端(400)的显示屏上。
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