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專利名稱：拉索運(yùn)營狀態(tài)智能判別方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種斜拉橋、懸索橋、拱橋拉索營運(yùn)狀態(tài)識(shí)別技術(shù)，尤其是一種拉索高精度、多變量判別方法及其系統(tǒng)，具體地說是一種拉索運(yùn)營狀態(tài)智能判別方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
眾所周知，拉索是索橋的重要傳力構(gòu)件，承受軸向拉力，多采用高輕度平行鋼絲束或鋼絞線制作。拉索的受力與工作狀態(tài)是直接反映橋梁是否處于正常運(yùn)行的重要標(biāo)志之一。在建橋過程中，必須對(duì)橋梁拉索的索力和橋梁內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和優(yōu)化，成橋后也需對(duì)拉索進(jìn)行復(fù)測(cè)以了解拉索的工作狀態(tài)。
目前有不少關(guān)于索力的測(cè)試方法，如直接通過壓力傳感器進(jìn)行測(cè)試，通過測(cè)試振動(dòng)信號(hào)得到索的固有頻率的振動(dòng)法，通過動(dòng)力測(cè)試與有限元計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，通過光纖傳感器測(cè)試索的應(yīng)變值得到索力，通過測(cè)試磁通量的滲透系數(shù)得到索力等。雖然測(cè)試方法較多，但是其中振動(dòng)法還是因?yàn)槠洳僮骱啽阋仔卸覝y(cè)試結(jié)果較為準(zhǔn)確，在目前工程中被廣泛使用。
振動(dòng)法的簡化公式是將索的兩端當(dāng)做鉸支，并且忽略彎曲剛度，利用相鄰兩主頻之差間接識(shí)別基頻，再通過張力與基頻的關(guān)系求得索的張力。這樣處理導(dǎo)致振動(dòng)法的精度容易受到一些因素的影響，諸如垂度、剛度、彎曲剛度等，特別是對(duì)于短索，這種誤差是比較大的。實(shí)際上拉索兩端支承條件十分復(fù)雜，若還采用單一的鉸支或者固支邊界來模擬，計(jì)算結(jié)果的偏差會(huì)隨著索長的減小而急劇增大甚至失真。實(shí)際工程中，運(yùn)營多年的索橋，其拉索的邊界條件介于固支和鉸支之間，兩端有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，目前尚未有一種方法能夠準(zhǔn)確、系統(tǒng)地測(cè)量和分析運(yùn)營狀態(tài)下包括邊界約束、彎曲剛度和張力在內(nèi)的拉索使用參數(shù)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)目前采用振動(dòng)法檢測(cè)拉索運(yùn)營狀態(tài)參數(shù)時(shí)存在的精度低、誤差大，不利于正確識(shí)別拉索工作狀態(tài)的問題，提供一種檢測(cè)效果好、使用范圍廣、操作簡單、功耗低的拉索運(yùn)營狀態(tài)智能判別方法及系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是 一種拉索運(yùn)營狀態(tài)智能判別方法，其特征是它包括以下步驟 第一步，在需要檢測(cè)的拉索上安裝振動(dòng)傳感器，采集拉索的環(huán)境振動(dòng)信號(hào)并送入計(jì)算機(jī)中； 第二步，利用計(jì)算機(jī)對(duì)第一步采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到前8階振動(dòng)主頻f1，0，f2….f8 第三步，根據(jù)第二步計(jì)算所得的前8階振動(dòng)主頻中的偶價(jià)頻率，按下面公式計(jì)算出拉索張力S 其中 ρ——拉索線密度；L——拉索計(jì)算長度； 第四步，根據(jù)計(jì)算所得的索力按以下公式計(jì)算彎曲剛度EI 第五步，在距離拉索底部約L/4處粘貼一附加質(zhì)量塊M，再次采集加裝附加質(zhì)量塊M后的拉索的環(huán)境振動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行傅里葉變換，得到拉索的自振基頻f1，1 第六步，將以上計(jì)算所得的索力S、彎曲剛度EI和自振基頻f1，1代下以下兩個(gè)方程中以求解出拉索兩端的轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度k1，k2 其中ω1，0＝2πf1，0，ω1，1＝2πf1，1 第七步，由計(jì)算機(jī)將求得的索力S、彎曲剛度EI及拉索兩端的轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度k1，k2與設(shè)計(jì)安全值進(jìn)行比較，得出拉索是否處于安全運(yùn)行狀態(tài)的判斷，并進(jìn)行顯示或報(bào)警。
所述的附加質(zhì)量塊M的取值為至少應(yīng)取拉索質(zhì)量的5％，且質(zhì)量越大，精度越高。附加質(zhì)量M越大，加載前后的頻率差別越大，越有利于識(shí)別兩端的約束條件，但附加質(zhì)量越大，會(huì)帶來測(cè)量上的困難，比如安裝很大質(zhì)量塊不容易。一般來說，如果加入10％拉索質(zhì)量的附加質(zhì)量，頻率的改變是5％，具體的質(zhì)量應(yīng)根據(jù)頻率分辨精度和測(cè)試需要來取值。一般來說以質(zhì)量M取拉索質(zhì)量的10％為宜，如果小于這個(gè)值，只要頻率測(cè)試精度很高的話也能識(shí)別出來。
本發(fā)明的智能判別系統(tǒng)為 一種拉索運(yùn)營狀態(tài)智能判別系統(tǒng)，其特征是它主要由數(shù)據(jù)采集單元1和數(shù)據(jù)分析單元10組成，數(shù)據(jù)采集單元1通過無線方式與數(shù)據(jù)分析單元10相連；所述的數(shù)據(jù)采集單元1由傳感器2、多通道抗混濾波放大器3、模/數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器4及發(fā)送單元5組成，傳感器2的輸出與多通道抗混濾波放大器3的輸入端相連，多通道抗混濾波放大器3的輸出端與模/數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器4的輸入端相連，模/數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器4的輸出端與發(fā)送單元5的輸入端相連，發(fā)送單元5的輸出端作為數(shù)據(jù)采集單元1的輸出端與數(shù)據(jù)分析單元10中的數(shù)據(jù)接收單元6無線相連，數(shù)據(jù)分析單元10主要由數(shù)據(jù)接收單元6、數(shù)據(jù)分析處理單元11及顯示與存儲(chǔ)單元9，所述的數(shù)據(jù)接收單元6將從前述發(fā)送單元5接收到的數(shù)據(jù)先后依次送入數(shù)據(jù)分析處理單元11中的傅里葉變換模塊7、索力計(jì)算模塊8及拉索兩端轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度計(jì)算模塊12中進(jìn)行計(jì)算后送入顯示與存儲(chǔ)單元9中進(jìn)行存儲(chǔ)并顯示。
所述的發(fā)送單元5為USB接口模塊電路或WLAN通訊電路，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)接收單元6設(shè)有USB接口或無線接收電路。
本發(fā)明的有益效果 1、本發(fā)明首次建立了一種拉索運(yùn)營狀態(tài)綜合測(cè)試方法，能夠通過拉索的環(huán)境振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)的測(cè)試智能分析計(jì)算出包括索力、剛度、邊界條件在內(nèi)的參數(shù)，并研制了適用于現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)和識(shí)別拉索狀態(tài)的無線測(cè)試系統(tǒng)，用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理方法，結(jié)合柔性的模塊化的無線技術(shù)為拉索的安全監(jiān)測(cè)提供方便實(shí)用的手段。
2、本發(fā)明具有較高的運(yùn)算精度，其中頻率分析精度可達(dá)1％，拉索狀態(tài)參數(shù)識(shí)別精度能達(dá)3％。
3、該無線測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試范圍為100米以內(nèi)，可同時(shí)測(cè)試多根(如4根或4根以上)拉索，如果增加采集通道可以同時(shí)測(cè)試更多的拉索，本發(fā)明性能可靠，使用方便，且具有很高的精度，適用范圍廣泛。
4、本發(fā)明首次通過索力、彎曲剛度及加載自振基頻得到了復(fù)雜條件下的拉索轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度值，優(yōu)化了傳統(tǒng)的計(jì)算方法，使之更加符合實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。
5、本發(fā)明不僅適用于斜拉索、懸索橋的吊索運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別，還可用于拱橋的吊桿運(yùn)行狀態(tài)的識(shí)別。
6、本發(fā)明檢測(cè)效果好、使用范圍廣、操作簡單、運(yùn)營功耗低。



圖1是本發(fā)明的拉索運(yùn)營狀態(tài)測(cè)試示意圖。
圖2是本發(fā)明的智能判別系統(tǒng)框圖示意圖。
圖3是與本發(fā)明相配的軟件流程圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
如圖1所示。
一種拉索運(yùn)營狀態(tài)智能判別方法，它包括以下步驟 第一步，在需要檢測(cè)的拉索上安裝振動(dòng)檢測(cè)用傳感器(可采用市售成熟產(chǎn)品，也可采用帶有無線發(fā)射功能的傳感器)，采集拉索的環(huán)境振動(dòng)信號(hào)并送入計(jì)算機(jī)中； 第二步，利用計(jì)算機(jī)對(duì)第一步采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換(即FFT變換，可采用現(xiàn)有成熟軟件加以實(shí)現(xiàn))，得到前8階振動(dòng)主頻f1，0，f2….f8 第三步，根據(jù)第二步計(jì)算所得的前8階振動(dòng)主頻中的偶價(jià)頻率，按下面公式計(jì)算出拉索張力S 其中 ρ——拉索線密度；L——拉索計(jì)算長度； 第四步，根據(jù)計(jì)算所得的索力按以下公式計(jì)算彎曲剛度EI 第五步，在距離拉索底部約L/4處粘貼一附加質(zhì)量塊M，再次采集加裝附加質(zhì)量塊M后的拉索的環(huán)境振動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行傅里葉變換，得到拉索的自振基頻f1，1所述的附加質(zhì)量塊的質(zhì)量M的取值至少應(yīng)取拉索質(zhì)量的5％，且質(zhì)量越大，精度越高。附加質(zhì)量M越大，加載前后的頻率差別越大，越有利于識(shí)別兩端的約束條件，但附加質(zhì)量越大，會(huì)帶來測(cè)量上的困難，比如安裝很大質(zhì)量塊不容易。一般來說，如果加入10％拉索質(zhì)量的附加質(zhì)量，頻率的改變是5％，具體的質(zhì)量應(yīng)根據(jù)頻率分辨精度和測(cè)試需要來取值。一般來說以質(zhì)量M取拉索質(zhì)量的10％為宜，如果小于這個(gè)值，只要頻率測(cè)試精度很高的話也能識(shí)別出來； 第六步，將以上計(jì)算所得的索力S、彎曲剛度EI和自振基頻f1，1代下以下兩個(gè)方程中以求解出拉索兩端的轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度k1，k2 其中ω1，0＝2πf1，0，ω1，1＝2πf1，1 第七步，由計(jì)算機(jī)將求得的索力S、彎曲剛度EI及拉索兩端的轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度k1，k2與設(shè)計(jì)安全值進(jìn)行比較，得出拉索是否處于安全運(yùn)行狀態(tài)的判斷，并進(jìn)行顯示或報(bào)警。
整個(gè)計(jì)算判別的流程圖如圖3所示。軟件由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)瀏覽與分析模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、參數(shù)設(shè)定等組成；其工作流程是，判別系統(tǒng)啟動(dòng)后先自檢，然后開始通過傳感器采集信號(hào)，采集得到的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)FFT分析和階次分析，得到頻域參數(shù)，計(jì)算索力和彎曲剛度，然后在距離拉索底部支座L/4處加一質(zhì)量塊，重新測(cè)試這時(shí)拉索的環(huán)境振動(dòng)時(shí)域信號(hào)并進(jìn)行FFT分析得到基頻，然后根據(jù)加載前后兩次測(cè)得的基頻計(jì)算兩端轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度，結(jié)果顯示并保存。必要時(shí)再與安全值進(jìn)行比值得出拉索運(yùn)營狀態(tài)是否安全的判別。
本發(fā)明的智能判別系統(tǒng)組成如圖2所示，它主要由數(shù)據(jù)采集單元1和數(shù)據(jù)分析單元10組成，數(shù)據(jù)采集單元1通過無線方式與數(shù)據(jù)分析單元10相連；所述的數(shù)據(jù)采集單元1由傳感器2、多通道抗混濾波放大器3、模/數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器4及發(fā)送單元5組成，傳感器2的輸出與多通道抗混濾波放大器3的輸入端相連，多通道抗混濾波放大器3的輸出端與模/數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器4的輸入端相連，模/數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器4的輸出端與發(fā)送單元5的輸入端相連，發(fā)送單元5的輸出端作為數(shù)據(jù)采集單元1的輸出端與數(shù)據(jù)分析單元10中的數(shù)據(jù)接收單元6無線相連，數(shù)據(jù)分析單元10主要由數(shù)據(jù)接收單元6、數(shù)據(jù)分析處理單元11及顯示與存儲(chǔ)單元9，所述的數(shù)據(jù)接收單元6將從前述發(fā)送單元5接收到的數(shù)據(jù)先后依次送入數(shù)據(jù)分析處理單元11中的傅里葉變換模塊7、索力計(jì)算模塊8及拉索兩端轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度計(jì)算模塊12中進(jìn)行計(jì)算后送入顯示與存儲(chǔ)單元9中進(jìn)行存儲(chǔ)并顯示。其中的發(fā)送單元5可采用USB接口模塊電路或WLAN通訊電路加以實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)接收單元6設(shè)有USB接口或無線接收電路。
本發(fā)明的工作過程為 傳感器2檢測(cè)到的模擬信號(hào)，經(jīng)過抗混濾波放大器3后進(jìn)行高精度24BitA/D轉(zhuǎn)換4，得到數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)由USB傳輸單元5或使用無線WLAN進(jìn)行信號(hào)傳輸。數(shù)據(jù)分析單元通過USB或無線網(wǎng)絡(luò)6接收數(shù)據(jù)，接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過FFT和階次分析7，得到頻域參數(shù)，根據(jù)長短索進(jìn)行相應(yīng)的索力計(jì)算8，得到結(jié)果通過顯示與存儲(chǔ)模塊9顯示并保存數(shù)據(jù)，然后再在距拉索底部1/4處加裝附加質(zhì)量塊M，傳感器2再次將檢測(cè)到的模擬信號(hào)，經(jīng)過抗混濾波放大器3后進(jìn)行高精度24BitA/D轉(zhuǎn)換4，得到數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)由USB傳輸單元5或使用無線WLAN進(jìn)行信號(hào)傳輸。數(shù)據(jù)分析單元通過USB或無線網(wǎng)絡(luò)6接收數(shù)據(jù)，送入拉索兩端的轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度k1，k2計(jì)算模塊中計(jì)算出約束剛度進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，必要時(shí)再根據(jù)程序流程進(jìn)行打印、報(bào)警等后續(xù)常規(guī)操作。
具體實(shí)施時(shí)可采用多通道實(shí)時(shí)信號(hào)采集技術(shù)，以便同時(shí)處理4個(gè)或4個(gè)以上的通道的索力數(shù)據(jù)，以便同時(shí)對(duì)多根拉索進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。為保證各個(gè)通道信號(hào)的同步，每個(gè)通道均有獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換單元。
本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1、一種拉索運(yùn)營狀態(tài)智能判別方法，其特征是它包括以下步驟
第一步，在需要檢測(cè)的拉索上安裝具有無線發(fā)射功能的傳感器，采集拉索的環(huán)境振動(dòng)信號(hào)并送入計(jì)算機(jī)中；
第二步，利用計(jì)算機(jī)對(duì)第一步采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到前8階振動(dòng)主頻f1，0，f2….f8
第三步，根據(jù)第二步計(jì)算所得的前8階振動(dòng)主頻中的偶價(jià)頻率，按下面公式計(jì)算出拉索張力S
其中
ρ——拉索線密度；L——拉索計(jì)算長度；
第四步，根據(jù)計(jì)算所得的索力按以下公式計(jì)算彎曲剛度EI
第五步，在距離拉索底部L/4處粘貼一附加質(zhì)量塊M所示，再次采集加裝附加質(zhì)量塊M后的拉索的環(huán)境振動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行傅里葉變換，得到拉索的自振基頻f1，1
第六步，將以上計(jì)算所得的索力S、彎曲剛度EI和自振基頻f1，1代下以下兩個(gè)方程中以求解出拉索兩端的轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度k1，k2
其中ω1，0＝2πf1，0，ω1，1＝2πf1.1
第七步，由計(jì)算機(jī)將求得的索力S、彎曲剛度EI及拉索兩端的轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度k1，k2與設(shè)計(jì)安全值進(jìn)行比較，得出拉索是否處于安全運(yùn)行狀態(tài)的判斷，并進(jìn)行顯示或報(bào)警。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的拉索運(yùn)營狀態(tài)智能判別方法，其特征是所述的附加質(zhì)量塊M的取值不小于拉索質(zhì)量的5％。
3、一種拉索運(yùn)營狀態(tài)智能判別系統(tǒng)，其特征是它主要由數(shù)據(jù)采集單元(1)和數(shù)據(jù)分析單元(10)組成，數(shù)據(jù)采集單元(1)通過無線方式與數(shù)據(jù)分析單元(10)相連；所述的數(shù)據(jù)采集單元(1)由傳感器(2)、多通道抗混濾波放大器(3)、模/數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器(4)及發(fā)送單元(5)組成，傳感器(2)的輸出與多通道抗混濾波放大器(3)的輸入端相連，多通道抗混濾波放大器(3)的輸出端與模/數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器(4)的輸入端相連，模/數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換器(4)的輸出端與發(fā)送單元(5)的輸入端相連，發(fā)送單元(5)的輸出端作為數(shù)據(jù)采集單元(1)的輸出端與數(shù)據(jù)分析單元(10)中的數(shù)據(jù)接收單元(6)無線相連，數(shù)據(jù)分析單元(10)主要由數(shù)據(jù)接收單元(6)、數(shù)據(jù)分析處理單元(11)及顯示與存儲(chǔ)單元(9)，所述的數(shù)據(jù)接收單元(6)將從前述發(fā)送單元(5)接收到的數(shù)據(jù)先后依次送入數(shù)據(jù)分析處理單元(11)中的傅里葉變換模塊(7)、索力計(jì)算模塊(8)及拉索兩端轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度計(jì)算模塊(12)中進(jìn)行計(jì)算后送入顯示與存儲(chǔ)單元(9)中進(jìn)行存儲(chǔ)并顯示。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的拉索運(yùn)營狀態(tài)智能判別系統(tǒng)，其特征是所述的發(fā)送單元(5)為USB接口模塊電路或WLAN通訊電路，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)接收單元(6)設(shè)有USB接口或無線接收電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種拉索運(yùn)營狀態(tài)智能判別方法及系統(tǒng)，它通過安裝在拉索上的傳感器分別檢測(cè)加載前后的振動(dòng)頻率分別進(jìn)行FFT變換及相關(guān)計(jì)算得到索力、彎曲剛度及兩端的轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度。本發(fā)明具有方法、系統(tǒng)簡單，易于實(shí)現(xiàn)且精度高，功耗小的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01L5/10GK101504324SQ20091002480
公開日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2009年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月26日
發(fā)明者俊 王, 劉偉慶, 鐘建馳, 林 吉, 馮兆祥, 策 陳, 靜 阮, 波 蔣 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué), 江蘇省長江公路大橋建設(shè)指揮部