液体阻尼器中空间多点位置的电波高度测量，用于结构振动缓解

抽象的

采用了调谐液柱阻尼器和调谐液阻尼器等液体阻尼器，以保证振动建筑物在风力作用下的正常使用。为了使抑振效率最大化，液体阻尼器的调谐频率应设置为建筑物的第一固有频率。因此，液体阻尼器的固有频率的实验评估是工厂在其安装到建筑物之前的首要任务。本文提出了一种基于电场变电阻的液体高度测量系统，用于观测液体阻尼器的垂直运动。该系统可以同时测量电场中多点位置的液体高度。在实验阶段，利用所开发的系统对液体阻尼器的固有频率进行了实验评估。通过与电容式波长计的比较，验证了该系统的性能。

1.介绍

为了满足对风和地震荷载敏感的高层建筑物的居民的正常使用要求，建筑物的减振工作一直受到重视[1]．在建筑物顶楼安装被动吸能装置是一种普遍应用的结构减振策略。调谐质量阻尼器(TMD)是一种由弹簧质量系统组成的机械装置。次级质量是主结构整体质量的一小部分，由质量的振荡运动产生反作用力[2]．另一方面，液体阻尼器与TMD相似，只是它们利用了重力场中液体运动的振荡[3.，4]．调谐频率比是液体阻尼器设计中的一个关键参数，可以很容易地通过液体容器的长度来控制[5- - - - - -7]．研究了两种不同结构的液体阻尼器:调谐液柱阻尼器(TLCD)和调谐液阻尼器(TLD)分别利用u型窄管中液体运动的能量耗散和自由液面上的波制动/晃动。8，9]．

u型TLCD的设计任务是识别其固有频率，然后将其调整到建筑结构的基本固有频率。TLCD的固有频率取决于水平柱中参与调谐往复运动的液体部分[10，11]．在振荡期间液体表面保持相当平坦，因为TLCD利用U形管中的整个液体。因此，TLCD的分析和设计相当简单。另一方面，关于TLD的研究是复杂的，因为TLD中的液体运动是高度非线性的。大多数研究侧重于探索通过物理实验更好地了解液体中的液体运动。为了分析TLD中的液体的运动，强烈需要多点测量来确定TLD的晃动模式，因为第一个几种模式在TLD中是主导的，而不同于第一振荡模式受到的TLCD [12]．

到目前为止，电容式波长计主要用于液体高度的测量。然而，许多固有的缺点一直在得到解决:安装费力，由于液体介质的干扰(例如寄生电容)造成的精度损失，以及在紧密相邻点测量困难。在TLCD动力学行为的数值和分析研究方面取得了很大进展[13- - - - - -16]及实用的设计指引及公式[9，17- - - - - -19[相对较少的研究是在进行新的测量策略和研究基于实验测量数据的进一步表征液体阻尼器的研究。

本研究开发了一种新型、高精度、高性价比的可变电压传感系统，用于TLD和TLCD的液体阻尼器的动态波高测量，以识别固有频率和相应的模态。介绍了变电压传感原理和基本电路原理。基于固有频率的动力学方程和实测数据，提出了一种实用的动力特性实验估计方法。最后，进行了一系列的实验研究，以验证可变电压传感系统，并展示了tlld和TLCD的固有频率方法。

2.液体质量阻尼器的分析自然频率

2．1.TLCDs固有频率的制定

图中显示了基于主要结构的TLCD的简化模型1．TLCD由水平和垂直杆的组合的U形液体罐组成，液体被认为是均匀的，无调节和不可压缩的。TLCD的横截面积表示为．水平和垂直列的长度定义为和， 分别。两个边界条件是在液体自由表面施加：第一是运动学边界条件，其中指出，在所有的自由表面上的液体粒子的时间总是自由表面上，而第二个是动态的边界条件，它指定的自由表面上的压力是零。

使三个假设导出运动方程：（i）液体表面上的晃动行为可忽略不计;（ii）流量是不可压缩的;（iii）列横截面的尺寸远小于TLCD的水平长度。对初级结构横向激发的TLCD中振荡液体的动态方程是[20.］ 其中TLCD中的液体密度、水头损失系数、液体流速用，， 和， 分别。重力加速度被表示为．由(1)，则计算TLCD中液体运动的固有频率为 TLCD中的液体表面在晃动期间几乎是平坦的，因为在TLCD中除去不参与液体的晃动的部分。因此，TLCD中的整个液体往复运动和自然频率也仅作为主要模式，如（2）.

２.２.tld固有频率的推导

图中所示的刚性矩形TLD2的长度液体静止时的深度．TLD受到横向刺激，，主要结构的运动。假设浅水波理论，在自由表面运动中可以描述容器中的液体运动的等式。

根据浅水波理论[20.]，在具有长度比的TLD中，，范围为0.04 ~ 0.5，液位在容器内晃动，线性晃动的基频为 与TLCD不同的是，TLD由于液体罐内的流体运动而表现出非线性。因此，固有频率依赖于激振力的幅值。在内容中，简化的物理模型往往不能代表晃动现象，因此强调了实验的重要性，特别是确定准确的固有频率。在本研究中，TLD的晃动模式得到了精确的分析，如图所示3.通过多点测量提出。

3.电场中液体高度测量的发展

3.1。两点和四点电阻率测量

用于制造晶体管和其他半导体器件的块体材料的特性可以通过测量电阻来估计[21]．为了测量材料电阻，采用恒流法开发了两点和四点测量系统。数字4表示两点电阻测试配置。被测材料具有电阻，，本身但具有三个寄生电阻：探头具有探头电阻，；接触电阻,，存在于探针和材料之间;散布抗性，当电流从探针流向材料时。

利用欧姆定律，确定总电阻为 在哪里电压表上的电压读数是和吗电流由两次携带的探针携带。因为电流导致寄生电阻上的电压降，所以通过仪表测量的电压与直接跨材料电阻的电压完全相同，因此可能导致相当大的误差。寄生电阻范围通常为10mΩ至1Ω[21，因此在低电阻测量时不可忽略。

由于两点法的局限性，四点测量系统用于低电阻测量，以减少寄生电阻的效果[22]．被测器件的电阻，通过使用四点探针测量显示在图5其中两个探针携带电流，另外两个探针测量电压。每个探针具有上述寄生电阻。然而，对于两个电压探头来说，这些寄生电阻可以忽略不计，因为电压是用高阻抗伏特计测量的。电压表吸收的电流非常小，通常小于100 pA [23]．通过使用4点的方法，所述电阻被确定为 假设材料的电阻与寄生电阻相比非常大，电阻可以由两点和四点测量系统测量[21，22] 作为 在哪里是三种单独的校正因子的产物，并确定为 在哪里是样品的样本大小的校正系数，样品厚度对探针间距的校正系数，和是温度因数的校正系数。校正系数通常通过先验测试来确定[23- - - - - -25]．

３．２．液体高度测量的公式

基于电阻率测量的结果，即（6），本研究将其应用扩展到液体阻尼器中的液体高度测量通过利用水柱作为导电介质来测量阻力（图6）.为了提高水的电导率，利用电离水从溶解少量电解质进入自来水中的电离子水。无论水柱的波浪高度变化如何，电源供应商连接到TLCD中的两个电极。电压表剪切线以测量电极之间的电压降。

电阻与导体长度成正比，，但与横截面积成反比，．横截面面积用电场的有效宽度相乘表示，，高度，．考虑到电阻导电率的比例常数，，欧姆的法律写为 由于无论液位如何变化，电流、电阻率、电极距离、校正因子和恒定电场宽度都是恒定的，所以电压变化只与液位有关。取所有常数参数(8）作为一个术语造成 虽然两点测量系统应用于TLCD，但四点测量系统部署在TLD中以进行多点测量（图7),电压表是连成一排的。类似于电压表的连接情况，即(9)时，每个电压降的表达式为 如（10），测量的电压与液位成反比。即，数学关系违反了传感器的线性条件，即传感器输出和物理量之间的线性关系。采用等式的两侧的对数导致线性关系： 现在，对数波高度与对数测量电压成比例。最后，计算线性刻度的水高计算为

4.实验验证

4．1.TLCD动态特性的两点波高测量

实验室规模的TLCD原型是用1cm厚的丙烯酸板制作的(图)8）.TLCD的宽度和高度分别为500和350毫米。垂直和水平柱的内部尺寸，即液体流动的横截面积，为150 × 150 mm。TLCD安装在由机械直线驱动器驱动的单轴振动台上，交流伺服电机(HC-SFS502，三菱)的旋转运动被转换为直线运动。通过函数发生器向交流伺服电机输入一个60秒长的0.2 ~ 2.0 Hz、峰间±1 V等幅值的啁啾信号。

采用TLCD中的水柱作为导电介质测量电阻。为了提高水的电导率，将少量的电解质溶解在自来水中，制备出电离子水。由于水的比电阻是通过至少100Ω的测距来调整的，所以电阻值是通过两点法精确确定的。在TLCD的垂直液柱的角上粘贴两根铜带，并连接直流电源(TDP-303A, TOYOTECH)，控制0.1 mA的恒流。电压表共用这条线路来测量电极之间的电压降。为了测量和记录电压，将国家仪器的DAQ系统与导线的两端连接。测量电压与波高的映射需要在(12）.在本研究中，通过对高度和电压的先验测量来确定值。

对基于电场的波高测量系统中电压测量的准确性与传统的波高计(即电容式波高传感器(CH-601, KENEK))进行了交叉检验。波高计是接触式传感器;波探头浸入TLCD的液柱中，传感器本体夹在TLCD顶部，如图所示8．为了测量摇动台的运动，使用激光位移传感器（CD5-500，OPTEX）。在测试期间，每个测量系统收集了TLCD中水高的数据。为了比较目的，叠加了由波形测量的液体高度和所提出的系统测量的时间历史。如所看到的，图中观察到两个测量的非常紧密的匹配9（a）．The RMS error between two datasets was evaluated as 1.053 mm. The Fourier spectra of the measured liquid heights are presented in Figure9（b）．Dominant peaks at 0.85 Hz are clearly observed at the two measurements.

估计了液体高度对振动台输入位移的传递函数，并在图中给出10．再次，在0.85 Hz发现了一个非常主要的峰值，与傅里叶光谱相似。当激振速度大于0.85 Hz时，确定了180度的相位延迟，即液体运动与输入振动台激振相反。

4.2。用于TLD的动态表征的多点测量

部署了4点测量系统，以识别固有频率并监测TLD的晃动(见图)11）.实验室规模的TLD原型由1厘米厚的丙烯酸板制作而成。TLD的长度和宽度分别为300和200毫米。在TLD中液体被填充到30毫米，因此长度比是0.1。因此，浅波浪理论是适用于找到TLD的固有频率。以构成多点测量系统，八个铜带附着间隔相等地隔开的TLD：在两端的两个磁带被用作电源供应器的电极和三个对被用于在三个不同点的电压测量带，即是，左，中，右。

为了验证该传感系统的优越性，对TLD在不同频率的振动台谐波激励下进行了动态试验。共进行了23次谐波激励试验，以改变频率。由于估计第一和第二晃动模式分别为0.9和2.4 Hz，因此(3.), excitation frequencies were adopted as 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 0.85, 0.9, 0.95, 1, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 2, 2.2, 2.3, 2.35, 2.4, 2.45, 2.5, 2.7, and 2.9 Hz. During the test, lateral displacement of the shake table and vertical displacement of oscillating liquid were measured and transposed into the frequency domain to estimate transfer functions. The estimated transfer functions of the liquid height at the left point over input displacement of the shake table are shown in Figure1223圈是实验结果。如图所示，在0.9和2.4 Hz处主要观察到两个峰，它们与浅波理论的解析频率吻合得很好。

通过在每个固有频率下调查空间感测数据来确认晃动动作。在0.9Hz激励下测量的液体运动的时间历史记录在图中绘制(13日):在左右两个点之间观察到相反的运动，而在中心的运动保持静止。因此，对称波的运动如图所示13 (b)．数字14是液体运动在0.9 Hz激励下的响应：在中心相对的运动之间确认左和右点之间的几乎同步运动。对称波运动是在图中找到的图14（b）．

5.结论

液体阻尼器，如TLCD和TLD，是一种被动吸能装置，旨在通过液体振动来衰减主结构的振动。针对主结构的谐波运动，液体阻尼器达到了最佳的控制性能。在本研究中，提出一种新的测量液体阻尼器中液体运动的波测量系统。该系统的基本原理是基于恒定电场中的可变电压测量。根据浸没在液体中的探针的数量，研究了两点和四点测量系统:两点测量系统是利用其简单性开发的。另一方面，针对二点法产生较大误差的低电阻测量，开发了四点法测量系统。此外，该系统还可以同时测量电场中多点位置的液体高度。

至于它们对液体阻尼器的应用，部署了两点波高度测量，用于TLCD的动态表征，为TLD开发了多点测量。在具有TLCD原型的实验室测试中，通过与传统的波形波形和自然频率进行比较来确认所提出的系统的精度。另外，利用具有TLD原型的实验室测试执行多点波高测量，并且观察到TLD的各种晃动模式。结果，证明了成本效益和多点。

利益争夺

提交人声明没有关于本文的出版物的利益冲突。

致谢

该工作得到了由教育，科学和技术部（Mest）资助的韩国国家研究基金会（NRF）的基本研究计划（NRF-2015R1C1A1A05415554155554155543）的支持。

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