CN110487461A - 一种基于传感器的轴力检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种基于传感器的轴力检测方法及系统，通过基于频率和振型的新的轴力识别方法可以很好的解决短索一直识别不准确的问题并对桥梁短索进行轴力识别,在实际测量桥索的轴力过程中，轴力是不知道的，所以在本公开中新加入瑞丽‑利兹法来找到桥索轴力的大致范围，再用公式找到准确轴力，运用频率、振形实测实际桥索抗弯刚度；在寻找初值中从铁木辛柯梁理论的能量法出发，改进之前欧拉梁的能量法识别索力，提高了识别初值的准确度，减少了运算次数；用实验测得短索弹性、剪切模量，比给定材料的弹性、剪切模量更加接近实际值，方法简便经济，可以很好的运用到实际工程中。

Description

一种基于传感器的轴力检测方法及系统

技术领域

本公开涉及轴力检测和轴力识别处理领域，具体涉及一种基于传感器的轴力检测方法及系统。

背景技术

近年来我国经济高速发展，越来越多形式优美且外观大气的大跨度桥梁出现在我们的生活中。大跨度桥梁主要包括悬索桥、斜拉桥和组合结构桥。在这些桥梁中，承载构件主要为索系结构，例如悬索桥中的吊索，斜拉桥的拉索，组合桥的吊索。

近年来越来越多各式各样的大跨度桥梁出现，大跨度桥梁主要包括悬索桥、斜拉桥和组合结构桥。在这些桥梁中，承载构件主要为杆、索系结构，例如悬索桥中的吊索，斜拉桥的拉索，组合桥的吊索。实际生活中由于风荷载、雪荷载、地震荷载等外部荷载的作用导致关键短索受力超出承受范围将会引起结构损伤或倒塌。或者因受腐蚀、材料老化、施工质量不合格导致关键短索质量不达标等原因造成关键短索失效或者断裂，将会引起结构的倒塌而造成重大伤亡事故。所以对于大跨度桥梁，如何在其正常工作状态下不受环境噪声影响，高效准确的检测关键短索所受轴力的变化，对结构主体的健康监测起着至关重要的作用。近年来索力识别作为一个热门研究方向已经提出了许多方法如液压表法、磁通量法、频率法等。虽然这些方法在一定条件下能识别出短索的轴力，但出现长索轴力识别精度较高，短索轴力识别精度较差的现象。在现有的技术中，计算轴力的方法不能得到轴力的解析解而是一个试算的过程，试算前需要找到一个接近轴力的范围值才能找到真实轴力，因为在实验室中轴力设定是已知值，所以在现有的技术中的短索轴力识别方法只是来检验该方法的正确性,经研究由于桥梁短索的边界条件复杂，以及桥索的抗弯刚度不确定，故导致短索一直识别不准确,现有的技术中短索是材料均匀、形状规则的短索，故抗弯刚度EI是运用抗弯刚度公式计算的固定值。而实际桥索抗弯刚度复杂利用抗弯刚度计算的抗弯刚度十分不准确，误差大。

发明内容

本公开提供一种基于传感器的轴力检测方法及系统，通过基于频率和振型的新的轴力识别方法可以很好的解决短索一直识别不准确的问题并对桥梁短索进行轴力识别,在实际测量桥索的轴力过程中，轴力是不知道的，所以在本公开中新加入瑞丽-利兹法来找到桥索轴力的大致范围，再用公式找到准确轴力，运用频率、振形实测实际桥索抗弯刚度。

为了实现上述目的，根据本公开的一方面，提供一种基于传感器的轴力检测方法，所述方法包括以下步骤：

S100：随机在被测短索上等距布置至少5个加速度传感器和至少一个位移传感器；

S200：通过所述加速度传感器采集所述被测短索的加速度值，通过位移传感器采集位移值；

S300：对所述被测短索建立铁木辛柯梁振动方程；

S400：通过所述铁木辛柯梁振动方程得到振型公式；

S500：通过所述振型公式构建动力特征振型；

S600：根据所述动力特征振型得到轴力检测模型；

S700：根据所述轴力检测模型得到轴力值。

进一步地，在步骤S200中,所述传感器包括但不限于加速度传感器和位移传感器。

进一步地，在步骤S300中，对所述被测短索建立铁木辛柯梁振动方程的方法为：

对被测短索建立铁木辛柯梁振动方程：

其中，A为被测短索材料的截面面积、ρ被测短索材料的密度和I为被测短索材料的几何惯性矩，η为变形系数(0≤η≤1)，k_y为剪切变形系数，当被测短索的截面为矩形时k_y取5/6，被测短索为圆形时k_y取9/10,y为竖直方向，E为被测短索材料的弹性模量和G为被测短索材料的剪切模量；N为考虑二阶效应的被测短索的短索轴力，受拉时为正，受压时为负；x为被测短索的位置坐标，t为时刻；w＝w(x,t)为t时刻被测短索位置坐标为x时的横向位移量。

进一步地，在步骤S400中，将所述位移量输入所述铁木辛柯梁振动方程得到振型公式的方法为：

令位移量w(x,t)＝w(x)sin(ωt)，其中ω为位移频率，将其代入铁木辛柯梁振动方程可得：w″″(x)+b²w″(x)-a⁴w″(x)＝0；其中，

解微分方程可求出振型公式：w(x)＝Asin(px)+Bcos(px)+Csinh(qx)+Dcosh(qx)，

sinh是双曲正弦函数，cosh是双曲余弦函数；其中： A、B、C、D为四个边界条件。

进一步地，在步骤S500中，通过所述振型公式构建动力特征振型的方法为：

通过被测短索的位移量得到四个独立的位移比为：

φ(x_i)为在x_i坐标位置的位移，i＝1…5；

由上可得到：φ(x_i)-λ_ijφ(x_j)＝0，i＝1…5,j＝1…5；

则所述振型公式构建的动力特征振型为：

将动力特征振型简化为：其中，A、B、C、D不能为零，所以只有矩阵[S]为0，即[S]的行列式为0。

进一步地，在步骤S600中，根据所述动力特征振型得到轴力检测模型的方法为：

根据能量守恒原理得出轴力检测模型：

l为被测短索材料的长度；其中，梁振动形函数形式为：w(x)＝Asin(px)+Bcos(px)+Csinh(qx)+Dcosh(qx)；由边界条件可求得两端固支的形函数和两端铰支的形函数A、B、C、D为梁振动形函数的4阶偏微分方程的未知量(即四个边界条件)；以瑞丽-利兹法预设一个复合边界的形函数：

由于轴力检测模型存在N、k₁、k₂三个未知数，在这里用实测的前三阶频率得到三个方程即可算出轴力值N的初始估计值，k₁、k₂是自定义的剪切变形系数。

本发明还提供了一种基于传感器的轴力检测系统，所述系统包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下系统的单元中：

位移量采集单元，用于通过所述加速度传感器采集所述被测短索的加速度值，通过位移传感器采集位移值；

振动方程构建单元，用于对所述被测短索建立铁木辛柯梁振动方程；

振型公式单元，用于通过所述铁木辛柯梁振动方程得到振型公式；

动力特征振型单元，用于通过所述振型公式构建动力特征振型；

轴力检测模型单元，用于根据所述动力特征振型得到轴力检测模型；

轴力值输出单元，用于根据所述轴力检测模型得到轴力值。

本公开的有益效果为：

(1)在寻找初值中从铁木辛柯梁理论的能量法出发，改进之前欧拉梁的能量法识别索力，提高了识别初值的准确度，减少了运算次数。

(2)用实验测得短索弹性、剪切模量，比给定材料的弹性、剪切模量更加接近实际值。

(3)此方法不仅适用于悬索桥短索、斜拉桥短拉索、组合桥短索中的轴力，对大跨结构中框架短索轴力也能进行识别。

(4)此方法在以为的频率识别轴力的方法中增加振型这一动力特征，很好的解决了识别短索轴力的边界问题。

(5)此方法最少只需要用5个传感器识别5阶频率和5点位移即可测得轴力，方法简便经济，可以很好的运用到实际工程中。

附图说明

通过对结合附图所示出的实施方式进行详细说明，本公开的上述以及其他特征将更加明显，本公开附图中相同的参考标号表示相同或相似的元素，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，在附图中：

图1所示为一种基于传感器的轴力检测方法的流程图；

图2所示为一种基于传感器的轴力检测系统结构图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本公开的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本公开的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示为根据本公开的一种基于传感器的轴力检测方法的流程图，下面结合图1来阐述根据本公开的实施方式的一种基于传感器的轴力检测方法。

本公开提出一种基于传感器的轴力检测方法，具体包括以下步骤：

S100：随机在被测短索上等距布置至少5个加速度传感器和至少一个位移传感器；

S200：通过所述加速度传感器采集所述被测短索的加速度值，通过位移传感器采集位移值；

S300：对所述被测短索建立铁木辛柯梁振动方程；

S400：通过所述铁木辛柯梁振动方程得到振型公式；

S500：通过所述振型公式构建动力特征振型；

S600：根据所述动力特征振型得到轴力检测模型；

S700：根据所述轴力检测模型得到轴力值。

进一步地，在步骤S300中，对所述被测短索建立铁木辛柯梁振动方程的方法为：

对被测短索建立铁木辛柯梁振动方程：

其中，A为被测短索材料的截面面积、ρ被测短索材料的密度和I为被测短索材料的几何惯性矩，η为变形系数(0≤η≤1)，k_y为剪切变形系数，当被测短索的截面为矩形时k_y取5/6，被测短索为圆形时k_y取9/10,y＝1…5，E为被测短索材料的弹性模量和G为被测短索材料的剪切模量；N为考虑二阶效应的被测短索的短索轴力，受拉时为正，受压时为负；x为被测短索的位置坐标，t为时刻；w＝w(x,t)为t时刻被测短索位置坐标为x时的横向位移量。

进一步地，在步骤S400中，将所述位移量输入所述铁木辛柯梁振动方程得到振型公式的方法为：

令位移量w(x,t)＝w(x)sin(ωt)，其中ω为位移频率，将其代入铁木辛柯梁振动方程可得：w″″(x)+b²w″(x)-a⁴w″(x)＝0；其中，

解微分方程可求出振型公式：w(x)＝Asin(px)+Bcos(px)+Csinh(qx)+Dcosh(qx)，

sinh是双曲正弦函数，cosh是双曲余弦函数；其中： A、B、C、D为四个边界条件。

进一步地，在步骤S500中，通过所述振型公式构建动力特征振型的方法为：

通过被测短索的位移量得到四个独立的位移比为：

φ(x_i)为在x_i坐标位置的位移，i＝1…5；

由上可得到：φ(x_i)-λ_ijφ(x_j)＝0，i＝1…5,j＝1…5；

则所述振型公式构建的动力特征振型为：

将动力特征振型简化为：其中，A、B、C、D不能为零，所以只有矩阵[S]为0，即[S]的行列式为0。

进一步地，在步骤S600中，根据所述动力特征振型得到轴力检测模型的方法为：

根据能量守恒原理得出轴力检测模型：

l为被测短索材料的长度；其中，梁振动形函数形式为：w(x)＝Asin(px)+Bcos(px)+Csinh(qx)+Dcosh(qx)；由边界条件可求得两端固支的形函数和两端铰支的形函数A、B、C、D为梁振动形函数的4阶偏微分方程的未知量(即四个边界条件)；以瑞丽-利兹法预设一个复合边界的形函数：

由于轴力检测模型存在N、k₁、k₂三个未知数，在这里用实测的前三阶频率得到三个方程即可算出轴力值N的初始估计值，k₁、k₂是自定义的剪切变形系数。

进一步地，本公开的一种实施例为：

对于被测短索，应考虑端部剪切和转动，弦振动理论不再适用，建立铁木辛柯梁振动方程：

其中，A为被测短索材料的截面面积、ρ被测短索材料的密度和I为被测短索材料的几何惯性矩，η为变形系数(0≤η≤1)，k_y为剪切变形系数，当被测短索的截面为矩形时k_y取5/6，被测短索为圆形时k_y取9/10,y为竖直方向，E为被测短索材料的弹性模量和G为被测短索材料的剪切模量；N为考虑二阶效应的被测短索的短索轴力，受拉时为正，受压时为负；x为被测短索的位置坐标，t为时刻；w＝w(x,t)为t时刻被测短索位置坐标为x时的横向位移。令w(x,t)＝w(x)sin(ωt)，其中ω为位移频率，将其代入铁木辛柯梁振动方程可得：w″″(x)+b²w″(x)-a⁴w″(x)＝0；其中，

解微分方程可求出振型公式：w(x)＝Asin(px)+Bcos(px)+Csinh(qx)+Dcosh(qx)，sinh是双曲正弦函数，cosh是双曲余弦函数；

其中：A、B、C、D为偏微分方程的未知量(即四个边界条件)。

在振型公式中可以看到，要想得到被测短索的短索轴力，必须知道A、B、C、D四个边界条件未知数，在以往的频率法轴力识别方法中，都假想边界条件为固支和铰支来求解，发现识别短索索力误差很大。

由于在实际桥索中尤其短索，边界条件及其复杂，不能简单的看作固支或铰支，所以在此处构建动力特征振型来解决未知边界条件问题；如图2所示，在桥索上等距布置5个传感器来识别5个未知的位移，得到四个独立的位移比为：

φ(x_i)为在x_i坐标位置的位移，i＝1…5；

对这4个方程求解可得到：φ(x_i)-λ_ijφ(x_j)＝0，i＝1…5,j＝1…5；

其矩阵的形式为：

将动力特征振型简化为：

在这里A、B、C、D不能为零,所以只有矩阵[S]为0，即[S]的行列式为0；因为在[S]中只有轴力N这一个未知数，所以如果找到一个N值使得|S|＝0，N即是识别到的轴力值；

在上述计算过程中必须给定一个轴力值的范围，如果在实测过程中N值选的不在实测值周围会找不到零点也就无法识别轴力，这里运用以下方法寻找N的估计值：

根据能量守恒原理最大动能E_kmax等于最大势能V_max：E_kmax＝V_max；得出轴力检测模型：

l为被测短索材料的长度；其中，梁振动形函数形式为：w(x)＝Asin(px)+Bcos(px)+Csinh(qx)+Dcosh(qx)；由边界条件可求得两端固支的形函数和两端铰支的形函数A、B、C、D为梁振动形函数的4阶偏微分方程的未知量(即四个边界条件)；

由于实际桥的短索边界条件介于固支与铰支之间，按照固支或铰支测得轴力误差很大，以瑞丽-利兹法预设一个复合边界的形函数：

由于轴力检测模型存在N、k₁、k₂三个未知数，在这里用实测的前三阶频率得到三个方程即可算出轴力N的初始估计值，k₁、k₂是自定义的剪切变形系数；如果对于材料复杂的桥索，其弹性模量E、剪切模量G未知，便可再用第四、五阶频率得到5个方程来求出实际E、G值；将这些值再作为复合特征识别轴力方法的初值会提高计算结果的精度，使结果更加接近实测真实轴力。

本公开的实施例提供的一种基于传感器的轴力检测系统，如图2所示为本公开的一种基于传感器的轴力检测系统图，该实施例的一种基于传感器的轴力检测系统包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述一种基于传感器的轴力检测系统实施例中的步骤。

所述系统包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下系统的单元中：

位移量采集单元，用于通过所述加速度传感器采集所述被测短索的加速度值，通过位移传感器采集位移值；

振动方程构建单元，用于对所述被测短索建立铁木辛柯梁振动方程；

振型公式单元，用于通过所述铁木辛柯梁振动方程得到振型公式；

动力特征振型单元，用于通过所述振型公式构建动力特征振型；

轴力检测模型单元，用于根据所述动力特征振型得到轴力检测模型；

轴力值输出单元，用于根据所述轴力检测模型得到轴力值。

所述一种基于传感器的轴力检测系统可以运行于桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备中。所述一种基于传感器的轴力检测系统，可运行的系统可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述例子仅仅是一种基于传感器的轴力检测系统的示例，并不构成对一种基于传感器的轴力检测系统的限定，可以包括比例子更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述一种基于传感器的轴力检测系统还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述一种基于传感器的轴力检测系统运行系统的控制中心，利用各种接口和线路连接整个一种基于传感器的轴力检测系统可运行系统的各个部分。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述一种基于传感器的轴力检测系统的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

尽管本公开的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本公开的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本公开进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本公开的非实质性改动仍可代表本公开的等效改动。

Claims (6)

1.一种基于传感器的轴力检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S100：随机在被测短索上等距布置至少5个加速度传感器和至少一个位移传感器；

S200：通过所述加速度传感器采集所述被测短索的加速度值，通过位移传感器采集位移值；

S300：对所述被测短索建立铁木辛柯梁振动方程；

S400：通过所述铁木辛柯梁振动方程得到振型公式；

S500：通过所述振型公式构建动力特征振型；

S600：根据所述动力特征振型得到轴力检测模型；

S700：根据所述轴力检测模型得到轴力值。

2.根据权利要求1所述的一种基于传感器的轴力检测方法，其特征在于，在步骤S300中，对所述被测短索建立铁木辛柯梁振动方程的方法为：

对被测短索建立铁木辛柯梁振动方程：

其中，A为被测短索材料的截面面积、ρ被测短索材料的密度和I为被测短索材料的几何惯性矩，η为变形系数(0≤η≤1)，k_y为剪切变形系数，当被测短索的截面为矩形时k_y取5/6，被测短索为圆形时k_y取9/10,E为被测短索材料的弹性模量和G为被测短索材料的剪切模量；N为考虑二阶效应的被测短索的短索轴力，受拉时为正，受压时为负；x为被测短索的位置坐标，t为时刻；w＝w(x,t)为t时刻被测短索位置坐标为x时的横向位移量。

3.根据权利要求2所述的一种基于传感器的轴力检测方法，其特征在于，在步骤S400中，将所述位移量输入所述铁木辛柯梁振动方程得到振型公式的方法为：

令位移量w(x,t)＝w(x)sin(ωt)，其中ω为位移频率，将其代入铁木辛柯梁振动方程可得：w″″(x)+b²w″(x)-a⁴w″(x)＝0；其中，

解微分方程可求出振型公式：w(x)＝Asin(px)+Bcos(px)+Csinh(qx)+Dcosh(qx)，

sinh是双曲正弦函数，cosh是双曲余弦函数；其中： A、B、C、D为四个边界条件。

4.根据权利要求3所述的一种基于传感器的轴力检测方法，其特征在于，在步骤S500中，通过所述振型公式构建动力特征振型的方法为：

通过被测短索的位移量得到四个独立的位移比为：

φ(x_i)为在x_i坐标位置的位移，i＝1…5；

由上可得到：φ(x_i)-λ_ijφ(x_j)＝0，i＝1…5,j＝1…5；

则所述振型公式构建的动力特征振型为：

将动力特征振型简化为：其中，A、B、C、D不能为零，所以只有矩阵[S]为0，即[S]的行列式为0。

5.根据权利要求4所述的一种基于传感器的轴力检测方法，其特征在于，在步骤S600中，根据所述动力特征振型得到轴力检测模型的方法为：

根据能量守恒原理得出轴力检测模型：

l为被测短索材料的长度；其中，梁振动形函数形式为：

w(x)＝Asin(px)+Bcos(px)+Csinh(qx)+Dcosh(qx)；由边界条件可求得两端固支的形函数和两端铰支的形函数A、B、C、D为梁振动形函数的4阶偏微分方程的未知量；以瑞丽-利兹法预设一个复合边界的形函数：由于轴力检测模型存在N、k₁、k₂三个未知数，在这里用实测的前三阶频率得到三个方程即可算出轴力值N的初始估计值，k₁、k₂是自定义的剪切变形系数。

6.一种基于传感器的轴力检测系统，其特征在于，所述系统包括：存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下系统的单元中：

位移量采集单元，用于通过所述加速度传感器采集所述被测短索的加速度值，通过位移传感器采集位移值；

振动方程构建单元，用于对所述被测短索建立铁木辛柯梁振动方程；

振型公式单元，用于通过所述铁木辛柯梁振动方程得到振型公式；

动力特征振型单元，用于通过所述振型公式构建动力特征振型；

轴力检测模型单元，用于根据所述动力特征振型得到轴力检测模型；

轴力值输出单元，用于根据所述轴力检测模型得到轴力值。