CN104457956A - 一种拉索索力检测中基频识别方法 - Google Patents

一种拉索索力检测中基频识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种拉索索力检测中基频识别方法，其是先采集拉索的时域振动信号，再将采集到的时域振动信号进行调理，以获得时域振动响应信号；将获得的时域波形信号进行预处理和自功率谱分析，以获得包含有拉索基频的第一谱图；将获得的时域波形信号进行小波包重构，然后对信号进行自功率谱谱重叠相乘处理，以获得关于拉索的第二谱图；比较第一、第二谱图，以最终确定出拉索基频。本发明构思巧妙、合理，其可有效剔除低频干扰噪声，通过双谱图法对拉索信号进行分析，提高了获取基频的精度，可获得清晰、准确的拉索基频。

Description

一种拉索索力检测中基频识别方法
技术领域
本发明涉及一种索力检测方法，尤其涉及一种拉索索力检测中基频识别方法。
背景技术
拉索索力是斜拉桥、悬索桥等索力检测领域的一项重要技术参数，无论是在设计、施工和今后的养护维修、状态评估过程中都必须能够准确测定拉索索力。因此，准确、快速的评估拉索索力具有重要的工程实践意义。
目前，测定拉索索力主要有以下方法：压力表测定法、压力传感器测定法、磁通量法和频率法。压力表测定法是依据千斤顶张力油缸中的油压计算出千斤顶的张拉力，即为拉索索力，该方法简单易行、比较直观可靠，是施工中控制索力常用的方法；缺点是设备较为笨重，移动不便，且液压油不回零的情况时有发生，影响测试精度，也不适用于张拉好的拉索索力测定。压力传感器测定法测定拉索索力精度高，但由于所使用的传感器比较昂贵，自重较大，多适用于特定场合。磁通量法是利用安装在拉索中的小型电磁传感器，测定磁通量的变化，在根据其与索力、温度之间的关系，进而推算出索力，该技术应用在国内还不够成熟，有待进一步发展。频率法测定拉索索力具有仪器便携，测定过程简单、快速的特点，适用于各种工况的索力监测，技术成熟，使用广泛，在应用中通过测量拉索的基频就可计算出拉索索力。拉索在锚固区域的高度应力集中、腐蚀、疲劳及地质运动等因素，会引起拉索索力的改变，因此，在桥梁施工和使用寿命期限内，需要随时准确了解索力的状况。
上述可知，有必要对现有技术进一步完善。
发明内容
本发明是为了解决现有技术无法清晰的检测出拉索基频，不能准确获得拉索基频的问题而提出一种构思巧妙、合理，可有效剔除低频干扰噪声，为清晰、准确获得拉索基频提供可靠保障的拉索索力检测中基频识别方法。
本发明的技术方案如下：
上述的拉索索力检测中基频识别方法，包括以下步骤：(1)先采集拉索的时域振动信号，再将采集到的时域振动信号进行调理，以获得时域振动响应信号；(2)将上述步骤(1)获得的时域波形信号经过预处理和自功率谱分析，以获得包含有拉索基频的第一谱图；(3)将上述步骤(1)获得的时域波形信号进行小波包重构，然后对信号进行自功率谱谱重叠相乘处理，以获得关于拉索的第二谱图；(4)比较上述步骤(2)和步骤(3)获得的频谱图，首先，选取第二谱图中幅值最大位置处对应的拉索谐波频率值；然后，判断第二频谱所确定的频率值在一定容许范围条件下，在第一谱图上是否存在明显幅值，判断结果为肯定，则确定所述第二频谱所确定的频率值为拉索低阶谐波频率，再通过换算获得拉索基频，判断结果为否定，则选取第二谱图中幅值最大位置相邻幅值明显处所对应的频率值作为拉索谐波频率，再重复以上过程，最终确定出拉索基频。
优选地，所述拉索索力检测中基频识别方法，其中：所述步骤(1)具体是在拉索上安装加速度传感器并且连接便携式数据采集仪器，通过PC机控制数据采集、实时显示及数据处理操作，将加速度传感器采集到的时域振动信号经过信号硬件调理模块对信号进行调理后，上传到PC机显示界面以实时显示经信号硬件调理模块后获得的振动加速度响应时程信号。
优选地，所述拉索索力检测中基频识别方法，其中：所述步骤(1)中信号调理模块包括选通放大衰减电路、滤波电路和平滑处理电路；所述步骤(1)中所述振动加速度时程响应信号是先经过选通放大衰减电路进行选通放大，再通过滤波电路中的低通滤波器进行滤波处理，最后对得到的波形数据经过平滑处理电路进行平滑处理。
优选地，所述拉索索力检测中基频识别方法，其中：所述步骤(2)具体是将所述步骤(1)获得的时域波形信号经过信号软件预处理模块进行预处理和经过软件自功率谱分析模块进行分析，以获得包含有拉索基频的第一谱图。
优选地，所述拉索索力检测中基频识别方法，其中：所述步骤(2)中所述信号软件预处理模块为软件调用6阶低通滤波器；所述低通滤波器进行滤波，波形数据按等长度分成2n份，n取2或3，将等长度的数据进行自功率谱分析，然后对得到的2n个谱图进行相乘，最终获得拉索基频的第一谱图。
优选地，所述拉索索力检测中基频识别方法，其中：所述的2n个谱图进行相乘实质是对n份自功率谱图重叠相乘。
优选地，所述拉索索力检测中基频识别方法，其中：所述步骤(3)中所述的小波包重构是指将所述步骤(1)获得的时域波形信号经过小波降噪、小波包分解和选取适当频段进行重构。
优选地，所述拉索索力检测中基频识别方法，其中：所述选取适当频段进行重构的频段选择为1～3Hz。
优选地，所述拉索索力检测中基频识别方法，其中：所述步骤(4)中所述的频率一定容许范围具体是指0.05Hz以内。
优选地，所述拉索索力检测中基频识别方法，其中：所述步骤(4)中所述的换算获得拉索基频具体是将所获得的拉索低阶谐波频率除以2或3，以最终确定拉索基频。
有益效果：
本发明拉索索力检测中基频识别方法构思巧妙、合理，在第一谱图和第二谱图对比分析的情况下，可有效剔除低频干扰噪声，为准确获得拉索基频提供可靠保障；同时，通过拉索上安装低频加速度传感器，与加速度传感器连接便携式数据采集仪器即工控机，工控机分为硬件数据采集模块和软件数据处理模块，采集到的时域振动响应信号经过硬件调理模块上传到软件分析界面，由软件数据处理模块进行数据预处理、小波分析及自功率谱分析；对信号预处理，自功率谱分析获得第一谱图，对信号进行小波降噪，小波包分解并且选择适当频段对信号进行重构，然后经过自功率谱分析，获得第二谱图，通过比较第一谱图和第二谱图，可以提高实际拉索振动混入有较强低频干扰信号的信噪比，与传统的频率法测拉索索力进行比较，使用双谱图法对数据进行处理，即使在较大干扰的情况下，通过双谱图法对拉索信号进行分析，在一定程度上提高了获取基频的精度，仍然可以获得清晰、准确的拉索基频，解决了传统频率法很难清晰、准确获得拉索基频的技术难题。
附图说明
图1为本发明拉索索力检测中基频识别方法的流程图；
图2为本发明拉索索力检测中基频识别方法中安装在拉索上的加速度传感器在噪声水平低的情况下采集到的振动加速度时域波形图；
图3为本发明拉索索力检测中基频识别方法中对图1采集的波形数据进行双谱分析图；
图4为本发明拉索索力检测中基频识别方法中安装在拉索上的加速度传感器在较高噪声水平情况下采集到的振动加速度时域波形；
图5为本发明拉索索力检测中基频识别方法的对图3采集的波形数据进行双谱分析图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
如图1所示，本发明拉索索力检测中基频识别方法，是在拉索上安装加速度传感器并且连接便携式数据采集仪器即工控机，PC机控制数据采集、实时显示及数据处理等操作，具体流程为：
(1)在拉索上安装加速度传感器并且连接便携式数据采集仪器即工控机，通过PC机控制数据采集、实时显示及数据处理操作，通过加速度传感器采集到的时域振动信号经过信号硬件调理模块对信号进行调理，将采集数据上传到PC机显示界面，以显示经信号硬件调理模块后获得的振动加速度响应时程信号；
(2)将上述步骤(1)获得的时域波形信号经过信号软件预处理模块预处理和软件自功率谱分析模块分析，以获得包含有拉索基频的第一谱图；
(3)将上述步骤(1)获得的时域波形信号经过小波降噪、小波包分解和选取适当频段进行小波包重构，然后对信号进行自功率谱谱重叠相乘处理，减小低频随机干扰信号对测试系统影响，获得关于拉索的第二谱图；
(4)比较上述步骤(2)和步骤(3)获得的频谱图，首先，选取第二谱图中幅值最大位置处对应的拉索谐波频率；然后，判断第二频谱所确定的频率值在一定容许范围(一般定义为0.05Hz以内)条件下，在第一谱图上是否存在明显幅值，判定结果为肯定，则第二频谱所确定的频率值为拉索低阶谐波频率(一般情况下为2阶或3阶)，可通过换算获得拉索基频，判定结果为否定，则选取第二谱图中幅值最大位置相邻幅值明显处所对应的频率值作为拉索谐波频率，再重复以上过程，最终确定出拉索基频。
其中，上述步骤(1)中信号调理模块包括选通放大衰减电路、滤波电路和平滑处理电路；振动加速度时程响应信号经过选通放大衰减电路进行选通放大，放大后的振动加速度响应时程信号通过滤波电路中的低通滤波器进行滤波处理，最后对得到的波形数据经过平滑处理电路进行平滑处理，有效的提高了信号的抗干扰能力。
上述步骤(2)中信号软件预处理模块为软件调用6阶低通巴特沃斯滤波器；该低通滤波器进行滤波，波形数据按等长度分成2n份，n一般取2或3，将等长度的数据进行自功率谱分析，然后对得到的2n个谱图进行相乘(实质是对n份自功率谱图重叠相乘)，最终获得拉索基频的第一谱图。
上述步骤(3)中适当频段进行小波包重构的频段选择为1～3Hz。
下面结合附图的分析说明对本发明作进一步阐述：
图3中，首先在第二谱图找到幅值最大位置所对应的谐波频率，显示为1.52Hz；其次，在第一谱图中查找1.52Hz附近是否存在明显幅值，观察图3左侧第一谱图，可以确定频率为1.52Hz时存在明显幅值，因此可以确定该频率为拉索低阶谐波频率，根据某斜拉桥成桥时基频值，及现场考察该斜拉桥具体使用情况，判断该频率为拉索二阶频率，推算出拉索索力为4071KN。
图4中，较高噪声水平为在进行信号采集时，斜拉桥有大吨位卡车经过，对采集的信号产生较大干扰，从图4中可以看到信号是不平稳的，局部位置存在较大噪声干扰，图4经过软件处理获得图5，可以在图5中清楚的判断出拉索的低阶谐波频率为1.07Hz，通过参考成桥时拉索的理论基频值，可以判定该频率为此拉索基频值，计算索力为3927KN，与2002年成桥时索力4175KN对比，可以说明：测试拉索在经过12年的运营，虽然预应力有一定程度的损失，但是该拉索还是处于十分良好的状态.因此，通过本发明，可以发现即使在较大干扰的情况下，通过双谱图法对拉索信号进行分析，仍然可以获得清晰、准确的拉索基频。
本发明拉索索力检测中基频识别方法构思巧妙、合理，其获取基频的精度高，通过加速度传感器获得的振动加速度时程响应信号通常情况下存在不同强度的环境噪声，对信号进行预处理、滤波和平滑处理等操作，提高了信号的信噪比；然后将数据分为n等分，分别进行自功率谱分析，将得到的n个自功率谱图相乘，从而提高拉索索力检测中抗干扰的能力，为清晰、准确的获得拉索基频提供了有力的保障。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种拉索索力检测中基频识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)先采集拉索的时域振动信号，再将采集到的时域振动信号进行调理，以获得时域振动响应信号；
(2)将上述步骤(1)获得的时域波形信号经过预处理和自功率谱分析，以获得包含有拉索基频的第一谱图；
(3)将上述步骤(1)获得的时域波形信号进行小波包重构，然后对信号进行自功率谱谱重叠相乘处理，以获得关于拉索的第二谱图；
(4)比较上述步骤(2)和步骤(3)获得的频谱图，首先，选取第二谱图中幅值最大位置处对应的拉索谐波频率值；然后，判断第二频谱所确定的频率值在一定容许范围条件下，在第一谱图上是否存在明显幅值，判断结果为肯定，则确定所述第二频谱所确定的频率值为拉索低阶谐波频率，再通过换算获得拉索基频，判断结果为否定，则选取第二谱图中幅值最大位置相邻幅值明显处所对应的频率值作为拉索谐波频率，再重复以上过程，最终确定出拉索基频。
2.如权利要求1所述的拉索索力检测中基频识别方法，其特征在于：所述步骤(1)具体是在拉索上安装加速度传感器并且连接便携式数据采集仪器，通过PC机控制数据采集、实时显示及数据处理操作，将加速度传感器采集到的时域振动信号经过信号硬件调理模块对信号进行调理后，上传到PC机显示界面以实时显示经信号硬件调理模块后获得的振动加速度响应时程信号。
3.如权利要求1所述的拉索索力检测中基频识别方法，其特征在于：所述步骤(1)中信号调理模块包括选通放大衰减电路、滤波电路和平滑处理电路；
所述步骤(1)中所述振动加速度时程响应信号是先经过选通放大衰减电路进行选通放大，再通过滤波电路中的低通滤波器进行滤波处理，最后对得到的波形数据经过平滑处理电路进行平滑处理。
4.如权利要求1所述的拉索索力检测中基频识别方法，其特征在于：所述步骤(2)具体是将所述步骤(1)获得的时域波形信号经过信号软件预处理模块进行预处理和经过软件自功率谱分析模块进行分析，以获得包含有拉索基频的第一谱图。
5.如权利要求1所述的拉索索力检测中基频识别方法，其特征在于：所述步骤(2)中所述信号软件预处理模块为软件调用6阶低通滤波器，所述低通滤波器进行降噪处理；波形数据按等长度分成2n份，n取2或3，将等长度的数据进行自功率谱分析，然后对得到的2n个谱图进行相乘，最终获得拉索基频的第一谱图。
6.如权利要求5所述的拉索索力检测中基频识别方法，其特征在于：所述的2n个谱图进行相乘实质是对n份自功率谱图重叠相乘。
7.如权利要求1所述的拉索索力检测中基频识别方法，其特征在于：所述步骤(3)中所述的小波包重构是指将所述步骤(1)获得的时域波形信号经过小波降噪、小波包分解和选取适当频段进行重构。
8.如权利要求7所述的拉索索力检测中基频识别方法，其特征在于：所述选取适当频段进行重构的频段选择为1～3Hz。
9.如权利要求1所述的拉索索力检测中基频识别方法，其特征在于：所述步骤(4)中所述的频率一定容许范围具体是指0.05Hz以内。
10.如权利要求1所述的拉索索力检测中基频识别方法，其特征在于：所述步骤(4)中所述的换算获得拉索基频具体是将所获得的拉索低阶谐波频率除以2或3，以最终确定拉索基频。
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