專利名稱：一種用于斜拉橋索力檢測(cè)的基頻識(shí)別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種索力檢測(cè)方法，尤其是涉及一種用于斜拉橋索力檢測(cè)的基頻識(shí)別方法。
背景技術(shù)：
拉索系統(tǒng)是斜拉橋重要的承力構(gòu)件，拉索系統(tǒng)在橋梁動(dòng)載和風(fēng)雨作用下引起的隨機(jī) 性振動(dòng)，會(huì)造成拉索的疲勞破壞，降低拉索疲勞壽命，從而嚴(yán)重影響橋梁的安全運(yùn)行。 目前，在斜拉橋索力監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估的測(cè)量方法中通常采用基于環(huán)境振動(dòng)的自功率譜
法，關(guān)鍵在于準(zhǔn)確識(shí)別不同條件下斜拉橋拉索的基頻，該方法主要根據(jù)r-4^丄V^式中 的拉索索力r和基頻/的關(guān)系，通過(guò)對(duì)設(shè)置在斜拉橋拉索上的加速度傳感器拾取的拉
索隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行自功率譜分析，得到拉索振動(dòng)信號(hào)的基頻y;后，再計(jì)算出拉索索力，
從而根據(jù)拉索索力判斷斜拉橋的安全性能，.但由于環(huán)境振動(dòng)的隨機(jī)性、變異性大，功率 譜的真實(shí)峰值不易識(shí)別，拉索的基頻很低，以及功率譜的低頻段常與橋面板或橋塔基頻 耦合，造成基頻識(shí)別模糊，索力檢測(cè)精確度不高等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種能有效提高基頻識(shí)別清晰度和提高拉索索 力檢測(cè)精確度的斜拉橋索力檢測(cè)的基頻識(shí)別方法。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為 一種用于斜拉橋索力檢測(cè)的基頻識(shí) 別方法，斜拉橋拉索上設(shè)置有加速度傳感器，斜拉橋橋面上設(shè)置有與所述的加速度傳感 器連接的控制箱，所述的控制箱內(nèi)設(shè)置有信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡和基頻產(chǎn)生模塊，
所述的基頻產(chǎn)生模塊包括FFT (The Fast Fourier Transform,快速傅立葉變換)模塊、自
功率譜模塊、倒頻譜模塊和比較模塊，它包括以下步驟
1) 、通過(guò)加速度傳感器實(shí)時(shí)獲取拉索的振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程信號(hào)；
2) 、通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)當(dāng)前時(shí)段的振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程信號(hào)進(jìn)行濾波處理，得到 時(shí)域信號(hào)，并對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行平滑處理；3) 、通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡中的多路開關(guān)將平滑處理后的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行分時(shí)采樣，得到離 散時(shí)間序列；
4) 、 FFT模塊通過(guò)離散時(shí)間信號(hào)的傅立葉變換對(duì)離散時(shí)間序列進(jìn)行FFT變換，得到 拉索的平均頻譜；
5) 、根據(jù)拉索的平均頻譜，通過(guò)自功率譜模塊獲得拉索的第一基頻y;，通過(guò)倒頻譜 模塊獲得拉索的第二基頻y;';
6) 、根據(jù)第一基頻/和第二基頻乂'，通過(guò)比較模塊判斷,《^是否小于等
(,+, ) /
/2
于設(shè)定的閥值，如果是，則確定拉索的基頻/=(乂+/;')%，并輸出拉索的基頻/;
否則，跳轉(zhuǎn)步驟2)對(duì)下一個(gè)振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程信號(hào)繼續(xù)執(zhí)行。
所述的信號(hào)調(diào)理模塊包括放大衰減電路、隔離電路和濾波電路，所述的振動(dòng)加速度 響應(yīng)時(shí)程信號(hào)的幅度通過(guò)所述的放大衰減電路的放大器放大，并對(duì)放大后的振動(dòng)加速度 響應(yīng)時(shí)程信號(hào)通過(guò)所述的隔離電路進(jìn)行電氣隔離，再對(duì)電氣隔離后的振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí) 程信號(hào)通過(guò)所述的濾波電路中的低通濾波器和抗混濾波器進(jìn)行濾波處理得到時(shí)域信號(hào) 和頻域信號(hào)。
所述的低通濾波器為5階巴特沃思低通濾波器。
所述的拉索的第一基頻y;的獲取的具體過(guò)程為①?gòu)淖怨β首V頻譜圖中選取一個(gè)靠
近基頻的諧振峰，獲取該諧振峰的頻率厶，M為整數(shù)；②判斷該諧振峰的頻率/"與該諧
振峰前的諧振峰/ _,的頻率之比是否為"-/,且該諧振峰的頻率厶與該諧振峰后的諧振 峰/ +,的頻率之比是否為"+/，其中/為1 "-i之間的整數(shù)，如果是，則通過(guò),=/ "
計(jì)算得到第一基頻乂；否則，繼續(xù)執(zhí)行；③計(jì)算"-n + l或"-n-1，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟②。
所述的拉索的第二基頻y;'的獲取的具體過(guò)程為對(duì)平滑處理后的時(shí)域信號(hào)的自功 率譜進(jìn)行逆傅立葉變換計(jì)算得到時(shí)域信號(hào)的倒頻譜，從倒頻譜頻譜圖中獲取任意相鄰的 兩個(gè)諧振峰的頻率，并計(jì)算相鄰的兩個(gè)諧振峰的頻率差值的絕對(duì)值/'，根據(jù)/'通過(guò)
=)/,計(jì)算得到第二基頻y;'。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于由于通過(guò)自功率譜模塊獲得的第一基頻，通過(guò) 倒頻譜模塊獲得的第二基頻，然后再利用比較模塊來(lái)判斷第一基頻和第二基頻之差的絕 對(duì)值與第一基頻和第二基頻之和的二分之一的商是否小于等于設(shè)定的閥值，從而來(lái)確定 拉索的基頻為第一基頻和第二基頻之和的二分之一，大大提高了獲得的基頻的準(zhǔn)確度和 精確度；由于通過(guò)加速度傳感器實(shí)時(shí)獲得的振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程信號(hào)先經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模 塊進(jìn)行濾波和平滑處理，有效抑制了振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程信號(hào)中的由環(huán)境造成的噪聲， 提高了斜拉橋索力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力，從而使得識(shí)別的基頻更為清晰和精確。


圖1為本發(fā)明方法的流程圖； 圖2為加速度響應(yīng)時(shí)程信號(hào)圖3a為5階巴特沃思低通濾波器的幅頻特性曲線圖; 圖3b為5階巴特沃思低通濾波器的相位特性曲線圖; 圖3c為5階巴特沃思低通濾波器的沖擊響應(yīng)圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
一種斜拉橋索力檢測(cè)的基頻識(shí)別方法，在斜拉橋拉索上設(shè)置有加速度傳感器，斜拉 橋橋面上設(shè)置有與加速度傳感器連接的控制箱，控制箱內(nèi)設(shè)置有信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采 集卡和基頻產(chǎn)生模塊，信號(hào)調(diào)理模塊為加速度傳感器提供工作電壓，基頻產(chǎn)生模塊包括 FFT模塊、自功率譜模塊、倒頻譜模塊和比較模塊，如圖1所示，它包括以下步驟
1) 、通過(guò)加速度傳感器實(shí)時(shí)獲取拉索的振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程信號(hào)，如圖2所示；
2) 、通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)當(dāng)前時(shí)段的振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程信號(hào)進(jìn)行濾波處理，得到 時(shí)域信號(hào)，并對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行平滑處理；
其中信號(hào)調(diào)理模塊包括放大衰減電路、隔離電路和濾波電路，由于加速度傳感器獲 取的振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程信號(hào)的幅度比較小，所以通過(guò)放大衰減電路的放大器將其幅度 進(jìn)行放大，提高了測(cè)量精度；然后對(duì)放大后的振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程信號(hào)通過(guò)隔離電路進(jìn) 行電氣隔離，電氣隔離有效地抑制了數(shù)據(jù)采集卡不合適的接地，避免了因數(shù)據(jù)采集卡不 合適的接地影響測(cè)量精度，避免了高的共模電壓，有效地保護(hù)了數(shù)據(jù)采集卡，本實(shí)施例 中，隔離電路中采用了一種通用的、雙端口的變壓器耦合的AD202隔離放大芯片，該 AD202隔離放大芯片包括信號(hào)隔離和電源隔離；再對(duì)電氣隔離后的振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程 信號(hào)通過(guò)濾波電路中的低通濾波器和抗混濾波器進(jìn)行濾波處理得到時(shí)域信號(hào)和頻域信 號(hào)；最后對(duì)濾波后得到的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行平滑處理，有效地抑制了白噪聲；
3) 、通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡中的多路開關(guān)將平滑處理后的時(shí)域信號(hào);c(O進(jìn)行分時(shí)采樣，得
到離散時(shí)間序列<"), = 1，2,3...;本實(shí)施例中采用了北京中泰研創(chuàng)科技有限公司的
PM511P多功能數(shù)據(jù)采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡是一塊PC104總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡， 最高采樣頻率可達(dá)40MHz，具有12位A/D轉(zhuǎn)換器，通過(guò)12位A/D轉(zhuǎn)換器將離散
時(shí)間序列4w)轉(zhuǎn)換為幅值離散化的數(shù)字量，A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差為-，=丄><_^ = 0.012% ，式中，Ay("為A/D轉(zhuǎn)換器環(huán)節(jié)造成的輸出y的誤差，
丄,為A/D轉(zhuǎn)換器的輸出范圍；
4) 、 FFT模塊利用窗函數(shù)將離散時(shí)間序列截成N個(gè)點(diǎn)，本實(shí)施例中截成1024個(gè)點(diǎn)， 然后通過(guò)離散時(shí)間信號(hào)的傅立葉變換進(jìn)行FFT變換，得到拉索的平均頻譜；
5) 、根據(jù)拉索的平均頻譜，通過(guò)自功率譜模塊獲得拉索的第一基頻y;，通過(guò)倒頻譜 模塊獲得拉索的第二基頻y;';
拉索的第一基頻y;的獲取的具體過(guò)程為①?gòu)淖怨β首V頻譜圖中選取一個(gè)靠近基頻 的諧振峰，獲取該諧振峰的頻率厶，"為整數(shù)；②判斷該諧振峰的頻率y:與該諧振峰前 的諧振峰的頻率之比是否為，且該諧振峰的頻率/ 與該諧振峰后的諧振峰/ +, 的頻率之比是否為"+z'，其中/為1 "-i之間的整數(shù)，如果是，則通過(guò)/=/ ^計(jì)算
得到第一基頻y;;否則，繼續(xù)執(zhí)行；@計(jì)算"="+1或"="-1，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟②。
拉索的第二基頻y;'的獲取的具體過(guò)程為對(duì)平滑處理后的時(shí)域信號(hào);cw的自功率
譜&(/)通過(guò)^("= F"[igl^r(/)1^ —F"[ig&(/"進(jìn)行逆傅立葉變換計(jì)算得到時(shí)域
信號(hào)的倒頻譜G"f)，式中義(/)為時(shí)域信號(hào)x")的傅立葉變換，這一變換過(guò)程是將復(fù)雜
的自功率譜先化為一系列巻積或乘積的形式，再通過(guò)取對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單和的形式，這樣
能夠很方便的識(shí)別出時(shí)域信號(hào)的組成分量，且能夠更好的從中提取出有用的信號(hào)成分；
時(shí)域信號(hào)經(jīng)倒頻譜變換后，將原來(lái)自功率譜頻譜圖上成族的邊頻帶譜線簡(jiǎn)化為單根譜 線，能識(shí)別出復(fù)雜自功率譜頻譜圖上的周期結(jié)構(gòu)，分離和提取出密集泛頻信號(hào)中的周期 成分，由于振動(dòng)的拉索的自功率譜頻譜圖上的峰值具有明顯的周期性特征，經(jīng)過(guò)倒頻譜 變換后，倒頻譜頻譜圖中的諧振峰更加明顯，從倒頻譜頻譜圖中獲取任意相鄰的兩個(gè)諧
振峰的頻率，并計(jì)算相鄰的兩個(gè)諧振峰的頻率差值的絕對(duì)值/'，根據(jù)/'通過(guò)
<formula>formula see original document page 8</formula>.計(jì)算得到第二基頻/;'。
6)、根據(jù)第一基頻乂和第二基頻/;'，通過(guò)比較模塊判斷,《L是否小于等
(,+, ) /
/2
于設(shè)定的閥值，如果是，則確定拉索的基頻<formula>formula see original document page 8</formula>,
并輸出拉索的基頻/; 否則，跳轉(zhuǎn)步驟2)對(duì)下一個(gè)振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程信號(hào)繼續(xù)執(zhí)行，本實(shí)施例中設(shè)定的閥
值為5%，在工程上誤差在5%之內(nèi)是可以被接受的。
濾波電路對(duì)電氣隔離后的振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程信號(hào)進(jìn)行濾波的過(guò)程中，對(duì)于來(lái)自于
電力線或機(jī)器設(shè)備的頻率在50Hz或60Hz的噪聲，本實(shí)施例采用低通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)， 由于加速度傳感器獲取的振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程信號(hào)的有效成份集中在低頻段，結(jié)合巴 特沃思(Butterworth)濾波器在截止頻率段內(nèi)有最大平坦的幅度特性的特點(diǎn)，設(shè) 計(jì)了一個(gè)5階巴特沃思(Butterworth)低通濾波器，其頻率特性、相位特性、 沖擊響應(yīng)分別如圖3a、 3b和3c所示；對(duì)于采樣率較低而引起的信號(hào)混疊，本實(shí) 施例在采樣前通過(guò)MAX293抗混濾波器來(lái)消除所有頻率超過(guò)1/2采樣率的振動(dòng)加 速度響應(yīng)時(shí)程信號(hào)，MAX293抗混濾波器由模擬低通濾波器和數(shù)字濾波器組成， 模擬濾波器放置于A/D轉(zhuǎn)換器的前面，用來(lái)消除信號(hào)通道位于A/D轉(zhuǎn)換之間的高 頻噪聲和干擾，通過(guò)這種方式，轉(zhuǎn)換的數(shù)字輸出就能夠消除混疊諧波信息，而數(shù) 字濾波器放置于A/D轉(zhuǎn)換器的后面，通過(guò)采用平均技術(shù)來(lái)減少通帶內(nèi)頻率上的噪 聲。
權(quán)利要求
1、一種用于斜拉橋索力檢測(cè)的基頻識(shí)別方法，斜拉橋拉索上設(shè)置有加速度傳感器，其特征在于斜拉橋橋面上設(shè)置有與所述的加速度傳感器連接的控制箱，所述的控制箱內(nèi)設(shè)置有信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡和基頻產(chǎn)生模塊，所述的基頻產(chǎn)生模塊包括FFT模塊、自功率譜模塊、倒頻譜模塊和比較模塊，它包括以下步驟1)、通過(guò)加速度傳感器實(shí)時(shí)獲取拉索的振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程信號(hào)；2)、通過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)當(dāng)前時(shí)段的振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程信號(hào)進(jìn)行濾波處理，得到時(shí)域信號(hào)，并對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行平滑處理；3)、通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡中的多路開關(guān)將平滑處理后的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行分時(shí)采樣，得到離散時(shí)間序列；4)、FFT模塊通過(guò)離散時(shí)間信號(hào)的傅立葉變換對(duì)離散時(shí)間序列進(jìn)行FFT變換，得到拉索的平均頻譜；5)、根據(jù)拉索的平均頻譜，通過(guò)自功率譜模塊獲得拉索的第一基頻f1，通過(guò)倒頻譜模塊獲得拉索的第二基頻f1′；6)、根據(jù)第一基頻f1和第二基頻f1′，通過(guò)比較模塊判斷是否小于等于設(shè)定的閥值，如果是，則確定拉索的基頻f＝(f1+f1′)/2，并輸出拉索的基頻f；否則，跳轉(zhuǎn)步驟2)對(duì)下一個(gè)振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程信號(hào)繼續(xù)執(zhí)行。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種用于斜拉橋索力檢測(cè)的基頻識(shí)別方法，其特征在于所述的信號(hào)調(diào)理模塊包括放大衰減電路、隔離電路和濾波電路，所述的振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí) 程信號(hào)的幅度通過(guò)所述的放大衰減電路的放大器放大，并對(duì)放大后的振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí) 程信號(hào)通過(guò)所述的隔離電路進(jìn)行電氣隔離，再對(duì)電氣隔離后的振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程信號(hào) 通過(guò)所述的濾波電路中的低通濾波器和抗混濾波器進(jìn)行濾波處理得到時(shí)域信號(hào)和頻域 信號(hào)。
3、 如權(quán)利要求2所述的一種用于斜拉橋索力檢測(cè)的基頻識(shí)別方法，其特征在于所 述的所述的低通濾波器為5階巴特沃思低通濾波器。
4、 如權(quán)利要求1所述的一種用于斜拉橋索力檢測(cè)的基頻識(shí)別方法，其特征在于所述的拉索的第一基頻f1的獲取的具體過(guò)程為①?gòu)淖怨β首V頻譜圖中選取一個(gè)靠近基頻的諧振峰，獲取該諧振峰的頻率fn，n為整數(shù)；②判斷該諧振峰的頻率fn與該諧振峰前的諧振峰fn-1,的頻率之比是否為n-i，且該諧振峰的頻率fn與該諧振峰后的諧振峰fn+i,的頻率之比是否為n+i，其中i為1 n-1之間的整數(shù)，如果是，則通過(guò)f1=fn/n"計(jì)算得到第一基頻f1;;否則，繼續(xù)執(zhí)行；(3)計(jì)算n=n+ 1或n=n-1，跳轉(zhuǎn)執(zhí)行步驟②。
5、如權(quán)利要求1所述的一種用于斜拉橋索力檢測(cè)的基頻識(shí)別方法，其特征在于所述的拉索的第二基頻f1的獲取的具體過(guò)程為對(duì)平滑處理后的時(shí)域信號(hào)的自功率譜進(jìn) 行逆傅立葉變換計(jì)算得到時(shí)域信號(hào)的倒頻譜，從倒頻譜頻譜圖中獲取任意相鄰的兩個(gè)諧 振峰的頻率，并計(jì)算相鄰的兩個(gè)諧振峰的頻率差值的絕對(duì)值f，根據(jù)f通過(guò)f1 =1/f.計(jì)算得到第二基頻f1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種斜拉橋索力檢測(cè)的基頻識(shí)別方法，通過(guò)自功率譜模塊獲得的第一基頻，通過(guò)倒頻譜模塊獲得的第二基頻，然后再利用比較模塊來(lái)判斷第一基頻和第二基頻之差的絕對(duì)值與第一基頻和第二基頻之和的二分之一的商是否小于等于設(shè)定的閥值，從而來(lái)確定拉索的基頻為第一基頻和第二基頻之和的二分之一，本方法大大提高了獲得的基頻的準(zhǔn)確度和精確度；此外，由于加速度傳感器獲得的振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程信號(hào)先經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行濾波和平滑處理，有效抑制了振動(dòng)加速度響應(yīng)時(shí)程信號(hào)中的由環(huán)境造成的噪聲，提高了斜拉橋的抗干擾能力，從而使得識(shí)別的基頻更為清晰和精確。
文檔編號(hào)G01L5/10GK101201282SQ20071030027
公開日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2007年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月20日
發(fā)明者馮志敏, 陳再發(fā) 申請(qǐng)人:寧波大學(xué)