專利名稱：一種拉索振動基頻的計算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種橋梁工程施工及監(jiān)測領(lǐng)域中的索力檢測方法，特別是一種斜拉橋的拉索 振動基頻的計算方法。
背景技術(shù)：
目前，在斜拉索的索力測量方法中，振動頻率法是使用較多的一種方法。所謂的振動頻 率法是利用斜拉索隨環(huán)境變化時發(fā)生隨機(jī)振動的特征，來測得斜拉索的振動頻率，進(jìn)而計算 出斜拉索的索力。該方法將高精度拾振器采集的振動信號進(jìn)行頻譜分析，由功率譜圖上的峰 值判斷斜拉索的各階頻率，然后再根據(jù)頻率與索力之間的關(guān)系求出索力，其計算公式為 ^^^^，式中，T為索力；m為斜拉索的單位長度質(zhì)量；l為斜拉索的計算長度；f()為一 階自振頻率，即斜拉索的基頻。該方法的關(guān)鍵是求得斜拉索振動的基頻。通常，由環(huán)境振動 測試得到的功率譜不是十分理想，尤其當(dāng)有車輛通過時，采集到的拉索振動加速度信號中會 含干擾信號，真實峰值不容易識別或識別出的基頻不準(zhǔn)確，導(dǎo)致索力檢測精度不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種健壯的、能有效提高基頻識別精度的拉索振動 基頻的計算方法，從而克服現(xiàn)有技術(shù)中基頻識別精度不高、健壯性不強(qiáng)的問題。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案 一種拉索振動基頻的計算方法。該方法是將 采集的拉索的振動加速度數(shù)據(jù)分別經(jīng)過零均值化和加窗處理后計算出振動加速度的功率譜； 再以該振動加速度的功率譜為基礎(chǔ)，采用自相關(guān)計算提取振動加速度的功率譜上的近似周期 性的譜峰，并對自相關(guān)計算結(jié)果采用零基線化處理，然后計算基頻，并進(jìn)行多次迭代，直至 多次基頻計算結(jié)果的誤差小于O. 01Hz，該最后的基頻值即為拉索的基頻。
上述的拉索振動基頻的計算方法，具體講包括以下步驟a)采集拉索的振動加速度數(shù) 據(jù)；b)零均值化拉索的振動加速度數(shù)據(jù)；C)對零均值化后的數(shù)據(jù)加窗處理；d)計算加窗 后振動加速度數(shù)據(jù)的功率譜；e)對功率譜進(jìn)行自相關(guān)運算；f)零基線化數(shù)據(jù)自相關(guān)后的結(jié) 果；g)計算基頻。
前述的拉索振動基頻的計算方法中，步驟b)中所述的零均值化是將采集到的每個振動 加速度數(shù)據(jù)值減去所有振動加速度數(shù)據(jù)值的平均值。
前述的拉索振動基頻的計算方法中，步驟c)中所述的數(shù)據(jù)加窗處理是將數(shù)據(jù)加Hanning窗，以減小頻譜泄漏。
前述的拉索振動基頻的計算方法中，步驟d)中是利用FFT算法計算振動加速度數(shù)據(jù)的功 率譜。
本發(fā)明的有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在拉索振動加速度功率譜的基礎(chǔ)上，經(jīng)過 自相關(guān)計算、零基線化處理和多次迭代過程，可準(zhǔn)確地計算出斜拉索的振動基頻，滿足了測 量索力所需的精度要求，有效提高了基頻識別精度。并且可以在通常情況及拉索振動信號中 含有環(huán)境振動干擾信號的情況下也能準(zhǔn)確地計算出拉索的振動基頻，具有很好的健壯性和準(zhǔn) 確性。本發(fā)明在計算振動基頻方面的準(zhǔn)確性及健壯性可提高張力測量的自動水平，具有良好 的轉(zhuǎn)化及應(yīng)用前景。本發(fā)明可應(yīng)用在由測量振動信號來計算張力的領(lǐng)域，在橋梁工程施工及 監(jiān)測領(lǐng)域中的索力檢測以及相關(guān)的桿、索、繩的張力測量及其它工業(yè)過程的張力檢測中具有 廣泛的應(yīng)用。


圖l是本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理流程圖； 圖2是本發(fā)明的零基線化示意圖3是本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理流程最后所得的曲線及基頻計算表。 下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
具體實施例方式
實施例l。如圖1所示，將采集的拉索的振動加速度數(shù)據(jù)分別經(jīng)過零均值化和加窗處理后 計算出振動加速度的功率譜；再以該振動加速度的功率譜為基礎(chǔ)，采用自相關(guān)計算提取振動 加速度的功率譜上的近似周期性的譜峰，并對自相關(guān)計算結(jié)果采用零基線化處理，然后計算 基頻，并進(jìn)行多次迭代，直至多次基頻計算結(jié)果的誤差小于0.01Hz，該最后的基頻值即為拉 索的基頻。
具體計算過程包括以下步驟
a) 采集拉索的振動加速度數(shù)據(jù)；可利用高靈敏度加速度傳感器測量拉索在環(huán)境激勵下 的加速度。每次采樣數(shù)據(jù)點為2的冪，如每次采集2048個點進(jìn)行計算。
b) 零均值化拉索的振動加速度數(shù)據(jù)；將步驟a)采集到的每個點減去所有點的平均值。
c) 對零均值化后的數(shù)據(jù)加窗處理；將數(shù)據(jù)加Ha皿ing窗，以減小頻譜泄漏。其中 Hanning (漢寧)窗又稱升余弦窗，Hanning窗可以看作是3個矩形時間窗的頻譜之和，或者 說是3個sine (t)型函數(shù)之和，而括號中的兩項相對于第一個譜窗向左、右各移動了i:/T ，從而使旁瓣互相抵消，消去高頻干擾和漏能。d) 計算加窗后振動加速度數(shù)據(jù)的功率譜；利用FFT算法計算振動加速度的功率譜，將該 數(shù)據(jù)當(dāng)作進(jìn)行下一步處理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其中FFT算法又叫快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)，是一種常規(guī)的算法，在數(shù)字信號處理、計算大整數(shù)乘法、求解偏微分方 程等方面有廣泛的應(yīng)用。
e) 對功率譜進(jìn)行自相關(guān)運算；
f) 零基線化數(shù)據(jù)自相關(guān)后的結(jié)果；如圖2所示，基線定義為信號的極小值的包絡(luò)線，求 包絡(luò)線過程中可進(jìn)行插值。零基線化就是將信號中的基線成分去除，使信號的基線為0，從 而便于處理。
g) 計算基頻。如圖3所示，在零基線化后的曲線上找出的大于一定幅值門限的峰，計算 各個相鄰峰對應(yīng)頻率差，頻率差的平均值即為拉索振動的基頻。將步驟e中的結(jié)果當(dāng)作基礎(chǔ) 數(shù)據(jù)，再次進(jìn)行步驟f、 g，直到多次基頻計算結(jié)果差小于0.01Hz，最后的基頻作為拉索的基 頻值，代入拉索索力計算公式即可計算出索力。
本發(fā)明的實施方式不限于上述實施例，在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出的各種變化均 屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種拉索振動基頻的計算方法，其特征在于，它將采集的拉索的振動加速度數(shù)據(jù)分別經(jīng)過零均值化和加窗處理后計算出振動加速度的功率譜；再以該振動加速度的功率譜為基礎(chǔ)，采用自相關(guān)計算提取振動加速度的功率譜上的近似周期性的譜峰，并對自相關(guān)計算結(jié)果采用零基線化處理，然后計算基頻，并進(jìn)行多次迭代，直至多次基頻計算結(jié)果的誤差小于0.01Hz，該最后的基頻值即為拉索的基頻。
2 根據(jù)權(quán)利要求l所述的拉索振動基頻的計算方法，其特征在于，包 括以下步驟a)采集拉索的振動加速度數(shù)據(jù)；b)零均值化拉索的振動加速度數(shù)據(jù)；C)對 零均值化后的數(shù)據(jù)加窗處理；d)計算加窗后振動加速度數(shù)據(jù)的功率譜；e)對功率譜進(jìn)行自 相關(guān)運算；f)零基線化數(shù)據(jù)自相關(guān)后的結(jié)果；g)計算基頻。
3 根據(jù)權(quán)利要求2所述的拉索振動基頻的計算方法，其特征在于，步 驟b)中所述的零均值化是將采集到的每個振動加速度數(shù)據(jù)值減去所有振動加速度數(shù)據(jù)值的 平均值。
4 根據(jù)權(quán)利要求2所述的拉索振動基頻的計算方法，其特征在于，步 驟c)中所述的數(shù)據(jù)加窗處理是將數(shù)據(jù)加Hanning窗，以減小頻譜泄漏。
5 根據(jù)權(quán)利要求2所述的拉索振動基頻的計算方法，其特征在于，步 驟d)中是利用FFT算法計算振動加速度數(shù)據(jù)的功率譜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種拉索振動基頻的計算方法，它將采集的拉索的振動加速度數(shù)據(jù)分別經(jīng)過零均值化和加窗處理后計算出振動加速度的功率譜；再以該振動加速度的功率譜為基礎(chǔ)，采用自相關(guān)計算提取振動加速度的功率譜上的近似周期性的譜峰，并對自相關(guān)計算結(jié)果采用零基線化處理，然后計算基頻，并進(jìn)行多次迭代，直至多次基頻計算結(jié)果的誤差小于0.01Hz，該最后的基頻值即為拉索的基頻。本發(fā)明可準(zhǔn)確地計算出斜拉索的振動基頻，滿足了測量索力所需的精度要求，有效提高了基頻識別精度，并且可以在拉索振動信號中含有環(huán)境振動干擾信號的情況下也能準(zhǔn)確地計算出拉索的振動基頻，具有很好的健壯性和準(zhǔn)確性。
文檔編號G01L5/10GK101586997SQ200910303728
公開日2009年11月25日 申請日期2009年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者于徐紅, 劉志杰, 謝曉堯, 彥 陳 申請人:貴州師范大學(xué)