本發(fā)明涉及一種基于低頻截?cái)嗟慕Y(jié)構(gòu)振動(dòng)位移頻域積分方法，屬于結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、振動(dòng)位移指的是物體在振動(dòng)時(shí)離開它平衡位置的最大移動(dòng)距離。在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，振動(dòng)位移是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)，它反映了結(jié)構(gòu)在受到外部力或激勵(lì)作用下的振動(dòng)情況，與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全性和耐久性密切相關(guān)，因此監(jiān)測振動(dòng)位移對(duì)于確保結(jié)構(gòu)的安全可靠性具有重要意義。

2、監(jiān)測結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移存在不同的方法。常見的接觸式位移傳感器精度較高，但監(jiān)測設(shè)備價(jià)格昂貴、受傳感器安裝位置以及空間的限制。典型的非接觸式方法如激光位移傳感器測量范圍廣精度高，但使用過程中存在多次維護(hù)和校準(zhǔn)等缺點(diǎn)，而加速度信號(hào)比較容易測量且加速度與位移之間存在著積分運(yùn)算關(guān)系。故測量結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移可以采用安裝加速度傳感器測得加速度信號(hào)，通過積分得到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移時(shí)程。

3、目前，加速度信號(hào)采用的傳統(tǒng)的積分方法有時(shí)域積分(辛普森積分法，二階中心差分法)和頻域積分。周小祥[等人通過時(shí)域積分得到位移，并利用最小二乘法消除該過程中容易產(chǎn)生的趨勢項(xiàng)，但是波形修正的方法會(huì)使有效信號(hào)得到淹沒。lee等人提出了一種適用于低頻主導(dǎo)結(jié)構(gòu)的加速度積分位移方案，該方案引入了重疊的時(shí)間窗口，以提高重建位移的精度，抑制低頻噪聲，然而當(dāng)目標(biāo)頻率被設(shè)置得相對(duì)較低時(shí)，在頻域中容易發(fā)生振蕩。leeh?s等人提出了fdm-fir濾波器，與傳統(tǒng)積分方法不同，它們使用嶺回歸來解決秩虧問題，fdm-fir濾波器僅在時(shí)域中執(zhí)行積分運(yùn)算，減少了傳統(tǒng)濾波器的時(shí)頻域轉(zhuǎn)換過程，提高了計(jì)算效率，然而，正則化系數(shù)的確定僅依賴于經(jīng)驗(yàn)公式，缺乏足夠的理論依據(jù)。park等研究了初始速度和初始位移對(duì)加速度積分位移的影響，采用高通濾波器減小積分誤差，對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行分段積分，但需要對(duì)被測系統(tǒng)的位移波形有更多的了解，難以應(yīng)用于位移未知的系統(tǒng)。周英杰在多種積分方法的理論推演中，提出了多種算法的理論展示，分析了積分控制參數(shù)的選擇對(duì)積分結(jié)果的影響，其中“低頻衰減積分算法”對(duì)加速度信號(hào)未進(jìn)行全程修正但僅對(duì)加速度峰值誤差進(jìn)行修正，未對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行全程修正，導(dǎo)致加速度誤差較大，積分后得到的位移信號(hào)誤差偏大。郭翔鷹等針對(duì)帶噪聲加速度信號(hào)的積分問題，將最小二乘移動(dòng)平均法與濾波器相結(jié)合，通過多次平滑、濾波和積分來減少隨機(jī)誤差的影響。與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)相比，獲得的積分位移信號(hào)具有較大的初始值誤差，并且仍然存在幅度差異。上述幾種方法不能很好解決低頻干擾信號(hào)對(duì)位移時(shí)程的影響，低頻信號(hào)積分會(huì)明顯出現(xiàn)“漂移”現(xiàn)象，對(duì)加速度信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效預(yù)處理成為關(guān)鍵所在。

4、由此通過上述分析可知，實(shí)際監(jiān)測的加速度信號(hào)存在噪聲的干擾，隨著時(shí)間的積累，積分后的位移出現(xiàn)顯著的“漂移”現(xiàn)象。因此，在結(jié)構(gòu)工程中如何減小趨勢項(xiàng)和低頻干擾信號(hào)帶來的誤差一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的主要難題。

5、有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種基于低頻截?cái)嗟慕Y(jié)構(gòu)振動(dòng)位移頻域積分方法，用以解決噪聲干擾和初值未知引起的趨勢項(xiàng)誤差較大的技術(shù)問題。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：

3、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種基于低頻截?cái)嗟慕Y(jié)構(gòu)振動(dòng)位移頻域積分方法，包括以下步驟：

4、s1、對(duì)加速度信號(hào)，進(jìn)行預(yù)處理得到修正后的加速度信號(hào)；

5、s2、對(duì)修正后的加速度信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，根據(jù)頻譜特性預(yù)設(shè)低頻清零截?cái)囝l率，以低頻清零的方式修正低頻干擾信號(hào)初始相位；

6、s3、采用低通濾波器去除高頻噪音，并對(duì)處理后的加速度信號(hào)一次頻域積分得到位移信號(hào)。

7、進(jìn)一步地，所述s1，具體為：對(duì)加速度信號(hào)，采用基于消除均值的基線校正方法去除直流分量，并通過最小二乘法的趨勢項(xiàng)擬合對(duì)加速度信號(hào)中的隨機(jī)信號(hào)干擾進(jìn)行消除，得到修正后的加速度信號(hào)。

8、進(jìn)一步地，所述s2，具體為：

9、對(duì)修正后的加速度信號(hào)使用傅立葉變換fft；經(jīng)過傅立葉變換和傅里葉快速逆變換，累加后的振動(dòng)位移表示為：

10、

11、式中，f-1表示傅里葉快速逆變換函數(shù)的符號(hào)，f(a(t))為加速度信號(hào)經(jīng)傅立葉變換后的頻域信號(hào)；

12、對(duì)累加后的振動(dòng)位移引入函數(shù)h(wk)，表達(dá)式為：

13、

14、式中，wk為角頻率。

15、進(jìn)一步地，所述函數(shù)h(wk)定義式為：

16、

17、式中，ft為低頻清零截?cái)囝l率。

18、進(jìn)一步地，所述采用低通濾波器去除高頻噪音，其濾波后的位移信號(hào)滿足如下關(guān)系式：

19、

20、式中，fs為上限截?cái)囝l率，wk為角頻率；f-1表示傅里葉快速逆變換函數(shù)的符號(hào)，f(a(t))為加速度信號(hào)經(jīng)傅立葉變換后的頻域信號(hào)。

21、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種終端，包括處理器、存儲(chǔ)器以及存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中并可在所述處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器被配置為執(zhí)行上述中任一項(xiàng)所述的基于低頻截?cái)嗟慕Y(jié)構(gòu)振動(dòng)位移頻域積分方法的步驟。

22、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明首先基于消除均值的基線校正方法去除直流分量，并通過最小二乘法擬合的方法進(jìn)行預(yù)處理得到修正的加速度信號(hào)；對(duì)修正后的加速度信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，根據(jù)頻譜特性選擇合適的頻率作為截?cái)囝l率，以低頻清零的方式修正初始相位解決初值未知的問題；采用低通濾波器去除高頻噪音，并對(duì)預(yù)處理后的加速度信號(hào)一次頻域積分得到位移信號(hào)。通過數(shù)值模擬和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明所提方法，結(jié)果表明所提方法積分得到位移精確度可達(dá)82.90％，具有較高精度，可為結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估提供技術(shù)支持。

技術(shù)特征：

1.一種基于低頻截?cái)嗟慕Y(jié)構(gòu)振動(dòng)位移頻域積分方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于低頻截?cái)嗟慕Y(jié)構(gòu)振動(dòng)位移頻域積分方法，其特征在于，所述s1，具體為：對(duì)加速度信號(hào)，采用基于消除均值的基線校正方法去除直流分量，并通過最小二乘法的趨勢項(xiàng)擬合對(duì)加速度信號(hào)中的隨機(jī)信號(hào)干擾進(jìn)行消除，得到修正后的加速度信號(hào)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于低頻截?cái)嗟慕Y(jié)構(gòu)振動(dòng)位移頻域積分方法，其特征在于，所述s2，具體為：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于低頻截?cái)嗟慕Y(jié)構(gòu)振動(dòng)位移頻域積分方法，其特征在于，所述函數(shù)h(wk)定義式為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于低頻截?cái)嗟慕Y(jié)構(gòu)振動(dòng)位移頻域積分方法，其特征在于，所述采用低通濾波器去除高頻噪音，其濾波后的位移信號(hào)滿足如下關(guān)系式：

6.一種終端，其特征在于，包括處理器、存儲(chǔ)器以及存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中并可在所述處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器被配置為執(zhí)行權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的基于低頻截?cái)嗟慕Y(jié)構(gòu)振動(dòng)位移頻域積分方法的步驟。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于低頻截?cái)嗟慕Y(jié)構(gòu)振動(dòng)位移頻域積分方法，屬于結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域。本發(fā)明首先基于消除均值的基線校正方法去除直流分量，并通過最小二乘法擬合的方法進(jìn)行預(yù)處理得到修正的加速度信號(hào)；對(duì)修正后的加速度信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，根據(jù)頻譜特性選擇合適的頻率作為截?cái)囝l率，以低頻清零的方式修正初始相位解決初值未知的問題；采用低通濾波器去除高頻噪音，并對(duì)處理后的加速度信號(hào)一次頻域積分得到位移信號(hào)。通過數(shù)值模擬和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明所提方法，結(jié)果表明所提方法積分得到位移精確度可達(dá)82.90％，具有較高精度，可為結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估提供技術(shù)支持。

技術(shù)研發(fā)人員：劉宇翔,林詣程,付曉艷
受保護(hù)的技術(shù)使用者：重慶交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/28