| 专利名称： | 一种应变动力系数的测定方法 | ||
| 专利名称(英文)： | A method of measuring strain power coefficient | ||
| 专利号： | CN201610147714.4 | 申请时间： | 20160315 |
| 公开号： | CN105550534A | 公开时间： | 20160504 |
| 申请人： | 东南大学 | ||
| 申请地址： | 211189 江苏省南京市江宁区东南大学路2号 | ||
| 发明人： | 丁幼亮; 赵瀚玮; 王高新; 李爱群; 岳青; 吴来义 | ||
| 分类号： | G06F19/00 | 主分类号： | G06F19/00 |
| 代理机构： | 南京瑞弘专利商标事务所(普通合伙) 32249 | 代理人： | 朱亮淞 |
| 摘要： | 本发明公开了一种应变动力系数的测定方法，包括如下步骤：步骤10)：采集动应变样本：将光栅应变计配接到应变采集系统中，然后利用光栅应变计对测点的动应变进行采集，形成动应变样本；步骤20)：设计FIR凯塞窗滤波器参数，设置理想滤波模式为理想低通滤波，确定FIR凯塞窗低通滤波器的截止频率、过度带和波纹；步骤30)：生成FIR凯塞窗低通滤波器，对动应变样本进行滤波；步骤40)：测定结构局部应变的动力系数。该测定方法可以准确测定结构局部应变的动力系数。 | ||
| 摘要(英文)： | The invention discloses a method of measuring strain power coefficient, comprising the following steps : step 10) : sample acquisition dynamic strain : the grating strain gauge is connected to the strain acquisition system, then utilize the grating strain gauge to collect dynamic strain of the measuring point, a dynamic strain sample; step 20) : FIR Kayser-resistant window filter parameters design, an ideal filtering mode is the ideal low-pass filtering, FIR Kayser-resistant window determined cut-off frequency of the low-pass filter, excessively brought and corrugated; step 30) : generating FIR Kayser-resistant window low-pass filter, to filter the sample dynamic strain; step 40) : determining local strain structure of the power coefficient. This determination method is able to accurately determine local strain structure of the power coefficient. | ||
1.一种应变动力系数的测定方法，其特征在于，该测定方法包括如下步骤： 步骤10)：采集动应变样本： 将光栅应变计配接到温度采集系统中，然后利用光栅应变计对测点的局部动应变进行 采集，光栅应变计将获取的测点动应变信息传递到应变采集系统中，形成动应变样本，动应 变样本包含列车作用下不同时刻对应的应变值； 步骤20)：设计FIR凯塞窗滤波参数； 由于光栅应变计采集的动应变中振动成分相对静应变成分为高频信号，通过式(1)设 定窗函数的理想滤波器幅度为理想低通滤波： mags＝[1,0](1) 根据桥梁结构整体的第一阶固有频率和测点所在构件的第一阶固有频率，利用式(2) 确定FIR凯塞窗低通滤波器的过度带： 式中，fc为凯塞窗低通滤波器的截止频率，Δf是凯塞窗低通滤波器过渡带带宽，ls表示 桥梁的跨径，v表示行过桥梁的汽车或者火车的车速，fb为桥梁结构整体的第一阶固有频 率，fcp为桥梁测点构件的第一阶固有频率，fc+Δf的必须取值小于fb和fcp中的较小值； 定义通带衰减Ap与阻带衰减As，并将其转化为凯FIR塞窗滤波器能够识别的波纹参数， 即波纹，根据式(3)计算波纹：
式中，Ap为通带衰减，通常情况下设为1；As为阻带衰减，通常情况下设为10～80dB，具体 情况视采集信号质量而定； 步骤30)：生成FIR凯塞窗低通滤波器参数，对动应变样本进行滤波； 根据步骤20)的预设参数，基于MATLAB平台生成FIR凯塞窗低通滤波器，并对动应变样 本进行滤波，程序基于MATLAB平台与程序语言，动应变样本滤波后即为结构局部静应变； 步骤40)：测定结构局部应变的动力系数； 利用步骤30)中生成的结构局部静应变(filteringdata)与采集的结构局部动应变样 本(data)，通过式(4)测定结构局部应变的动力系数：
式中，max(data)表示动应变样本的绝对值最大值，max(filteringdata)表示样本滤波 后所得的静应变的绝对值最大值，m表示动应变样本平直段均值。
2.根据权利要求1所述一种应变动力系数的测定方法，其特征在于：步骤30)，程序代码 如下： [N,Wn,beta,ftype]＝kaiserord(fcuts,mags,dev,fs)；％生成滤波器参数 lbq＝fir1(N,Wn,ftype,kaiser(N+1,beta))；％生成滤波器 filteringdata＝filter(lbq,1,data)；％对用应变样本进行滤波。
3.根据权利要求1所述一种应变动力系数的测定方法，其特征在于：由于经FIR滤波器 滤波后的信号存在相位延迟，因此滤波后的信号(filteringdata)需要去掉前N/2个数据 点，以消除相位延迟影响。
1.一种应变动力系数的测定方法，其特征在于，该测定方法包括如下步骤： 步骤10)：采集动应变样本： 将光栅应变计配接到温度采集系统中，然后利用光栅应变计对测点的局部动应变进行 采集，光栅应变计将获取的测点动应变信息传递到应变采集系统中，形成动应变样本，动应 变样本包含列车作用下不同时刻对应的应变值； 步骤20)：设计FIR凯塞窗滤波参数； 由于光栅应变计采集的动应变中振动成分相对静应变成分为高频信号，通过式(1)设 定窗函数的理想滤波器幅度为理想低通滤波： mags＝[1,0](1) 根据桥梁结构整体的第一阶固有频率和测点所在构件的第一阶固有频率，利用式(2) 确定FIR凯塞窗低通滤波器的过度带： 式中，fc为凯塞窗低通滤波器的截止频率，Δf是凯塞窗低通滤波器过渡带带宽，ls表示 桥梁的跨径，v表示行过桥梁的汽车或者火车的车速，fb为桥梁结构整体的第一阶固有频 率，fcp为桥梁测点构件的第一阶固有频率，fc+Δf的必须取值小于fb和fcp中的较小值； 定义通带衰减Ap与阻带衰减As，并将其转化为凯FIR塞窗滤波器能够识别的波纹参数， 即波纹，根据式(3)计算波纹：
式中，Ap为通带衰减，通常情况下设为1；As为阻带衰减，通常情况下设为10～80dB，具体 情况视采集信号质量而定； 步骤30)：生成FIR凯塞窗低通滤波器参数，对动应变样本进行滤波； 根据步骤20)的预设参数，基于MATLAB平台生成FIR凯塞窗低通滤波器，并对动应变样 本进行滤波，程序基于MATLAB平台与程序语言，动应变样本滤波后即为结构局部静应变； 步骤40)：测定结构局部应变的动力系数； 利用步骤30)中生成的结构局部静应变(filteringdata)与采集的结构局部动应变样 本(data)，通过式(4)测定结构局部应变的动力系数：
式中，max(data)表示动应变样本的绝对值最大值，max(filteringdata)表示样本滤波 后所得的静应变的绝对值最大值，m表示动应变样本平直段均值。
2.根据权利要求1所述一种应变动力系数的测定方法，其特征在于：步骤30)，程序代码 如下： [N,Wn,beta,ftype]＝kaiserord(fcuts,mags,dev,fs)；％生成滤波器参数 lbq＝fir1(N,Wn,ftype,kaiser(N+1,beta))；％生成滤波器 filteringdata＝filter(lbq,1,data)；％对用应变样本进行滤波。
3.根据权利要求1所述一种应变动力系数的测定方法，其特征在于：由于经FIR滤波器 滤波后的信号存在相位延迟，因此滤波后的信号(filteringdata)需要去掉前N/2个数据 点，以消除相位延迟影响。
翻译：技术领域
本发明是一种应变动力系数的测定方法，具体来说，涉及一种基于测量的动应变 样本确定结构局部动力系数的测定方法。
背景技术
在桥梁结构的设计、维护、安全评估与加固过程中，通常采用所谓“动力系数”来表 征列车作用下桥梁结构振动的剧烈程度。其定义为：列车运行对结构产生的动态反应(动态 挠度或应力)对静态反应(静态挠度或应力)之比。如果动力系数使用不当将极大地影响桥 梁建造与维护的经济指标。动力系数一般由桥梁主结构在列车载荷作用下的总体动力响应 导出，而桥梁之上一些构件所受到的局部振动冲击作用不容忽视，由振动引起桥梁结构局 部应力需要精确标定。在桥梁应力测量过程中，所获得的通常只有局部的动应变时程样本。 因此，通过信号处理手段从动应变样本中提取静应变时程，并最终标定动力系数值的测定 方法研究，具有十分重要的意义。
目前，各土木、建筑领域对基于动应变采集样本测定应变动力系数的手段，共有以 下几种方法：(1)经验识别法：基于采集的动应变样本，通过经验确定结构局部位置静应变 时程，以采集样本的动应变峰值除以经验所得的静应变峰值来确定动力系数，此方法需要 从业者有较丰富的经验与知识，准确性较差；(2)理论计算和假设法：此法需要事先建立桥 梁结构力学计算模型或有限元计算模型，并通过计算得到与采集样本相同荷载作用下结构 局部静应变时程，最后以采集样本的动应变峰值除以计算得到的静应变峰值来确定动力系 数，此方法依赖于计算模型的准确性，可行性较差；(3)小波包分解法：此法对采集的动应变 样本进行小波包分解，并选取小波包中的低频成分作为静应变时程曲线，以采集样本的动 应变峰值除以由小波包分解的低频成分所得的静应变峰值来确定动力系数，此方法需要从 业者有较丰富的小波包方面与信号处理方面的知识，适用性较差；因此，基于动应变采集样 本的结构局部动力系数的测定，有必要研究一种可行性好、准确性高、适用性强的新方法。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种结构局部应变动力 系数的测定方法，采用FIR凯塞窗滤波器将采集的动应变样本中高频的振动信号滤除，得到 低频的静应变信号，该测定方法可以准确测定局部应变的动力系数。
技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种应变动力系数的测定方法，其特征在于，该测定方法包括如下步骤：
步骤10)：采集动应变样本：
将光栅应变计配接到温度采集系统中，然后利用光栅应变计对测点的局部动应变 进行采集，光栅应变计将获取的测点动应变信息传递到应变采集系统中，形成动应变样本， 动应变样本包含列车作用下不同时刻对应的应变值；
步骤20)：设计FIR凯塞窗滤波参数；
由于光栅应变计采集的动应变中振动成分相对静应变成分为高频信号，通过式 (1)设定窗函数的理想滤波器幅度为理想低通滤波：
mags＝[1,0](1)
根据桥梁结构整体的第一阶固有频率和测点所在构件的第一阶固有频率，利用式 (2)确定FIR凯塞窗低通滤波器的过度带：
过渡带：fcuts＝[fc，fc+Δf]
式中，fc为凯塞窗低通滤波器的截止频率，Δf是凯塞窗低通滤波器过渡带带宽，ls表示桥梁的跨径，v表示行过桥梁的汽车或者火车的车速，fb为桥梁结构整体的第一阶固有 频率，fcp为桥梁测点构件的第一阶固有频率，fc+Δf的必须取值小于fb和fcp中的较小值；
定义通带衰减Ap与阻带衰减As，并将其转化为凯FIR塞窗滤波器能够识别的波纹参 数，即波纹，根据式(3)计算波纹：
式中，Ap为通带衰减，通常情况下设为1；As为阻带衰减，通常情况下设为10～80dB， 具体情况视采集信号质量而定；
步骤30)：生成FIR凯塞窗低通滤波器参数，对动应变样本进行滤波；
根据步骤20)的预设参数，基于MATLAB平台生成FIR凯塞窗低通滤波器，并对动应 变样本进行滤波，程序代码如下：
[N,Wn,beta,ftype]＝kaiserord(fcuts,mags,dev,fs)；％生成滤波器参数
lbq＝fir1(N,Wn,ftype,kaiser(N+1,beta))；％生成滤波器
filteringdata＝filter(lbq,1,data)；％对用应变样本进行滤波
程序基于MATLAB平台与程序语言，动应变样本滤波后即为结构局部静应变；
步骤40)：测定结构局部应变的动力系数；
利用步骤30)中生成的结构局部静应变(filteringdata)与采集的结构局部动应 变样本(data)，通过式(4)测定结构局部应变的动力系数：
式中，max(data)表示动应变样本的绝对值最大值，max(filteringdata)表示样本 滤波后所得的静应变的绝对值最大值，m表示动应变样本平直段均值；由于经FIR滤波器滤 波后的信号存在相位延迟，因此滤波后的信号(filteringdata)需要去掉前N/2个数据点， 以消除相位延迟影响。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)准确测定结构局部应变的动力系数。本发明基于MATLAB平台与程序语言，根据 结构局部动应变样本的信号时程曲线，提供了结构局部应变的动力系数的测定方法。由于 在桥梁结构的应变采集过程中，通常无法获得测点局部静应变时程，而结构的动应变信号 相对于静应变属于高频成分，保证了本发明的理论的正确性，动力系数测定过程物理意义 明确。另外，本发明通过滤波器截止频率和过度段的设定，控制测量结果的精度。截止频率 和过度段的有效设定，保证了测定的结果的精确。
(2)该测定方法简单实用，具有很好的可行性。本发明的测定方法简单实用，具有 很好的可行性，而且弥补了现有技术中采用经验识别法、理论计算和假设法以及小波包分 解法的缺陷。同时，本发明的测定方法可适用于桥梁结构各个部位的局部应变动力系数的 测定，使得本方法在用于测定结构局部应变的动力系数时更加具有可行性、准确性和适用 性，可得到广泛推广和应用。
附图说明
图1为本发明实施例采集的一次列车通过时桥梁结构弦杆动应变历时曲线。
图2为本发明实施例样本滤波后桥梁结构弦杆静应变历时曲线。
图3为本发明实施例动力系数计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明采用一种应变动力系数的测定方法，该测定方法包括如下步骤：
步骤10)：采集动应变样本：
将光栅应变计配接到温度采集系统中，然后利用光栅应变计对测点的局部动应变 进行采集，光栅应变计将获取的测点动应变信息传递到应变采集系统中，形成动应变样本， 动应变样本包含列车作用下不同时刻对应的应变值；
步骤20)：设计FIR凯塞窗滤波参数；
由于光栅应变计采集的动应变中振动成分相对静应变成分为高频信号，通过式 (1)设定窗函数的理想滤波器幅度为理想低通滤波：
mags＝[1,0](1)
根据桥梁结构整体的第一阶固有频率和测点所在构件的第一阶固有频率，利用式 (2)确定FIR凯塞窗低通滤波器的过度带：
过渡带：fcuts＝[fc，fc+Δf]
式中，fc为凯塞窗低通滤波器的截止频率，Δf是凯塞窗低通滤波器过渡带带宽，ls表示桥梁的跨径，v表示行过桥梁的汽车或者火车的车速，fb为桥梁结构整体的第一阶固有 频率，fcp为桥梁测点构件的第一阶固有频率，fc+Δf的必须取值小于fb和fcp中的较小值；
定义通带衰减Ap与阻带衰减As，并将其转化为凯FIR塞窗滤波器能够识别的波纹参 数，即波纹。根据式(3)计算波纹：
式中，Ap为通带衰减，通常情况下设为1；As为阻带衰减，通常情况下设为10～80dB， 具体情况视采集信号质量而定。
步骤30)：生成FIR凯塞窗低通滤波器参数，对动应变样本进行滤波；
根据步骤20)的预设参数，基于MATLAB平台生成FIR凯塞窗低通滤波器，并对动应 变样本进行滤波，程序代码如下：
[N,Wn,beta,ftype]＝kaiserord(fcuts,mags,dev,fs)；％生成滤波器参数
lbq＝fir1(N,Wn,ftype,kaiser(N+1,beta))；％生成滤波器
filteringdata＝filter(lbq,1,data)；％对用应变样本进行滤波
程序基于MATLAB平台与程序语言，动应变样本滤波后即为结构局部静应变；
步骤40)：测定结构局部应变的动力系数；
利用步骤30)中生成的结构局部静应变(filteringdata)与采集的结构局部动应 变样本(data)，通过式(4)测定结构局部应变的动力系数：
式中，max(data)表示动应变样本的绝对值最大值，max(filteringdata)表示样本 滤波后所得的静应变的绝对值最大值，m表示动应变样本平直段均值，需注意的是由于经 FIR滤波器滤波后的信号存在相位延迟，因此滤波后的信号(filteringdata)需要去掉前N/ 2个数据点，以消除相位延迟影响。
实施例
下面以南京大胜关长江大桥主拱圈上弦杆的动应变采集样本为例，说明本发明的 具体实施过程。
利用光栅应变计得到钢桁拱桥主拱圈某弦杆测点在2015年3月6日某次列车通过 时的桥梁结构弦杆动应变样本data，其历时曲线如图1所示，在图1中，纵坐标表示应变，单 位为微应变(με)；横坐标表示时间点，单位：秒，光栅应变计每秒采集50个应变值；设定凯塞 窗滤波器幅度为理想低通滤波mags＝[1,0]，根据桥跨长度、行车速度、桥梁结构整体的第 一阶固有频率和测点所在构件的第一阶固有频率，确定FIR凯塞窗低通滤波器的过度带 fcuts，计算凯塞窗滤波器波纹dev；根据预设参数，基于MATLAB平台生成FIR凯塞窗低通滤 波器，并对动应变样本(data)进行滤波,生成局部静应变信号filteringdata，局部静应变 历时曲线如图2所示，在图2中，纵坐标表示应变，单位为微应变(με)；横坐标表示时间点，单 位：秒；提取动应变历时曲线的最大值、静应变历时曲线的最大值，计算动应变平直段均值， 最终测定南京大胜关长江大桥主拱圈上弦杆应变的动力系数为：1.0787，示意图如图3。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。
