基于智能手機(jī)的無線索力測量方法

趙雪峰， 丁言兵， 韓瑞聰， 喻　言， 胡偉通， 官泉華， 毛幸全， 焦　棟， 李明楚， 歐進(jìn)萍,4

(1.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連　116024； 2.大連理工大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連　116024；3.大連理工大學(xué) 軟件學(xué)院，遼寧 大連　116020； 4.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱　150090)

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基于智能手機(jī)的無線索力測量方法

趙雪峰1， 丁言兵1， 韓瑞聰1， 喻言2， 胡偉通3， 官泉華3， 毛幸全2， 焦棟3， 李明楚3， 歐進(jìn)萍1,4

(1.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連116024； 2.大連理工大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連116024；3.大連理工大學(xué) 軟件學(xué)院，遼寧 大連116020； 4.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱150090)

索力測量是橋梁健康監(jiān)測的重要測試項(xiàng)目，而傳統(tǒng)的索力檢測手段一般具有安裝布線不便、成本高昂以及需專業(yè)人員操作等缺點(diǎn)，為此，為方便現(xiàn)場測量，提高測量效率，提出了一種基于智能手機(jī)的索力便攜式檢測方法。首先，根據(jù)頻率法的測量原理設(shè)計(jì)了基于蘋果手機(jī)系統(tǒng)的Orion CC索力測量軟件；其次，將該方法與壓電式加速度傳感器索力測試方法作對比，測試結(jié)果可靠性高；最后，在實(shí)橋中應(yīng)用，可操作性強(qiáng)、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好。該基于手機(jī)的無線索力測量方法具有易操作、便捷、高效等優(yōu)點(diǎn)，易于在橋梁結(jié)構(gòu)檢測工程中推廣。

健康監(jiān)測；振動(dòng)頻率法；索力測量；手機(jī)軟件；獵戶座云細(xì)胞

拉索是斜拉橋和懸索橋等索類結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件之一，無論是對于成橋還是對于在建橋梁，拉索索力的變化都將對結(jié)構(gòu)整體受力和變形產(chǎn)生較大的影響，因而索力測試也成為評估該類結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的一個(gè)重要監(jiān)測內(nèi)容和評判依據(jù)[1-2]。

拉索索力測量的方法有多種，在工程應(yīng)用中常用的測定方法有油壓表讀數(shù)法、傳感器測定法以及振動(dòng)頻率法[3]。由于前兩種方法一般僅適用于拉索張拉時(shí)的索力測定，很難對已張拉索的索力進(jìn)行復(fù)測，應(yīng)用受到限制。而振動(dòng)頻率法則能適用于多種工況，設(shè)備可重復(fù)使用，且測量精度能滿足工程應(yīng)用要求，因此被廣泛應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的索力測量儀器開發(fā)周期長，且不能提供良好的人機(jī)交互界面，同時(shí)儀器多采用有線通信方式，現(xiàn)場安裝布線不方便，工作效率低[4]。

近些年來，智能手機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，其數(shù)據(jù)存儲和處理能力也得到極大的提升，同時(shí)智能手機(jī)往往內(nèi)置高性能的傳感器，這為其在除通信以外的其他方面應(yīng)用提供了可能，如運(yùn)動(dòng)信息統(tǒng)計(jì)[5],心率振動(dòng)信息調(diào)查[6]，地震監(jiān)測調(diào)查[7-8]以及2012年喻言和趙雪峰等[9]提出的手機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的初步想法等。為此，本文基于振動(dòng)頻率法的索力測量原理，通過調(diào)用手機(jī)內(nèi)置的加速度傳感器，提出了基于智能手機(jī)無線索力測量方法。該索力測量方法具有高效便捷、易操作、界面友好等優(yōu)點(diǎn)，易在工程中推廣使用。

1　振動(dòng)頻率法測試原理

在基于振動(dòng)頻率法的索力測量系統(tǒng)中，首先通過數(shù)據(jù)采集模塊采集拉索在外界激勵(lì)下的振動(dòng)加速度信號，然后通過濾波放大處理并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)應(yīng)用程序解析處理可得到采集數(shù)據(jù)并顯示振動(dòng)曲線，再將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換得到功率譜并顯示功率譜曲線，最后合理拾取功率譜中的峰值頻率計(jì)算索力值。其中，根據(jù)工況對索力與頻率間擬合關(guān)系的合理選擇將是獲得實(shí)測索力的首要步驟[10-12]。

拉索索力測定的理論基礎(chǔ)是弦振動(dòng)理論，當(dāng)不考慮拉索剛度、垂度、斜度、溫度及非理想邊界條件時(shí),拉索索力與基頻之間的關(guān)系[13-14]為:

(1)

式中:T為拉索張力；m為拉索單位長度質(zhì)量；l為索長；f1為拉索的基頻。

研究表明[15]，對于60 m以上的長索，用式(1)進(jìn)行索力計(jì)算即能獲得工程上滿意的結(jié)果，故式(1)通常作為振動(dòng)頻率法測定索力的簡化計(jì)算公式。

但是拉索的基頻往往難以直接獲得。當(dāng)拉索的長細(xì)比較大時(shí)，拉索各階自振頻率應(yīng)是基頻的整數(shù)倍，頻率差可認(rèn)為基本不改變，工程中常選擇兩相鄰峰值頻率間的差值作為基頻或者多個(gè)峰值頻率經(jīng)平均后確定基頻。即如式(2)所示：

f1=Δf=fn-fn-1,(n=2,3,4,…)

(2)

則式(1)又可寫成如下形式：

T=4ml2(Δf)2

(3)

而智能手機(jī)往往內(nèi)置加速度傳感器，并且具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和存儲功能，基于此，本研究在調(diào)用手機(jī)內(nèi)置的傳感器系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)相應(yīng)的無線索力測量軟件Orion CC (Orion Cloud Cell，獵戶座云細(xì)胞)，實(shí)現(xiàn)了索力的快速高效測量。

2　Orion CC無線索力測量軟件簡介

Orion CC是基于振動(dòng)頻率法開發(fā)的一種手機(jī)客戶端的無線索力測量軟件，通過調(diào)用手機(jī)內(nèi)置的加速度傳感器實(shí)現(xiàn)加速度數(shù)據(jù)的采集，并通過軟件的編寫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的后期處理分析，顯示相應(yīng)的加速度時(shí)程曲線和功率譜曲線，在人工點(diǎn)選相應(yīng)的峰值頻率后自動(dòng)計(jì)算出相應(yīng)的頻差，根據(jù)式(3)輸入相應(yīng)的拉索信息參數(shù)(索長l和單位長度索的質(zhì)量m)即可計(jì)算出索力值。目前所開發(fā)的軟件支持蘋果手機(jī)系統(tǒng),已在Apple Store上架并可免費(fèi)下載應(yīng)用。 軟件各個(gè)模塊的功能介紹見圖1。在參數(shù)設(shè)置界面中，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集時(shí)長、采集頻率、采集方式以及建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件名等，采集方式可以選擇自動(dòng)采集以及閾值采集。其中加速度閾值選項(xiàng)是為了防止手機(jī)設(shè)備在固定過程中因受到擾動(dòng)而影響數(shù)據(jù)采集，相應(yīng)的閾值大小可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。

圖1　Orion CC各功能模塊介紹Fig.1　Function introduction of Orion CC

另外，Orion CC索力測試軟件同時(shí)具有現(xiàn)場拍照和地理位置定位功能，為工程實(shí)際索力測試提供了方便。參數(shù)設(shè)置后便可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，數(shù)據(jù)采集結(jié)束后自動(dòng)顯示相應(yīng)的加速度時(shí)程曲線和頻譜圖。其中值得注意的是，在頻譜圖中需要手動(dòng)點(diǎn)選至少三個(gè)連續(xù)的峰值頻率點(diǎn)，為后續(xù)索力計(jì)算獲取相應(yīng)的頻差數(shù)據(jù)；同時(shí)，通過人工參與的方式可以更好的根據(jù)實(shí)際情況對數(shù)據(jù)進(jìn)行取舍。在獲得頻譜圖后，應(yīng)盡量采用低階頻率來計(jì)算頻差和索力，當(dāng)主頻階次采用10階以下時(shí)，索力的測量誤差較小[16]。輸入拉索基本信息即可進(jìn)行索力求解，相應(yīng)的功能界面見圖2。該無線索力測量系統(tǒng)同時(shí)具備數(shù)據(jù)上傳功能，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享，為后期監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支持。

圖2　主要功能界面Fig.2　Main function interface of Orion CC

相應(yīng)的操作過程比較簡單，在建立相應(yīng)的工程任務(wù)后，進(jìn)行簡單的設(shè)置即可將手機(jī)固定于拉索上進(jìn)行索力測量工作。應(yīng)用該方法測量拉索索力效率極高，且便捷易操作，通過智能手機(jī)即可完成索力測試全部工作，節(jié)約了常規(guī)的試驗(yàn)儀器等費(fèi)用支出，具有很好的工程應(yīng)用前景。

3　手機(jī)傳感器測量精度驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)室橋索模型選用大連理工大學(xué)智能結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的斜拉索。拉索單位長度質(zhì)量為1.01 kg/m，索長為11.3 m，彈性模量為1.95×1011Pa，拉索與水平面的夾角為19.47°。試驗(yàn)中將兩個(gè)壓電式加速度傳感器和iPhone4s同時(shí)固定在拉索1/4處，每次測試過程中均給予兩次人工激勵(lì)，重復(fù)多次測試。試驗(yàn)結(jié)束后用MATLAB分別對基于iPhone4s和基于壓電式加速度傳感器采集到的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到相應(yīng)的加速度時(shí)程曲線和經(jīng)快速傅里葉變換后的功率譜曲線，選取其中一組測試結(jié)果分別見圖3和圖4。

圖4　頻譜圖Fig.4　Power spectrum density

拾取頻譜圖中的峰值頻率得到頻差，由式(5)計(jì)算出相應(yīng)的索力值。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1　拉索試驗(yàn)結(jié)果對比

由圖3和圖4可知，基于智能手機(jī)的無線索力監(jiān)測的數(shù)據(jù)結(jié)果與常規(guī)的壓電式加速度傳感器測試結(jié)果基本吻合，從表1可知，最大的測試誤差發(fā)生在2#壓電式加速度傳感器和iPhone4s之間，索力誤差僅為0.137%，說明本文所提出方法的可靠性。

另外，測試中也對不同型號的iPhone手機(jī)(iPhone4s與iPhone5s)以及同型號(iPhone4s)的不同手機(jī)進(jìn)行了對比測試。在試驗(yàn)過程中我們發(fā)現(xiàn)，不同型號的iPhone手機(jī)測試結(jié)果數(shù)據(jù)穩(wěn)定性都很好，且與常規(guī)檢測方法相比誤差均很小，但是高配置的iPhone手機(jī)的測試結(jié)果略優(yōu)于同等條件下低配置的手機(jī)。而相同型號的不同手機(jī)對比結(jié)果基本保持一致。

在保證準(zhǔn)確性的前提下，相比于常規(guī)的索力測試方法，基于智能手機(jī)的測試方法無需復(fù)雜的布線和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，同時(shí)操作簡單高效，普通技術(shù)人員即可完成相應(yīng)操作，從而在提高效率的同時(shí)也降低了實(shí)驗(yàn)儀器和人工成本的投入，具有顯著優(yōu)勢。

4　工程現(xiàn)場測試

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證對比，基于智能手機(jī)的索力測試方法的可靠性和準(zhǔn)確性得到證明，接下來利用該方法對星海灣跨海大橋?qū)嶋H橋梁拉索索力進(jìn)行測試，來驗(yàn)證該方法在實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)用性。

星海灣跨海大橋位于遼寧省大連市，是東北地區(qū)最長的跨海大橋工程，中國首座海上地錨懸索式跨海大橋，大橋全長5 898 m，雙層雙向八車道，主橋?yàn)殡p塔三跨地錨式懸索橋,跨度布置為180 m+460 m+180 m。

由于該橋拉索眾多，本次測試僅以18#橋索為例進(jìn)行索力測試。18#包括兩根拉索(18#_E 和18#_W)，索長為68.18 m，每延米拉索質(zhì)量為24.4 kg/m。該測試使用的是iPhone5s，每根拉索連續(xù)測試3次，每次測試時(shí)長取默認(rèn)值60 s。因?yàn)槭謾C(jī)與待測結(jié)構(gòu)間的固定松緊程度將會(huì)影響到振動(dòng)測試的效果，所以，本文選用手機(jī)套對手機(jī)裝置進(jìn)行尼龍扣搭接綁固，手機(jī)套前面層為透明軟膠體，可直接對手機(jī)進(jìn)行觸屏操作，測試現(xiàn)場見圖5和圖6。

圖5　測試現(xiàn)場操作Fig.5　Field operation on Xinghai Bay Cross-sea Bridge

圖6　測試裝置實(shí)拍圖Fig.6　Scene drawing of cable force test

測試結(jié)束后，在相應(yīng)的的工程項(xiàng)目中找到所對應(yīng)的數(shù)據(jù)文件，即可獲得相應(yīng)的加速度時(shí)程曲線和頻譜圖，在頻譜圖中手動(dòng)點(diǎn)選合適的連續(xù)峰值頻率，輸入相應(yīng)的拉索基本參數(shù)即可完成索力測量工作，測試結(jié)果見表2。

表2　18#拉索現(xiàn)場測試結(jié)果

從表2可知，18#_E和18#_W兩根索的索力測量值最大偏差分別為0.70%和1.89%，而兩個(gè)拉索雖然屬于同一拉索編號序列，但是因?yàn)殄^固位置的不同索力值也有所差異。從該實(shí)際工程測試結(jié)果中不難發(fā)現(xiàn)基于智能手機(jī)的無線索力測量方法的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，值得在工程中推廣應(yīng)用。并且，該無線測量方法的可操作性強(qiáng)，手機(jī)操作界面比較友好，設(shè)備安裝也極為方便，測試過程簡單且耗時(shí)短，從而極大的提升了測量效率。同時(shí)，該方法省去了常規(guī)檢測方法中專業(yè)技術(shù)人員和專業(yè)作業(yè)設(shè)備等的必要需求，僅用身邊的智能手機(jī)即可完成索力測量工作，極大的降低了成本。

5　結(jié)　論

本文從智能手機(jī)在現(xiàn)在社會(huì)中普遍使用的事實(shí)出發(fā)，基于振動(dòng)頻率法索力測量原理，開發(fā)了工程適用性強(qiáng)的無線索力測量系統(tǒng)。在與常規(guī)的索力測試方法對比試驗(yàn)中，兩種方法相對誤差很小，說明該索力測量方法的可靠性。將該方法運(yùn)用到大連星海灣跨海大橋?qū)崪y中，實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果穩(wěn)定性好，且測試效率高、可操作性強(qiáng)，說明該索力測量方法在工程上的實(shí)用性。該方法具有簡單易操作、界面友好、測量效率高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好、節(jié)約成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工程應(yīng)用中具有很大潛力。

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Smartphone-based wireless cable tension measurement method

ZHAO Xuefeng1, DING Yanbing1, HAN Ruicong1, YU Yan2, HU Weitong3, GUAN Quanhua3, MAO Xingquan2, JIAO Dong3, LI Mingchu3, OU Jinping1,4

(1. School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;2. School of Electronic Science and Technique, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;3. School of Software Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116020, China;4. School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

Cable tension measurement is an important test item in bridge health monitoring. However, the traditional cable tension test methods have the disadvantages of inconvenience in installation and cabling, high cost and requirement of professional operation. Therefore, for facilitating the field measurement and improving the efficiency of measurement, a smartphone-based portable cable tension test method was proposed. According to the principle of vibration-frequency measurement, an iPhone-based cable tension measurement software by the name of Orion CC was designed. A contrast experiment between the measurements of cable force by piezoelectric accelerometer and smartphone was carried out to verify its reliability. The application in actual bridges also demonstrates its strong maneuverability and data stability. Compared with the conventional method, the smartphone-based wireless cable tension measurement method shows its advantages such as easy operation, convenience and efficiency, which is easy to be popularized in bridge structure detection.

structural health monitoring; vibration-frequency method; cable tension; mobile software; Orion CC

十二五國家科技支撐計(jì)劃(2011BAK02B01 )

2015-07-20修改稿收到日期：2015-09-29

趙雪峰 男，博士，教授，1977年生

U446.1

A DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.14.024