CN103728014A - 基于加速度传感器的桥梁拉索振动频率检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于加速度传感器的桥梁拉索振动频率检测方法及装置，方法步骤如下：在待检测桥梁各根拉索相同高度位置安装从机，从机通过数字加速度传感器实时采集对应拉索的振动信息并发送至同一主机，主机获取对应各根拉索的多路振动信息，并根据多路振动信息分别进行处理得到各根拉索的振动频率；装置包括主机和多个从机，主机包括主控制器、主通信模块、存储模块、主电源模块、显示模块，从机包括从控制器、数字加速度传感器、从通信模块、从电源模块，从通信模块通过无线网络与主通信模块相连。本发明具有检测精度高、电路结构简单、无需布线、安装简单快捷、抗干扰能力强、检测速度快、测量效率高、通用性好、应用范围广的优点。

Description

基于加速度传感器的桥梁拉索振动频率检测方法及装置

技术领域

本发明涉及桥梁工程安全技术领域，具体涉及基于加速度传感器的桥梁拉索振动频率检测方法及装置。

背景技术

随着我国桥梁数量的迅速增长和桥梁运营环境的日趋复杂严苛，桥梁工程的安全问题日益突出。据不完全统计，1999～2012年期间我国共发生桥梁垮塌事故近50起，造成了巨大的生命财产损失和恶劣的社会影响。桥梁结构的安全正受到政府和社会日益广泛的关注。拉索是一种高效承受拉力的结构构件，广泛地应用于斜拉桥、悬索桥、拱桥等大型索承重桥梁中。作为主要承力构件，拉索的服役性能直接关系到桥梁的整体安全性，在桥梁安全服役运营中扮演着至关重要的角色。在桥梁使用过程中，拉索往往由于腐蚀和振动等原因受到损害，作为张拉结构的重要构件，拉索损害将会给桥梁带来灾难性的后果。受到损坏的拉索，将发生变化索力变化（松弛），从而影响结构内力分布和结构线型，拉索的严重锈蚀甚至可能引起断裂，进而引起结构的坍塌，近年发生的桥梁垮塌事故中，相当一部分是拉索承重桥梁由于拉索断裂导致的恶性桥梁倒塌，如1999年的重庆綦江彩虹桥、2001年宜宾南门长江大桥、2011年福建武夷山公馆大桥、2011年新疆孔雀河大桥等。因此，对桥梁中的拉索构件进行安全性评估的重要性正日益凸显。

拉索构件健康性评定和安全性评估的主要内容是索力测试，索承重结构的索力测试是整个结构受力评估的关键因素之一，是分析结构当前受力状态和评定结构健康状况的重要依据。对于服役状态下的拉索构件索力测试，目前最主要也是几乎唯一可行的方法是频率法，其理论基础为弦振理论，通过测试得到拉索的振动频率后再根据拉索频率、刚度和边界条件，来计算拉索索力，因此拉索振动频率测试的精度直接关系到拉索构件安全性控制。因此，桥梁拉索振动频率检测对于拉索构件健康性评定和安全性评估而言，具有非常重要的作用。

目前，桥梁拉索振动频率检测都是针对单根桥梁拉索进行检测的，一般采用压电式传感器，通过压电式传感器采集每一个桥梁拉索的振动信息，然后通过微处理器对振动信息依次进行中值滤波、傅立叶变换得到桥梁拉索的振动频率。

但是，现有技术的桥梁拉索振动频率检测的技术方案存在显著的缺陷不足：

（1）现有技术的桥梁拉索振动频率检测的技术方案中用于采集拉索振动频率传感器多采用压电式传感器，一方面这种传感器对于低频的测试效果较差，因为压电式传感器的电路通常会持续放电，并且测量低频信号时电荷量则因频率过低得不到及时补充而造成测量显著误差；而斜拉桥、悬索桥的拉索构件属于典型的长柔性构件，其振动频率属低频范围，如南京长江二桥南汊桥628m主跨的各拉索振动基频为0.3635～1.0256Hz，日本多多罗大桥斜拉索振动基频为0.26～1.05Hz，苏通长江大桥最长斜拉索基频仅为约0.2Hz。另一方面，压电式传感器输出的信号为模拟信号，因此后续还需要转换电路才能将输出的模拟信号送入微处理器进行处理。因此现有的压电式传感器在拉索频率测试中往往难以取得令人满意的效果，极大地影响索力测试的精度效果，电路结构复杂。

（2）现有技术的桥梁拉索振动频率检测的技术方案为单点装置，只能针对单根拉索进行单点测量，而且测量的设备采用有线电缆连接，安装布线复杂，携带比较麻烦而且由于电缆较长，导致设备受***的信号干扰大，而且不能同时测量多根拉索，对于桥梁拉锁的测量效率非常低下，而且还不便于对于多根拉素测量结果不能进行比对，达不到精确测量的要求。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明提供一种检测精度高、电路结构简单、无需布线、安装简单快捷、抗干扰能力强、检测速度快、测量效率高、便于携带、方便操作、稳定性好、功耗低、通用性好、应用范围广的基于加速度传感器的桥梁拉索振动频率检测方法及装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种基于加速度传感器的桥梁拉索振动频率检测方法，实施步骤如下：在待检测桥梁各根拉索相同高度位置安装带有数字加速度传感器的从机，各个所述从机分别通过数字加速度传感器实时采集对应拉索的振动信息并通过无线网络发送至同一主机，所述主机获取对应各根拉索的多路振动信息，并根据所述多路振动信息分别依次进行中值滤波、傅里叶变换得到各根拉索的振动频率。

进一步地，所述主机在得到各根拉索的振动频率后，还包括综合处理振动频率的步骤，所述综合处理振动频率具体是指：首先对各根拉索的振动频率进行纠错处理，所述纠错处理是指通过冒泡法对各根拉索的振动频率进行排序后删除其中超过指定阈值的振动频率，然后针对剩余的振动频率进行加权取平均值得到桥梁拉索振动频率并输出。

本发明还提供一种基于加速度传感器的桥梁拉索振动频率检测装置，包括主机和多个从机，所述主机包括主控制器、主通信模块、存储模块、主电源模块、显示模块，所述主控制器分别与主通信模块、存储模块、显示模块相连，所述主电源模块分别与主控制器、主通信模块、存储模块、显示模块相连；所述从机包括从控制器、数字加速度传感器、从通信模块、从电源模块，所述从控制器分别与数字加速度传感器、从通信模块相连，所述从电源模块分别与从控制器、数字加速度传感器、从通信模块相连，所述从通信模块与主通信模块相连，所述主通信模块、从通信模块均为无线通信模块，所述多个从机的从通信模块分别通过无线网络与主通信模块相连。

进一步地，所述从机包括带有两个固定孔的外壳，所述从控制器、数字加速度传感器、从通信模块、从电源模块均设于外壳内，所述两个固定孔中分别设有用于将外壳捆绑固定在桥梁拉索上的绑带。

进一步地，所述主控制器与主电源模块之间串接有主电源开关和主电源指示灯。

进一步地，所述从控制器与从电源开关之间串接有从电源开关和从电源指示灯。

进一步地，所述主电源模块包括主充电电池、主充电电路和主DC电源接口，所述主充电电池通过主充电电路和主DC电源接口相连，且所述主充电电池分别与主控制器、主通信模块、存储模块、显示模块相连。

进一步地，所述从电源模块包括从充电电池、从充电电路和从DC电源接口，所述从充电电池通过从充电电路和从DC电源接口相连，且所述从充电电池分别与从控制器、数字加速度传感器、从通信模块相连。

本发明基于加速度传感器的桥梁拉索振动频率检测方法具有下述技术效果：

1、本发明针对大跨度斜拉、悬索等索承重桥梁的拉索为长柔性构件，拉锁固有振动频率较低（低至0.2Hz）的特点，将采集拉索振动信号的传感器采用数字加速度传感器，在待检测桥梁各根拉索相同高度位置安装带有数字加速度传感器的从机，各个从机分别通过数字加速度传感器实时采集对应拉索的振动信息，从而能够实现极低频及变化非常缓慢的振动信号，特别适合拾取桥梁长柔拉索所产生的低频振动信号，能够极大提高桥梁拉索固有频率的测量精度以准确获得拉索索力，对于控制桥梁安全风险，对于科学建设和维护桥梁都非常有利，能够克服现有技术在桥梁拉索频率测试中应用的压电式传感器难以准确测量如此低频的振动信号，致使桥梁拉索索力测量的精度经常难以保证，以致增加桥梁建设和维护中的困难和风险的问题，具有检测精度高、电路结构简单的优点；其次，本发明从加速度信号的采集到振动频率的输出为全数字设计，其数据参数的读取、处理及显示均采用数字化处理，具有抗干扰能力强、稳定性好、功耗低的优点。

2、本发明的各个从机将采集对应拉索的振动信息分别并通过无线网络发送至同一主机，主机获取对应各根拉索的多路振动信息，并根据多路振动信息分别依次进行中值滤波、傅里叶变换得到各根拉索的振动频率，主机和各个从机能够同时实现多根拉索的振动频率的快速检测，尤其适用于对测量精度、准确度求要高、拉索数量多的桥梁，能够克服现有技术不能实现的对多根拉索进行同步测量的缺陷，且本发明通过主机和从机组合的方式，在使用时主机由操作者携带，根据需要调节应用的从机数量，各个从机通过数字加速度传感器实时采集振动数据并分别通过无线网络发送给主机，具有检测速度快、测量效率高、结构简单、使用灵活、便于携带、方便操作的优点。

3、本发明的从机通过数字加速度传感器实时采集对应拉索的振动信息并通过无线网络发送至同一主机，主机和各个从机之间通过无线网络相连，能够克服电缆传输信号容易受复杂环境的干扰的问题，具有无需布线、安装简单快捷、抗干扰能力强的优点。

4、本发明能够适用于处理任何形式拉索桥梁的拉索振动频率的测定，例如包括悬索桥或者斜拉索桥等等，具有通用性好、应用范围广的优点。

本发明基于加速度传感器的桥梁拉索振动频率检测装置为实现本发明基于加速度传感器的桥梁拉索振动频率检测方法的装置，具有与本发明基于加速度传感器的桥梁拉索振动频率检测方法相同的技术效果，故在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明实施例方法的原理示意图。

图2为本发明实施例装置的整体框架结构示意图。

图3为本发明实施例装置的主机框架结构示意图。

图4为本发明实施例装置的从机框架结构示意图。

图5为本发明实施例装置的从机外壳结构示意图。

图例说明：1、主机；11、主控制器；12、主通信模块；13、存储模块；14、主电源模块；141、主充电电池；142、主充电电路；143、主DC电源接口；15、显示模块；16、主电源开关；17、主电源指示灯；2、从机；20、外壳；201、固定孔；202、绑带；21、从控制器；22、数字加速度传感器；23、从通信模块；24、从电源模块；241、从充电电池；242、从充电电路；243、从DC电源接口；25、从电源开关；26、从电源指示灯。

具体实施方式

如图1所示，本实施例基于加速度传感器的桥梁拉索振动频率检测方法的实施步骤如下：在待检测桥梁各根拉索相同高度位置安装带有数字加速度传感器的从机（1号从机～N号从机），各个从机通过数字加速度传感器（1号从机通过1号数字加速度传感器、2号从机通过2号数字加速度传感器，以此类推）实时采集对应拉索的振动信息并分别通过无线网络的信道1～信道N发送至同一主机，主机获取对应各根拉索的多路振动信息，并根据多路振动信息分别依次进行中值滤波、傅里叶变换得到各根拉索的振动频率。如图1所示，本实施例中从机通过I²C总线与数字加速度传感器相连，此外也可以根据需要采用其他总线或者直接采用非总线的引脚直连的连接方式。

本实施例中主机在得到各根拉索的振动频率后，还包括综合处理振动频率的步骤，综合处理振动频率具体是指：首先对各根拉索的振动频率进行纠错处理，纠错处理是指通过冒泡法对各根拉索的振动频率进行排序后删除其中超过指定阈值的振动频率，然后针对剩余的振动频率进行加权取平均值得到桥梁拉索振动频率并输出。本实施例进行纠错处理时，通过删除其中超过指定阈值的振动频率，能够防止由于超过指定阈值的振动频率干扰最终检测结果。需要说明的是，本实施例既可以直接输出各根拉索的振动频率（多个值）作为现场检测结果，以便后期进行处理和诊断；此外，也可以根据需要输出进行纠错处理及加权取平均值得到的整体桥梁拉索振动频率（单个值）作为现场检测结果，以便现场进行快速诊断。

如图2、图3和图4所示，本实施例基于加速度传感器的桥梁拉索振动频率检测装置包括主机1和多个从机2，主机1包括主控制器11、主通信模块12、存储模块13、主电源模块14、显示模块15，主控制器11分别与主通信模块12、存储模块13、显示模块15相连，主电源模块14分别与主控制器11、主通信模块12、存储模块13、显示模块15相连；从机2包括从控制器21、数字加速度传感器22、从通信模块23、从电源模块24，从控制器21分别与数字加速度传感器22、从通信模块23相连，从电源模块24分别与从控制器21、数字加速度传感器22、从通信模块23相连，从通信模块23与主通信模块12相连，主通信模块12、从通信模块23均为无线通信模块，多个从机2的从通信模块23分别通过无线网络与主通信模块12相连。本实施例主机1和多个从机2能够同时实现多根拉索的振动频率的快速检测，尤其适用于对测量精度、准确度求要高、拉索数量多的桥梁，能够克服现有技术不能实现的对多根拉索进行同步测量的缺陷，且本发明通过主机1和多个从机2组合的方式，在使用时主机1由操作者携带，根据需要调节应用的从机2数量，各个从机2通过数字加速度传感器22实时采集振动数据并分别通过无线网络的不同信道发送给主机1，能够适用于处理任何形式拉索桥梁的拉索振动频率的测定，例如包括悬索桥或者斜拉索桥等等，具有检测速度快、测量效率高、结构简单、使用灵活、便于携带、方便操作、通用性好、应用范围广的优点。

本实施例针对大跨度斜拉、悬索等索承重桥梁的拉索为长柔性构件，拉锁固有振动频率较低（低至0.2Hz）的特点，，从机2采集拉索振动信号的传感器采用数字加速度传感器22，从而能够实现极低频或变化非常缓慢的振动，特别适合拾取桥梁长柔拉索所产生的低频振动信号，能够极大提高桥梁拉索固有频率的测量精度，从而准确获得拉索索力，对于控制桥梁安全风险，对于科学建设和维护桥梁都非常有利，能够克服现有技术在桥梁拉索频率测试中应用的压电式传感器难以准确测量如此低频的振动信号，致使桥梁拉索索力测量的精度经常难以保证，以致增加桥梁建设和维护中的困难和风险的问题，具有检测精度高、电路结构简单的优点；而且，本实施例主机1和多个从机2从加速度信号的采集到振动频率的输出为全数字设计，其数据参数的读取、处理及显示均采用数字化处理，具有抗干扰能力强、稳定性好、功耗低的优点；主通信模块12、从通信模块23均为无线通信模块，从通信模块23通过无线网络与主通信模块12相连，在应用时主机1和从机2之间不受电缆的约束，无需布线，能够适用于各种形状及规格的多拉索桥梁，能够克服电缆传输信号容易受复杂环境的干扰的问题，具有使用无需布线、安装简单快捷、抗干扰能力强的优点。

如图3所示，本实施例中主控制器11与主电源模块14之间串接有主电源开关16和主电源指示灯17，主电源开关16和主电源指示灯17同样也集成于主机1的PCB印刷电路板上，通过主电源开关16能够控制主机1的工作状态，通过主电源指示灯17则能够方便显示主机1的工作状态。

本实施例中，主控制器11、主通信模块12、存储模块13、主电源模块14、显示模块15集成于一块PCB印刷电路板上实现。主控制器11基于型号为STC12LE5408的单片机实现；主通信模块12为基于无线局域网的NRF24L01无线通信模块，传输振动数据不需要额外布置电缆，主机1和从机2之间不受电缆的约束，无需布线，能够适用于各种形状及规格的多拉索桥梁，具有使用无需布线、安装简单快捷、抗干扰能力强的优点；存储模块13为24C16非易失存储芯片；本实施例的主电源模块14包括主充电电池141、主充电电路142和主DC电源接口143，主充电电池141通过主充电电路142和主DC电源接口143相连，且主充电电池141分别与主控制器11、主通信模块12、存储模块13、显示模块15相连，主机1采用主充电电池141进行供电，经济实用、使用便捷；显示模块15为LCD液晶显示模块。

如图4所示，本实施例中从控制器21与从电源模块24之间串接有从电源开关25和从电源指示灯26，从电源开关25和从电源指示灯26同样也集成于从机2的PCB印刷电路板上，通过从电源开关25能够控制从机2的工作状态，通过从电源指示灯26则能够方便显示从机2的工作状态。

如图5所示，本实施例中从机2包括带有两个固定孔201的外壳20，从控制器21、数字加速度传感器22、从通信模块23、从电源模块24均设于外壳20内，两个固定孔201中分别设有用于将外壳20捆绑固定在桥梁拉索上的绑带202。在使用时从机2使用绑带202将从机2的外壳20捆绑固定在桥梁拉索上，从而实现相对桥梁拉索的固定，使用简单方便，使得数字加速度传感器22能够精确可靠地实现对桥梁拉索振动频率的检测。此外，也可以采用夹具等其它方式来实现对从机2相对桥梁拉索的固定。

本实施例中，从控制器21、数字加速度传感器22、从通信模块23、从电源模块24集成于一块PCB印刷电路板上实现。从控制器21基于型号为STC12LE5408的单片机实现，从控制器21通过I²C总线与数字加速度传感器22相连；数字加速度传感器22采用型号为MMA8452Q的加速度传感器实现；从通信模块23与主通信模块12相同，同样为基于无线局域网的NRF24L01无线通信模块，传输振动数据不需要额外布置电缆，使用非常方便；从电源模块24的结构与主电源模块14的结构相同，从电源模块24包括从充电电池241、从充电电路242和从DC电源接口243，从充电电池241通过从充电电路242和从DC电源接口243相连，且从充电电池241分别与从控制器21、数字加速度传感器22、从通信模块23相连，从机2采用从充电电池241进行供电，经济实用、使用便捷。

本实施例基于加速度传感器的桥梁拉索振动频率检测装置的工作过程如下：在待检测桥梁各根拉索相同高度位置安装带有数字加速度传感器22的从机2，各个从机2通过数字加速度传感器22实时采集对应拉索的振动信息并分别通过无线网络的信道1～信道N发送至主机1，主机1获取对应各根拉索的多路振动信息，并根据多路振动信息分别依次进行中值滤波、傅里叶变换得到各根拉索的振动频率。需要说明的是，主机1默认输出为各根拉索的振动频率（多个值），此外，主机1还可以进一步跟进需要对各根拉索的振动频率进行纠错处理，即通过冒泡法对各根拉索的振动频率进行排序后删除其中超过指定阈值的振动频率，然后针对剩余的振动频率进行加权取平均值得到桥梁拉索振动频率并输出（一个值）。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于加速度传感器的桥梁拉索振动频率检测方法，其特征在于实施步骤如下：在待检测桥梁各根拉索相同高度位置安装带有数字加速度传感器的从机，各个所述从机分别通过数字加速度传感器实时采集对应拉索的振动信息并通过无线网络发送至同一主机，所述主机获取对应各根拉索的多路振动信息，并根据所述多路振动信息分别依次进行中值滤波、傅里叶变换得到各根拉索的振动频率。

2.根据权利要求1所述的基于加速度传感器的桥梁拉索振动频率检测方法，其特征在于，所述主机在得到各根拉索的振动频率后，还包括综合处理振动频率的步骤，所述综合处理振动频率具体是指：首先对各根拉索的振动频率进行纠错处理，所述纠错处理是指通过冒泡法对各根拉索的振动频率进行排序后删除其中超过指定阈值的振动频率，然后针对剩余的振动频率进行加权取平均值得到桥梁拉索振动频率并输出。

3.一种基于加速度传感器的桥梁拉索振动频率检测装置，其特征在于：包括主机（1）和多个从机（2），所述主机（1）包括主控制器（11）、主通信模块（12）、存储模块（13）、主电源模块（14）、显示模块（15），所述主控制器（11）分别与主通信模块（12）、存储模块（13）、显示模块（15）相连，所述主电源模块（14）分别与主控制器（11）、主通信模块（12）、存储模块（13）、显示模块（15）相连；所述从机（2）包括从控制器（21）、数字加速度传感器（22）、从通信模块（23）、从电源模块（24），所述从控制器（21）分别与数字加速度传感器（22）、从通信模块（23）相连，所述从电源模块（24）分别与从控制器（21）、数字加速度传感器（22）、从通信模块（23）相连，所述从通信模块（23）与主通信模块（12）相连，所述主通信模块（12）、从通信模块（23）均为无线通信模块，所述多个从机（2）的从通信模块（23）分别通过无线网络与主通信模块（12）相连。

4.根据权利要求3所述的基于加速度传感器的桥梁拉索振动频率检测装置，其特征在于：所述从机（2）包括带有两个固定孔（201）的外壳（20），所述从控制器（21）、数字加速度传感器（22）、从通信模块（23）、从电源模块（24）均设于外壳（20）内，所述两个固定孔（201）中分别设有用于将外壳（20）捆绑固定在桥梁拉索上的绑带（202）。

5.根据权利要求4所述的基于加速度传感器的桥梁拉索振动频率检测装置，其特征在于：所述主控制器（11）与主电源模块（14）之间串接有主电源开关（16）和主电源指示灯（17）。

6.根据权利要求5所述的基于加速度传感器的桥梁拉索振动频率检测装置，其特征在于：所述从控制器（21）与从电源开关（25）之间串接有从电源开关（25）和从电源指示灯（26）。

7.根据权利要求6所述的基于加速度传感器的桥梁拉索振动频率检测装置，其特征在于：所述主电源模块（14）包括主充电电池（141）、主充电电路（142）和主DC电源接口（143），所述主充电电池（141）通过主充电电路（142）和主DC电源接口（143）相连，且所述主充电电池（141）分别与主控制器（11）、主通信模块（12）、存储模块（13）、显示模块（15）相连。

8.根据权利要求7所述的基于加速度传感器的桥梁拉索振动频率检测装置，其特征在于：所述从电源模块（24）包括从充电电池（241）、从充电电路（242）和从DC电源接口（243），所述从充电电池（241）通过从充电电路（242）和从DC电源接口（243）相连，且所述从充电电池（241）分别与从控制器（21）、数字加速度传感器（22）、从通信模块（23）相连。

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