CN103217248A - 一种桥梁钢索拉力的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种桥梁钢索拉力的检测方法，属于桥梁安全监测技术领域。首先对桥梁钢索的振动加速度进行采样，通过傅里叶变换运算，得到桥梁钢索的第一振动功率谱；再进行平方运算，得到桥梁钢索的第二振动功率谱，对第二振动功率谱进行滑动平均处理，得到第三振动功率谱，再进行处理后得到最终振动功率谱，从最后的振动功率谱中提取振动基频频率，根据振动基频频率，利用张紧弦模型索力计算方法，计算出桥梁钢索的拉力。本方法的计算过程中针对桥梁选择了合适的测量参数和计算方法，使桥梁钢索拉力运算时间缩短，降低了计算的空间复杂度小，而且提高了计算结果的精度。

Description

一种桥梁钢索拉力的检测方法

技术领域

本发明涉及一种桥梁钢索拉力的检测方法，属于桥梁安全监测技术领域。

背景技术

桥梁索力检测属于结构监测中的一种，桥梁索力能够通过压力传感器法，振动频率法和电磁测量法等算法获得，但在实际测量中，通常采用振动频率法，这种方法通过测量出钢索振动的基频频率推算出索力，传感器的布置和测量都较为方便。传统的桥梁索力检测采用有线传感器连接计算终端的方法，由传感器采集钢索数据再由计算终端计算获得索力。这种方法的人力成本和布线成本很高，并且监测频率也无法做到很高的水平。因此将无线传感网技术引入桥梁索力检测能够大大提升桥梁索力检测的检测性能。本发明提出的算法就是针对无线传感网的应用环境。

发明内容

本发明的目的是提出一种桥梁钢索拉力的检测方法，针对桥梁索力检测的特定应用场景，用新的方法检测桥梁钢索的拉力，以简化钢索拉力的计算过程，并提高检测精度。

本发明提出的基于无线传感网络的桥梁钢索拉力的检测方法，包括以下步骤：

（1）对桥梁钢索的振动加速度进行采样，采样率为50次/秒，连续采集2ⁿ个加速度，n的取值范围为10-15；

（2）对步骤1采集的加速度进行基2快速傅里叶变换运算，计算得到桥梁钢索的第一振动功率谱；

（3）对上述第一振动功率谱进行平方运算，得到桥梁钢索的第二振动功率谱，对第二振动功率谱进行滑动平均处理，滑动平均处理时所取窗口大小为h个频点，h的取值范围为5-20个频点，得到第三振动功率谱；

（4）对上述第三振动功率谱进行处理，得到最终振动功率谱，过程为：对第三振动功率谱中的所有频点进行第一次扫描，得到多个极大值点，设定一个极大值点个数的阈值，对极大值点的个数进行判断，若极大值点个数小于阈值，则记该振动功率谱为最终振动功率谱，并进行步骤（5），若极大值点个数大于阈值，则根据第一次扫描的极大值点形成第四振动功率谱，对第四振动功率谱进行第二次扫描，并重复本步骤，直到极大值点个数小于阈值；

（5）对步骤（4）得到的钢索振动功率谱进行振动基频频率提取，具体包括以下步骤：

（5-1）设定一个桥梁钢索振动的基频频率，将该基频频率作为一个循环变量，设基频频率的初始值为0.5Hz，终止值为5Hz；

（5-2）将N个三角形窗口放置在步骤（4）的最终振动功率谱上，使N个三角形窗口的中心点分别处于最终振动功率谱中上述设定基频频率处和各次谐波频率处；

（5-3）选取适当的窗口宽度，上述N个三角形窗口与最终振动功率谱相乘，将相乘后的振动功率谱中各个频点处的值累加，得到一个参考值k；

（5-4）依次采用循环变量中从初始值到终止值之间的各循环值，重复步骤（5-2）和（5-3），得到多个参考值k，与多个参考值k中的最大值相对应的基频频率即为桥梁钢索的振动基频频率；

（6）根据步骤（5）的桥梁钢索的振动基频频率，利用张紧弦模型索力计算方法，计算出桥梁钢索的拉力。

本发明提出的桥梁钢索拉力的检测方法，其优点是：本方法的计算过程中针对桥梁选择了合适的测量参数和计算方法，使桥梁钢索拉力运算时间缩短，降低了计算的空间复杂度小，而且提高了计算结果的精度。同时本发明的检测方法具有比较强的抗干扰能力，能够很好的与桥梁钢索拉力检测的应用场景相适应。

附图说明

图1是本发明提出的一种桥梁钢索拉力的检测方法的流程框图。

具体实施方式

本发明提出的桥梁钢索拉力的检测方法，其流程框图如图1所示，包括以下步骤：

（1）对桥梁钢索的振动加速度进行采样，采样率为50次/秒，连续采集2ⁿ个加速度，n的取值范围为10-15；

（2）对步骤1采集的加速度进行基2快速傅里叶变换运算，计算得到桥梁钢索的第一振动功率谱；

（3）对上述第一振动功率谱进行平方运算，得到桥梁钢索的第二振动功率谱，对第二振动功率谱进行滑动平均处理，滑动平均处理时所取窗口大小为h个频点，h的取值范围为5-20个频点，得到第三振动功率谱；本步骤中对功率谱预处理的目的，是突出功率谱中的基频分量和各次谐波分量，并对噪声和干扰进行抑制。在钢索的振动功率谱中，在基频和各次谐波分量处功率谱会有明显的峰值，在进行平方处理之后，这些峰值相对于幅度小的噪声以及干扰会得到进一步突出。而滑动平均则能够压制单个频点上幅度较大的干扰分量。这些处理使得之后的的基频分量提取变得更加准确。

（4）对上述第三振动功率谱进行处理，得到最终振动功率谱，过程为：对第三振动功率谱中的所有频点进行第一次扫描，得到多个极大值点，设定一个极大值点个数的阈值，对极大值点的个数进行判断，若极大值点个数小于阈值，则记该振动功率谱为最终振动功率谱，并进行步骤（5），若极大值点个数大于阈值，则根据第一次扫描的极大值点形成第四振动功率谱，对第四振动功率谱进行第二次扫描，并重复本步骤，直到极大值点个数小于阈值；

（5）对步骤（4）得到的钢索振动功率谱进行振动基频频率提取，具体包括以下步骤：

（5-1）设定一个桥梁钢索振动的基频频率，将该基频频率作为一个循环变量，设基频频率的初始值为0.5Hz，终止值为5Hz，步长选适当频率；

（5-2）将N个三角形窗口（在信号处理中，三角窗口中心点处幅度为1，边缘幅度为0，中间的幅度平滑变化）放置在步骤（4）的最终振动功率谱上，使N个三角形窗口的中心点分别处于最终振动功率谱中上述设定基频频率处和各次谐波频率处；例如，在循环初始时，窗口中心点在0.5Hz,1Hz,1.5Hz等频率上；

（5-3）选取适当的窗口宽度，将上述N个三角形窗口与最终振动功率谱相乘，将相乘后的振动功率谱中各个频点处的值累加，得到一个参考值k；

（5-4）依次采用循环变量中从初始值到终止值之间的各循环值，重复步骤（5-2）和（5-3），得到多个参考值k，与多个参考值k中的最大值相对应的基频频率即为桥梁钢索的振动基频频率。

上述三角窗口法进行基频分量提取的基本原理是，找到一个评价指标k，用这个评价指标来衡量基频频率的准确性，k值越大，该频率是基频频率的可能性越高。找到k值最大的频率，也就找到了最可能是基频频率的频率。在频谱质量比情况下，该方法能够非常准确提取振动的基频频率。

（6）根据步骤（5）的桥梁钢索的振动基频频率，利用张紧弦模型索力计算方法，计算出桥梁钢索的拉力。

Claims (1)

1.一种基于无线传感网络的桥梁钢索拉力的检测方法，其特征在于该监测方法包括以下步骤：

（1）对桥梁钢索的振动加速度进行采样，采样率为50次/秒，连续采集2n个加速度，n的取值范围为10-15；

（2）对步骤1采集的加速度进行基2快速傅里叶变换运算，计算得到桥梁钢索的第一振动功率谱；

（3）对上述第一振动功率谱进行平方运算，得到桥梁钢索的第二振动功率谱，对第二振动功率谱进行滑动平均处理，滑动平均处理时所取窗口大小为h个频点，h的取值范围为5-20个频点，得到第三振动功率谱；

（4）对上述第三振动功率谱进行处理，得到最终振动功率谱，过程为：对第三振动功率谱中的所有频点进行第一次扫描，得到多个极大值点，设定一个极大值点个数的阈值，对极大值点的个数进行判断，若极大值点个数小于阈值，则记该振动功率谱为最终振动功率谱，并进行步骤（5），若极大值点个数大于阈值，则根据第一次扫描的极大值点形成第四振动功率谱，对第四振动功率谱进行第二次扫描，并重复本步骤，直到极大值点个数小于阈值；

（5）对步骤（4）得到的钢索振动功率谱进行振动基频频率提取，具体包括以下步骤：

（5-1）设定一个桥梁钢索振动的基频频率，将该基频频率作为一个循环变量，设基频频率的初始值为0.5Hz，终止值为5Hz；

（5-2）将N个三角形窗口放置在步骤（4）的最终振动功率谱上，使N个三角形窗口的中心点分别处于最终振动功率谱中上述设定基频频率处和各次谐波频率处；

（5-3）选取适当的窗口宽度，上述N个三角形窗口与最终振动功率谱相乘，将相乘后的振动功率谱中各个频点处的值累加，得到一个参考值k；

（5-4）依次采用循环变量中从初始值到终止值之间的各循环值，重复步骤（5-2）和（5-3），得到多个参考值k，与多个参考值k中的最大值相对应的基频频率即为桥梁钢索的振动基频频率；

（6）根据步骤（5）的桥梁钢索的振动基频频率，利用张紧弦模型索力计算方法，计算出桥梁钢索的拉力。

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