一种拉索振动基频的计算方法
专利名称：一种拉索振动基频的计算方法
技术领域：
本发明涉及一种桥梁工程施工及监测领域中的索力检测方法，特别是一种斜拉桥的拉索 振动基频的计算方法。
背景技术：
目前，在斜拉索的索力测量方法中，振动频率法是使用较多的一种方法。所谓的振动频 率法是利用斜拉索随环境变化时发生随机振动的特征，来测得斜拉索的振动频率，进而计算 出斜拉索的索力。该方法将高精度拾振器采集的振动信号进行频谱分析，由功率谱图上的峰 值判断斜拉索的各阶频率，然后再根据频率与索力之间的关系求出索力，其计算公式为 ^^^^，式中，T为索力；m为斜拉索的单位长度质量；l为斜拉索的计算长度；f()为一 阶自振频率，即斜拉索的基频。该方法的关键是求得斜拉索振动的基频。通常，由环境振动 测试得到的功率谱不是十分理想，尤其当有车辆通过时，采集到的拉索振动加速度信号中会 含干扰信号，真实峰值不容易识别或识别出的基频不准确，导致索力检测精度不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种健壮的、能有效提高基频识别精度的拉索振动 基频的计算方法，从而克服现有技术中基频识别精度不高、健壮性不强的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案 一种拉索振动基频的计算方法。该方法是将 采集的拉索的振动加速度数据分别经过零均值化和加窗处理后计算出振动加速度的功率谱； 再以该振动加速度的功率谱为基础，采用自相关计算提取振动加速度的功率谱上的近似周期 性的谱峰，并对自相关计算结果采用零基线化处理，然后计算基频，并进行多次迭代，直至 多次基频计算结果的误差小于O. 01Hz，该最后的基频值即为拉索的基频。
上述的拉索振动基频的计算方法，具体讲包括以下步骤a)采集拉索的振动加速度数 据；b)零均值化拉索的振动加速度数据；C)对零均值化后的数据加窗处理；d)计算加窗 后振动加速度数据的功率谱；e)对功率谱进行自相关运算；f)零基线化数据自相关后的结 果；g)计算基频。
前述的拉索振动基频的计算方法中，步骤b)中所述的零均值化是将采集到的每个振动 加速度数据值减去所有振动加速度数据值的平均值。
前述的拉索振动基频的计算方法中，步骤c)中所述的数据加窗处理是将数据加Hanning窗，以减小频谱泄漏。
前述的拉索振动基频的计算方法中，步骤d)中是利用FFT算法计算振动加速度数据的功 率谱。
本发明的有益效果与现有技术相比，本发明在拉索振动加速度功率谱的基础上，经过 自相关计算、零基线化处理和多次迭代过程，可准确地计算出斜拉索的振动基频，满足了测 量索力所需的精度要求，有效提高了基频识别精度。并且可以在通常情况及拉索振动信号中 含有环境振动干扰信号的情况下也能准确地计算出拉索的振动基频，具有很好的健壮性和准 确性。本发明在计算振动基频方面的准确性及健壮性可提高张力测量的自动水平，具有良好 的转化及应用前景。本发明可应用在由测量振动信号来计算张力的领域，在桥梁工程施工及 监测领域中的索力检测以及相关的杆、索、绳的张力测量及其它工业过程的张力检测中具有 广泛的应用。
图l是本发明的数据处理流程图； 图2是本发明的零基线化示意图3是本发明的数据处理流程最后所得的曲线及基频计算表。 下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的说明。
具体实施例方式
实施例l。如图1所示，将采集的拉索的振动加速度数据分别经过零均值化和加窗处理后 计算出振动加速度的功率谱；再以该振动加速度的功率谱为基础，采用自相关计算提取振动 加速度的功率谱上的近似周期性的谱峰，并对自相关计算结果采用零基线化处理，然后计算 基频，并进行多次迭代，直至多次基频计算结果的误差小于0.01Hz，该最后的基频值即为拉 索的基频。
具体计算过程包括以下步骤
a) 采集拉索的振动加速度数据；可利用高灵敏度加速度传感器测量拉索在环境激励下 的加速度。每次采样数据点为2的幂，如每次采集2048个点进行计算。
b) 零均值化拉索的振动加速度数据；将步骤a)采集到的每个点减去所有点的平均值。
c) 对零均值化后的数据加窗处理；将数据加Ha皿ing窗，以减小频谱泄漏。其中 Hanning (汉宁)窗又称升余弦窗，Hanning窗可以看作是3个矩形时间窗的频谱之和，或者 说是3个sine (t)型函数之和，而括号中的两项相对于第一个谱窗向左、右各移动了i:/T ，从而使旁瓣互相抵消，消去高频干扰和漏能。d) 计算加窗后振动加速度数据的功率谱；利用FFT算法计算振动加速度的功率谱，将该 数据当作进行下一步处理的基础数据。其中FFT算法又叫快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)，是一种常规的算法，在数字信号处理、计算大整数乘法、求解偏微分方 程等方面有广泛的应用。
e) 对功率谱进行自相关运算；
f) 零基线化数据自相关后的结果；如图2所示，基线定义为信号的极小值的包络线，求 包络线过程中可进行插值。零基线化就是将信号中的基线成分去除，使信号的基线为0，从 而便于处理。
g) 计算基频。如图3所示，在零基线化后的曲线上找出的大于一定幅值门限的峰，计算 各个相邻峰对应频率差，频率差的平均值即为拉索振动的基频。将步骤e中的结果当作基础 数据，再次进行步骤f、 g，直到多次基频计算结果差小于0.01Hz，最后的基频作为拉索的基 频值，代入拉索索力计算公式即可计算出索力。
本发明的实施方式不限于上述实施例，在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均 属于本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种拉索振动基频的计算方法，其特征在于，它将采集的拉索的振动加速度数据分别经过零均值化和加窗处理后计算出振动加速度的功率谱；再以该振动加速度的功率谱为基础，采用自相关计算提取振动加速度的功率谱上的近似周期性的谱峰，并对自相关计算结果采用零基线化处理，然后计算基频，并进行多次迭代，直至多次基频计算结果的误差小于0.01Hz，该最后的基频值即为拉索的基频。
2 根据权利要求l所述的拉索振动基频的计算方法，其特征在于，包 括以下步骤a)采集拉索的振动加速度数据；b)零均值化拉索的振动加速度数据；C)对 零均值化后的数据加窗处理；d)计算加窗后振动加速度数据的功率谱；e)对功率谱进行自 相关运算；f)零基线化数据自相关后的结果；g)计算基频。
3 根据权利要求2所述的拉索振动基频的计算方法，其特征在于，步 骤b)中所述的零均值化是将采集到的每个振动加速度数据值减去所有振动加速度数据值的 平均值。
4 根据权利要求2所述的拉索振动基频的计算方法，其特征在于，步 骤c)中所述的数据加窗处理是将数据加Hanning窗，以减小频谱泄漏。
5 根据权利要求2所述的拉索振动基频的计算方法，其特征在于，步 骤d)中是利用FFT算法计算振动加速度数据的功率谱。
全文摘要
本发明公开了一种拉索振动基频的计算方法，它将采集的拉索的振动加速度数据分别经过零均值化和加窗处理后计算出振动加速度的功率谱；再以该振动加速度的功率谱为基础，采用自相关计算提取振动加速度的功率谱上的近似周期性的谱峰，并对自相关计算结果采用零基线化处理，然后计算基频，并进行多次迭代，直至多次基频计算结果的误差小于0.01Hz，该最后的基频值即为拉索的基频。本发明可准确地计算出斜拉索的振动基频，满足了测量索力所需的精度要求，有效提高了基频识别精度，并且可以在拉索振动信号中含有环境振动干扰信号的情况下也能准确地计算出拉索的振动基频，具有很好的健壮性和准确性。
文档编号G01L5/10GK101586997SQ200910303728
公开日2009年11月25日 申请日期2009年6月26日 优先权日2009年6月26日
发明者于徐红, 刘志杰, 谢晓尧, 彦 陈 申请人:贵州师范大学
技术领域：
本发明涉及一种桥梁工程施工及监测领域中的索力检测方法，特别是一种斜拉桥的拉索 振动基频的计算方法。
背景技术：
目前，在斜拉索的索力测量方法中，振动频率法是使用较多的一种方法。所谓的振动频 率法是利用斜拉索随环境变化时发生随机振动的特征，来测得斜拉索的振动频率，进而计算 出斜拉索的索力。该方法将高精度拾振器采集的振动信号进行频谱分析，由功率谱图上的峰 值判断斜拉索的各阶频率，然后再根据频率与索力之间的关系求出索力，其计算公式为 ^^^^，式中，T为索力；m为斜拉索的单位长度质量；l为斜拉索的计算长度；f()为一 阶自振频率，即斜拉索的基频。该方法的关键是求得斜拉索振动的基频。通常，由环境振动 测试得到的功率谱不是十分理想，尤其当有车辆通过时，采集到的拉索振动加速度信号中会 含干扰信号，真实峰值不容易识别或识别出的基频不准确，导致索力检测精度不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种健壮的、能有效提高基频识别精度的拉索振动 基频的计算方法，从而克服现有技术中基频识别精度不高、健壮性不强的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案 一种拉索振动基频的计算方法。该方法是将 采集的拉索的振动加速度数据分别经过零均值化和加窗处理后计算出振动加速度的功率谱； 再以该振动加速度的功率谱为基础，采用自相关计算提取振动加速度的功率谱上的近似周期 性的谱峰，并对自相关计算结果采用零基线化处理，然后计算基频，并进行多次迭代，直至 多次基频计算结果的误差小于O. 01Hz，该最后的基频值即为拉索的基频。
上述的拉索振动基频的计算方法，具体讲包括以下步骤a)采集拉索的振动加速度数 据；b)零均值化拉索的振动加速度数据；C)对零均值化后的数据加窗处理；d)计算加窗 后振动加速度数据的功率谱；e)对功率谱进行自相关运算；f)零基线化数据自相关后的结 果；g)计算基频。
前述的拉索振动基频的计算方法中，步骤b)中所述的零均值化是将采集到的每个振动 加速度数据值减去所有振动加速度数据值的平均值。
前述的拉索振动基频的计算方法中，步骤c)中所述的数据加窗处理是将数据加Hanning窗，以减小频谱泄漏。
前述的拉索振动基频的计算方法中，步骤d)中是利用FFT算法计算振动加速度数据的功 率谱。
本发明的有益效果与现有技术相比，本发明在拉索振动加速度功率谱的基础上，经过 自相关计算、零基线化处理和多次迭代过程，可准确地计算出斜拉索的振动基频，满足了测 量索力所需的精度要求，有效提高了基频识别精度。并且可以在通常情况及拉索振动信号中 含有环境振动干扰信号的情况下也能准确地计算出拉索的振动基频，具有很好的健壮性和准 确性。本发明在计算振动基频方面的准确性及健壮性可提高张力测量的自动水平，具有良好 的转化及应用前景。本发明可应用在由测量振动信号来计算张力的领域，在桥梁工程施工及 监测领域中的索力检测以及相关的杆、索、绳的张力测量及其它工业过程的张力检测中具有 广泛的应用。
图l是本发明的数据处理流程图； 图2是本发明的零基线化示意图3是本发明的数据处理流程最后所得的曲线及基频计算表。 下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的说明。
具体实施例方式
实施例l。如图1所示，将采集的拉索的振动加速度数据分别经过零均值化和加窗处理后 计算出振动加速度的功率谱；再以该振动加速度的功率谱为基础，采用自相关计算提取振动 加速度的功率谱上的近似周期性的谱峰，并对自相关计算结果采用零基线化处理，然后计算 基频，并进行多次迭代，直至多次基频计算结果的误差小于0.01Hz，该最后的基频值即为拉 索的基频。
具体计算过程包括以下步骤
a) 采集拉索的振动加速度数据；可利用高灵敏度加速度传感器测量拉索在环境激励下 的加速度。每次采样数据点为2的幂，如每次采集2048个点进行计算。
b) 零均值化拉索的振动加速度数据；将步骤a)采集到的每个点减去所有点的平均值。
c) 对零均值化后的数据加窗处理；将数据加Ha皿ing窗，以减小频谱泄漏。其中 Hanning (汉宁)窗又称升余弦窗，Hanning窗可以看作是3个矩形时间窗的频谱之和，或者 说是3个sine (t)型函数之和，而括号中的两项相对于第一个谱窗向左、右各移动了i:/T ，从而使旁瓣互相抵消，消去高频干扰和漏能。d) 计算加窗后振动加速度数据的功率谱；利用FFT算法计算振动加速度的功率谱，将该 数据当作进行下一步处理的基础数据。其中FFT算法又叫快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)，是一种常规的算法，在数字信号处理、计算大整数乘法、求解偏微分方 程等方面有广泛的应用。
e) 对功率谱进行自相关运算；
f) 零基线化数据自相关后的结果；如图2所示，基线定义为信号的极小值的包络线，求 包络线过程中可进行插值。零基线化就是将信号中的基线成分去除，使信号的基线为0，从 而便于处理。
g) 计算基频。如图3所示，在零基线化后的曲线上找出的大于一定幅值门限的峰，计算 各个相邻峰对应频率差，频率差的平均值即为拉索振动的基频。将步骤e中的结果当作基础 数据，再次进行步骤f、 g，直到多次基频计算结果差小于0.01Hz，最后的基频作为拉索的基 频值，代入拉索索力计算公式即可计算出索力。
本发明的实施方式不限于上述实施例，在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均 属于本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种拉索振动基频的计算方法，其特征在于，它将采集的拉索的振动加速度数据分别经过零均值化和加窗处理后计算出振动加速度的功率谱；再以该振动加速度的功率谱为基础，采用自相关计算提取振动加速度的功率谱上的近似周期性的谱峰，并对自相关计算结果采用零基线化处理，然后计算基频，并进行多次迭代，直至多次基频计算结果的误差小于0.01Hz，该最后的基频值即为拉索的基频。
2 根据权利要求l所述的拉索振动基频的计算方法，其特征在于，包 括以下步骤a)采集拉索的振动加速度数据；b)零均值化拉索的振动加速度数据；C)对 零均值化后的数据加窗处理；d)计算加窗后振动加速度数据的功率谱；e)对功率谱进行自 相关运算；f)零基线化数据自相关后的结果；g)计算基频。
3 根据权利要求2所述的拉索振动基频的计算方法，其特征在于，步 骤b)中所述的零均值化是将采集到的每个振动加速度数据值减去所有振动加速度数据值的 平均值。
4 根据权利要求2所述的拉索振动基频的计算方法，其特征在于，步 骤c)中所述的数据加窗处理是将数据加Hanning窗，以减小频谱泄漏。
5 根据权利要求2所述的拉索振动基频的计算方法，其特征在于，步 骤d)中是利用FFT算法计算振动加速度数据的功率谱。
全文摘要
本发明公开了一种拉索振动基频的计算方法，它将采集的拉索的振动加速度数据分别经过零均值化和加窗处理后计算出振动加速度的功率谱；再以该振动加速度的功率谱为基础，采用自相关计算提取振动加速度的功率谱上的近似周期性的谱峰，并对自相关计算结果采用零基线化处理，然后计算基频，并进行多次迭代，直至多次基频计算结果的误差小于0.01Hz，该最后的基频值即为拉索的基频。本发明可准确地计算出斜拉索的振动基频，满足了测量索力所需的精度要求，有效提高了基频识别精度，并且可以在拉索振动信号中含有环境振动干扰信号的情况下也能准确地计算出拉索的振动基频，具有很好的健壮性和准确性。
文档编号G01L5/10GK101586997SQ200910303728
公开日2009年11月25日 申请日期2009年6月26日 优先权日2009年6月26日
发明者于徐红, 刘志杰, 谢晓尧, 彦 陈 申请人:贵州师范大学
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