专利名称：一种索力实时监测方法
技术领域：
本发明涉及桥梁、建筑领域，具体涉及一种索力实时监测方法。
背景技术：
拉索作为索体系结构(如斜拉桥、大型场馆、过江管道等)的关键受力和传力构 件，直接影响索体系结构的内力分布和结构线型，反映着整个索体系结构的安全状况。因 此，在索体系结构运营过程中，需要长期在线监测拉索的索力，实时了解索体系结构的工作 状态，及时提供维护。在众多索力测量方法中，振频法因测量方便、适合在建和已建桥梁等 特点而得到广泛应用。由于振频法是通过对斜拉索的振动响应信号进行频谱分析得到拉索 的基频，也称自振频率，从而利用振频与索力的关系求得索力，因此振频法的关键是准确获 知拉索的自振频率。当拉索长为L、线密度为P、所受拉力为T，在索长L远大于索径d的条件下，斜拉 索可简化振弦等效模型。根据弦振动原理，弦所受的张力T与其基频的简化关系为τ = 4pL2f\2。从式中容易看出，索力T监测的关键是斜拉索基频的实时自动识别。由于拉索 不仅存在第一阶自振频率(即基频)，还存在如第二阶、三阶、四阶等高阶谐振频率f2、f3、 f4，因此也可以用式T = 4 P L2 (fN/N)2求解索力，即间接基频法，索力监测转化为对第η阶谐 振频率fN的实时自动识别。但是在索体系结构监测的条件下，缆索所受的荷载是随机的(如风、雨等外界激 励是随机，大桥桥面的交通荷载也是随机的)，因此拉索承受的是复杂的随机激励。在此复 杂的激励条件下，拉索的各阶频率信号会与外界的强迫振动信号交织在一起，且其强度会 随外界激励条件而变化，即它是一个非平稳频谱信号，其自振频率fN的谐振峰值时强时弱、 信噪比极低，有时甚至完全淹没在干扰与噪声中，产生频谱缺极现象。还可以看出，由于高阶谐振的存在，在拉索任何位置安装振动传感器所获得的信 号都是各阶振动的合成信号，且振动传感器安装在斜拉索索身的不同位置Xi、X2、X3时，其获 得的拉索各阶振动信号的强度均不同，在某些位置上甚至为零，产生缺极现象，如在X2位置 时，f4强度为零；在X3位置时，f2和f4强度为零，因此振动传感器在拉索上的安装位置也对 信号输出有一定影响。实际工程中，拉索往往长达数十米甚至上百米，而受条件限制，传感器只能安装在 斜拉索桥面端附近，一般为斜拉索几十分之一处。在此位置处，各阶的自振信号的振幅都很 小，其对应的频谱很弱，且越靠近锚固端振幅越小、信号越弱，因此极易淹没在环境干扰与 电路噪声中。如一根基频为IHz的斜拉索振动频谱实测结果，图1、图2分别表示同一拉索同一 位置相邻两时刻、、t2的拉索振动频谱。由图可知，基频很弱，完全被噪声淹没；各阶自 振频率fn信号与外界干扰噪声以及外界的被迫振动信号交织在一起，噪声较大，某些谐振 频率也被噪声淹没，产生缺极现象，且不同时刻缺极的频率不同，如tl时刻为f2、f3、f6、f8& 其以后各阶，而、时刻为f3、f8&其以后各阶。由于斜拉索振动信号强度随外界激励条件而变化，拉索各阶已存在的自振频率强度时强时弱，如、时刻f4、f5谐振峰较强，而t2时刻 f4、f5峰值均变弱，f7峰值增强。然而，频谱图中有些频率峰值较强，但并不是斜拉索谐波成 分，如虚线方框所标示，这些有可能是噪声或者被迫振动结构的频率。这些均增加了实时自 动识别的难度，但仔细观察频谱图可知，同一拉索同一位置的频谱存在固定的谐振频率峰 值，如f4、f5、f7三阶谐波。从以上分析可得，实际测量的拉索振动频谱极端复杂，且信号微弱，很难实时自动 识别拉索自振频率。在此条件下的自振频率自动识别的结果误差较大且不稳定，常常识别 不到有效的频率值。实际工程中，主要依靠人工对频谱进行自振频率的识别，一次的有效的 识别需要数分钟到几小时不等，效率极低，且存在人为误差。因此，需要针对以上问题，提出新的信号处理方法提高信噪比，强化谐振峰，实现 自振频率的高效实时自动识别。以有效解决频谱信号微弱、复杂、非平稳，且外界干扰与噪 声影响强烈的问题。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种索力实时监测方法，通过设置 在拉索上的传感器获取拉索由环境激励产生的振动信号，对振动信号进行采样、处理，求得 索力值；其中，对振动信号进行处理的方法为对采集到的振动信号顺次进行频谱变换和 归一化处理，对归一化处理后的单组数据做多次数组乘积或者对多组连续数据做一次数组 乘积，将数组乘积处理后的数据输出到索力计算环节，得出索力。所述归一化处理，具体步骤是，设长度为K的频谱X(fk)的幅值为一个一维数组(々’…Ak”…Ail,々，..·Λ ，…Akl_M )将此数组中的每个值都同除以此数组中的最大值，即得到归一化处理后的数组( ,...气”…\,Bkr…Βη ,…\_Μ )；蛘与K分别表示第i个信号频数和第j个噪声频数，蛘ey<=(o,i,_",i:-i)， kn^f ,1 = 1,2,…，M，j = 1,2,…，K-M，i与j之和为总频数即长度K，M为拉索振动谐 振频率的总个数，为采样得到的振动信号频谱幅值，为采样得到的噪声频谱幅值-’ 为归一化处理后的振动信号频谱幅值，晃;为归一化处理后的噪声频谱幅值。所述单组数据做多次数组乘积，具体步骤是设长度为K的频谱信号经归一化处 理后所得的某一数组为(Bki,… ，··· \ ,Bkr'" Βη ,…U’对此数组进行1次数组乘积，即对数组中的每个元素进行1次自乘后构成新的数 组，所得新数组为，其中，1= 1，2，3...;蛘与κ分别表示第i个信号频数和第j个噪声频数，K’erc(o,i,·· ,夂-1)， k^eY ,1 = 1,2,…，M，j = 1，2，…，K_M，i与j之和为总频数即长度K，M为拉索振动谐
振频率的总个数，为归一化处理后的振动信号频谱幅值，为归一化处理后的噪声频谱
5幅值。所述多组连续数据做一次数组乘积，具体步骤是设长度为K的频谱信号经归一 化处理后所得的P个连续数组表示为(Bpk; ’…BpkfBpkl,,ΒρΚ,.··ΒρΙ ,…BpklJ(B(p_l)k;,...Bip x^，…Bip^kli,B(p_X)k ，…Β(ρ_χ)η,...Β^^ )(B(p-2)k(，…B(p-2)kf ’…B(p-2)kt,，B(p-2)K，…Β(ρ-2)η，…B(P-1)K.U )......(Blks ,---Blkr--- Bxklt, Bu ,■■■ B{k ,■■■ B^ ^ )从前述ρ个数组中，任取m个相邻数组，将m个数组中的相应元素分别相乘，构成 新的数组
mmmmmm
_y=ly=]y=\y=ly=\y=\式中“Π”为连乘号，y = 1，2，-m,m= 1,2,3-； pk丨与pk〗分别表示第ρ组数组的第i个信号频数和第ρ组数组的第j个噪声频数， A:； e 7c (0,1,···,X-1) ,k] ^Y ,i = 1,2,…，M，j = 1,2,…，K_M，i 与 j 之和为总频数即 长度K，M为拉索振动谐振频率的总个数，为归一化处理后的振动信号频谱幅值，为 归一化处理后的噪声频谱幅值，P = 1，2，3…。前述1和m均取3以上。按前述的处理方法对振动信号进行处理后，即可使信号的信噪比大幅提高，将处 理后得到的信号提供给后续的索力计算环节，按常规的人工识别基频方式对基频进行识 别，然后代入索力求解公式，即可求得索力；但是，人工识别基频的速度十分缓慢，往往需要 1个小时或更多时间才能得到一组有价值的数据，而且导致整个监测过程中存在大量的人 为干扰，为此，发明人还针对人工识别基频存在缺陷的问题进行了研究，并提出了如下的自 动识别基频的方法对数组乘积处理后得到的新频谱，进行基频自动识别，将自动识别出的倍频值fN 和其所对应的阶数值N代入索力计算公式，求得索力T ；所述的基频自动识别包括1)去噪设定识别参考幅值a，将数组乘积处理后得到的新频谱的幅值与a进行比 较，小于a的新频谱幅值置0，大于a的新频谱幅值不作处理，得到新序列(C(O)，C(l)，...，C(k)，···，C(K-2)，C(K-I))2)峰值识别^ke [2，K-2]时，从新序列中取满足条件[C (k-1) -C (k-2) ] [C (k) -C (k-1) ] > 0 和[C (k+1)-C (k) ] [C (k)-C (k_l) ] < 0 的 C(k)，3)满足步骤2)中条件的C(k)，查找C(k)对应的频率值fk ；设定测量精度δ ^，判 断条件< ^0-N= 1)是否成立，若不成立，则取N = Ν+1，继续判断条件是否成立，直至N的值满足条件.-/ο < ^0，则满足条件的fk即为所求的倍频值fN，N为其 对应的阶数；4)将具备对应关系的倍频值fN和阶数N代入索力求解公式，求得索力T ；其中，为斜拉索安装时的理论基频值；δ。e δ，^/；。从前述的基频自动识别步骤可以看出，本发明的基频自动识别方法用条件判断的 方式代替了人工肉眼分辨，条件判断可由相关计算机软件完成，可实现实时自动识别基频， 避免了人为干扰。本发明与现有技术相比，有益效果在于该方法能够大幅提高信号处理的信噪比， 大幅降低信号处理时间，高效、准确的实时识别出拉索的自振频率并得出索力值；结合本发 明进一步提出的基频自动识别方法，可使索力求解时的精度、速度都得到大幅提高。
图1是现有技术拉索振弦等效模型图；图2是现有技术拉索振型图；图3是本发明同一拉索同一位置不同时刻的实测振动频谱对比图；图4是本发明振频法监测示意图；图5是本发明原始频谱图；图6是本发明单组频谱数组乘积结果图；图7是本发明多组频谱数组乘积的结果与多组频谱累加平均结果的对比图；图8是本发明频谱识别及索力换算程序流程图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。见图1至图8所示，一种索力实时监测方法，通过设置在拉索上的传感器获取拉索 由环境激励产生的振动信号，对振动信号进行采样、处理，求得索力值，对振动信号进行处 理的方法为对采集到的振动信号顺次进行频谱变换和归一化处理，对归一化处理后的单 组数据做多次数组乘积或者对多组数据做一次数组乘积，将数组乘积处理后的数据输出到 索力自动处理计算环节，得出索力。拉索的振动频谱随外界激励而变动，但通过对缆索实际频谱的大量统计分析可发 现，一般而言在缆索频谱中总会存在某几阶强于噪声频谱的信号频谱，因此经多组相邻频 谱的数组乘积，缆索自振频谱中的那几阶频谱就可通过模式竞争方式，极快地达到预期的 频谱增强效果。这种频谱数组乘积的增强效果，具体的理论分析如下由信号分析方法可知，经谱估计得到的斜拉索振动信号频谱X(fk)是真实频谱 XJfk)与矩形窗函数wK,K(n)的频谱WK,K(fk)的卷积，r表示真实信号real，R表示矩形窗函 数Rectangle，K表示数据长度，即X(fk) = Xr(fk)*ffEK(fk) (1)式中，Xr (fk)是M个各阶谐振频率信号4/饵人—Λ,)与K-M个噪声信号的
7叠加，M为拉索振动谐振频率的总个数，K与<分别表示第i个信号频数和第j个噪声频数， k； e7e (0,1,---,X-I) ,k] e 7，i与j之和为总频数K，Y与歹各表示一个集合，并互为补集， 蛘所对应的谐振频率= 1,2,…，M，<5^/t/所对应的真实振动信号频谱幅值， K所对应的噪声频率力；^kW，j = 1,2,…，1(^，<;为/47所对应的真实噪声频谱幅值，即
K-M XXfk) =-Λ；)]+ Σ 严人fk,) Delta 函数— fk,)=
fk= fl
(2)
K
0,窗函数频谱为
^ (Λ) = ^K, W]=
k-
Λ
火(-/24 Μ.Sin
S
1 ^A
(3)窗函数原型是
^nAn) =
1, O’
0<η<Κ-\
其他
(4) 将式⑵与式(3)代入式(1)中得
IVl X{fk) ^Ak
Sin2[營(人_ 4)]
Sin2[去(/4 _々)]
K-M ./=1
(5)
由式(5)可知，采样后实际获得的频谱X(fk)是M个对称轴在各阶谐振频率/4;上 幅值为的sine信号与频率为Λ;幅值为的采样后外界噪声信号#(人;)的叠加。将长度 为K的频谱X(fk)的幅值看成为一个一维数组
,
■A,
.、；‘丄‘Ak；，.“η,‘、“Κ_Μ式中，<与<分别表示第i个信号频数和第j个噪声频数，蛘ε:Τ〔(0,1,···,^:-1)， "eF，i与j之和为总频数即长度Κ，Υ与f各表示一个集合，并互为补集，i = 1,2,…，M， j = 1,2,…，K-M，M为拉索振动谐振频率的总个数，^^为采样后振动信号频谱幅值，4;为 人;采样后噪声频谱幅值。本发明方法可针对不同的数据形式要求进行分别处理，或者对单组数据进行处理 (即单组数据做多次数组乘积)，或者对多组数据进行处理(即多组连续数据做一次数组乘 积)，对单组数据进行处理时设长度为K的频谱信号经归一化处理后所得的某一数组 为(Bk；,…Bk”··· \ ’％’··. Bk],... \_M )，
■A,
■A,
(6)
8
对此数组进行1次数组乘积，即对数组中的每个元素进行1次自乘后构成新的数 组，所得新数组为
权利要求
一种索力实时监测方法，通过设置在拉索上的传感器获取拉索由环境激励产生的振动信号，对振动信号进行采样、处理，求得索力值，其特征在于对振动信号进行处理的方法为对采集到的振动信号顺次进行频谱变换和归一化处理，对归一化处理后的单组数据做多次数组乘积或者对多组连续数据做一次数组乘积，将数组乘积处理后的数据输出到索力计算环节，得出索力。
1.一种索力实时监测方法，通过设置在拉索上的传感器获取拉索由环境激励产生的振 动信号，对振动信号进行采样、处理，求得索力值，其特征在于对振动信号进行处理的方法 为对采集到的振动信号顺次进行频谱变换和归一化处理，对归一化处理后的单组数据做 多次数组乘积或者对多组连续数据做一次数组乘积，将数组乘积处理后的数据输出到索力 计算环节，得出索力。
2.如权利要求1所述的一种索力实时监测方法，其特征在于所述的索力计算环节包 括对数组乘积处理后得到的新频谱，进行基频自动识别，将自动识别出的倍频值fN和其所 对应的阶数值N代入索力计算公式，求得索力T ；
3.如权利要求1所述的一种索力实时监测方法，其特征在于所述归一化处理，具体步 骤是，设长度为K的频谱X(fk)的幅值为一个一维数组
4.如权利要求1所述的一种索力实时监测方法，其特征在于所述单组数据做多次数 组乘积，具体步骤是设长度为K的频谱信号经归一化处理后所得的某一数组为
5.如权利要求1所述的一种索力实时监测方法，其特征在于所述多组连续数据做一 次数组乘积，具体步骤是设长度为K的频谱信号经归一化处理后所得的ρ个连续数组表示 为
6.如权利要求4或5所述的一种索力实时监测方法，其特征在于1和m均取3以上。
全文摘要
本发明公开一种索力实时监测方法，通过设置在拉索上的传感器获取拉索由环境激励产生的振动信号，对振动信号进行采样、处理，求得索力值；其中，对振动信号进行处理的方法为对采集到的振动信号顺次进行频谱变换和归一化处理，对归一化处理后的单组数据做多次数组乘积或者对多组连续数据做一次数组乘积，将数组乘积处理后的数据输出到索力计算环节，得出索力。有益效果在于该方法能够大幅提高信号处理的信噪比，大幅降低信号处理时间，高效、准确的实时识别出拉索的自振频率并得出索力值；结合本发明进一步提出的基频自动识别方法，可使索力求解时的精度、速度都得到大幅提高。
文档编号G01L5/04GK101963536SQ20101025325
公开日2011年2月2日 申请日期2010年8月13日 优先权日2010年8月13日
发明者刘琳, 章鹏, 陈伟民, 雷小华 申请人:重庆大学