基于多阶模态振型拟合的索力光学测量方法及其测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多阶模态振型拟合的索力光学测量方法及其测量系统。所述方法首先通过非接触光学相机捕获拉索全场图像，采用基于自适应灰度加权质心法得到各目标点的动态位移响应；然后通过模态参数识别CMIF法，得到拉索各阶的频率和相应的模态振型曲线；接着基于已求得各测点位置和相应振型幅值，对各阶实测模态振型函数曲线进行最小二乘非线性拟合(NLSF)，识别振型的无量纲参数；最终结合拉索单位长度质量、各阶频率推算拉索索力大小。本发明专利技术致力于实桥应用，利用图像的非接触全场测量优势，可以提取拉索多个测点的振动响应。可以提取拉索多个测点的振动响应。可以提取拉索多个测点的振动响应。

【技术实现步骤摘要】
基于多阶模态振型拟合的索力光学测量方法及其测量系统


[0001]本专利技术属于结构健康监测及测量领域，更具体地说，涉及一种基于多阶模态振型拟合的索力光学测量方法及其测量系统。

技术介绍

[0002]作为斜拉桥、悬索桥、吊杆拱桥等重要受力构件的拉索，常由于较小的应力和应变变化，就会产生较大的位移，并导致其松弛和应力损失，正是由于这些特点，拉桥的索力检测在结构施工和使用阶段都具有较重要的意义。目前，在拉索索力测试中常用的方法有千斤顶压力表测定法、压力传感器测定法、磁通量测定法和振动频率法等。
[0003]传统振动频率法测量索力由于其设备可重复使用，而且其使用的仪器体积较小，便于携带，测定结果也较为准确，所以成为了应用最为广泛的索力测试方法。频率法一般运用经典弦振动理论，即不考虑拉索的自重和弯曲刚度，将其视作一根张紧的弦，此方法适用于较细长的拉索，但是对于较复杂的工况，比如弹性边界条件和中间多支承边界条件拉索以及抗弯刚度EI难以确定的索力求解，频率法无法满足工程精度的要求。
[0004]基于拉索模态振型的索力测量方法提供了一种新的思路，其回避了建立带有端部复杂边界的拉索分析模型建立以求解索力与频率关系的难题，从振型函数角度出发分析求解索力。模态振型法主要有两种思路。第一种思路从识别出来的拉索模态振型中提取多个测点的振幅，建立方程组求解索力。另一种思路是通过模态振型求解有效振动长度，又可分为局部有效长度和整体有效长度两类。局部有效长度又称半波法，其将3阶以上模态振型零幅度点间的距离作拉索计算长度代入到频率法索力计算式中，从而求得索力。
[0005]然而模态振型法测量索力目前还局限于实验室，在实际桥梁工程推广中遇到一些障碍，因为在一根拉索上的多个控制截面位置安装加速度传感器不仅成本巨大，人为安装十分困难，而且只监测五个测点误差巨大，一个测点出现误差就会导致索力识别失败，它是不具有实际工程应用价值的。

技术实现思路

[0006]本专利技术需要解决的技术问题是针对现有桥梁拉索索力测量技术存在的不足，而提供一种基于多阶模态振型拟合的索力光学测量方法及其测量系统。
[0007]一种基于多阶模态振型拟合的索力光学测量方法，包括如下步骤：
[0008]S1、图像采集：将相机架设于桥面或桥下测点位置，调整相机镜头聚焦至目标拉索，继而拍摄拉索在环境振动或则人为激励下的运动图像序列并保存；
[0009]S2、多点定位与标定：基于直线检测算法提取拉索的图像边界，通过拉索两条边界直线的数学表达式，得到测点位置附近的拉索宽度所占据的像素数量，根据公式
[0010]s＝Q/qi
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(1)
[0011]计算各测点的放大系数，其中s为图像像素位移换算至实际位移的放大系数，Q为拉索直径实际值，qi为第i测点位置对应的像素直径；
[0012]S3、多点位移提取：采用基于自适应阈值的灰度加权质心法，在测点附近选取兴趣计算区域，进行该区域的位移响应计算，最后提取多个测点的位移响应数据；基于S2中各测点的放大系数，将各个测点像素位移响应数据换算成实际位移；
[0013]S4、模态参数识别：基于实际振动响应数据，通过模态参数识别CMIF法，得到拉索各阶的频率和相应的振型曲线，并从振型曲线有序均匀提取多个测试点处的振型幅值；
[0014]S5、振型无量纲参数识别与索力计算：基于已求得各测点位置和相应振型幅值，对多阶实测模态振型函数曲线进行最小二乘非线性拟合NLSF，识别振型的无量纲参数；基于识别所得各阶模态振型无量纲参数，并结合各阶频率、单位长度质量m联立求解索力大小，从而消除抗弯刚度取值的影响。
[0015]所述S2中依赖于图像信息对各个测点进行定位和标定。实现了真正的非接触式测量。区别于传统的加速计，也区别于已有的在试验前预先在结构上人为设置特殊目标靶以及其它测距工具进行测点的定位和标定的图像方法，这在大跨桥梁的拉索测量中是不切实际的。因而，本专利技术具有更强的工程适用性。
[0016]所述S3中的灰度加权质心法直接追踪拉索表面景观灯靶等的现有特征。无需额外布置靶标，仅需用单个固定的CCD摄像机拍摄被测物体变形前后的数字图像，实验设备便携、易操作，实验过程简单。
[0017]所述S5中从振型曲线有序均匀提取多个测试点处的振型幅值，至少选取六个测点可来拟合真实的振型曲线。通过图像法获得多个测点的位移响应数据，测试速度快，效率高，成本低，避免了加速计安装困难的局限性。甚至基于图像法的优越性，图像选点可以选取远超最终用来提取振型幅值计算索力测点的数量，这样尽可能地拟合真实的振型曲线，避免了选取测点较少时少数测点偏差较大导致振型曲线偏差较大，以致索力测量不精的问题。
[0018]所述S5和S6中振型无量纲参数识别与索力计算步骤如下：
[0019]S51、假设拉索抗弯刚度为EI，单位长度质量为m，拉力为T，环境振动下，杆件结构的自由振动方程：
[0020][0021]其中，u(x,t)为t时刻位于x位置的横向位移反应；
[0022]S52、进一步推导可得索结构的振型函数为：
[0023][0024]其中：
[0025]四个常数c1～c4决定振动形状，a为常数，g为索力相关参数，显然，a2＝δ
×
ε,ε2‑
δ2＝g2；
[0026]S53、基于通过CMIF法获得多个测点的振型幅值后，对各阶实测模态振型函数曲线进行最小二乘法非线性拟合，识别得到各阶无量纲参数值δ；
[0027]S54、任意第i阶可得索力大小为：识别出第n阶后，利用各阶模态振型无量纲参数δ结果联立方程组消除抗弯抗刚度的影响，从而得到索力：
[0028][0029]其中，f
i
、f
j
为拉索第i和第j阶频率。
[0030]一种基于多阶模态振型拟合的索力光学测量系统，所述系统包括图像采集系统、定位与标定系统、基于图像的位移计算系统和索力求解系统；
[0031]所述图像采集系统，用于采集桥梁拉索在环境振动或人为激励下的运动图像序列；
[0032]所述定位与标定系统，包括基于直线检测算法推算测点的像素坐标和基于拉索两条边界直线的数学表达式推算测点的放大系数两部分；
[0033]所述基于图像的位移计算系统，用于将图片导入、选取计算区域、进行位移响应计算和基于测点放大系数最终换算成实际位移；
[0034]所述索力求解系统，基于实际位移响应数据，通过模态分析，得到拉索各阶的频率和相应的振型曲线，并对各阶实测模态振型函数曲线进行最小二乘非线性拟合，识别振型的无量纲参数，从而结合单位长度质量、各阶频率求解拉索索力。
[0035]根据本专利技术的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本专利技术的基于多阶模态振型拟合的索力光学测量方法中的步骤。
[0036]根据本专利技术的又一方面，提供了一种计算机设备，包括本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多阶模态振型拟合的索力光学测量方法，其特征在于，步骤为：S1、图像采集：将相机架设于桥面或桥下测点位置，调整相机镜头聚焦至目标拉索，继而拍摄拉索在环境振动或则人为激励下的运动图像序列并保存；S2、多点定位与标定：基于直线检测算法提取拉索的图像边界，通过拉索两条边界直线的数学表达式，得到测点位置附近的拉索宽度所占据的像素数量，根据公式s＝Q/qi
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(1)计算各测点的放大系数，其中s为图像像素位移换算至实际位移的放大系数，Q为拉索直径实际值，qi为第i测点位置对应的像素直径；S3、多点位移提取：采用基于自适应阈值的灰度加权质心法，在测点附近选取兴趣计算区域，进行该区域的位移响应计算，最后提取多个测点的位移响应数据；基于S2中各测点的放大系数，将各个测点像素位移响应数据换算成实际位移；S4、模态参数识别：基于实际振动响应数据，通过模态参数识别CMIF法，得到拉索各阶的频率和相应的振型曲线，并从振型曲线有序均匀提取多个测试点处的振型幅值；S5、振型无量纲参数识别与索力计算：基于已求得各测点位置和相应振型幅值，对多阶实测模态振型函数曲线进行最小二乘非线性拟合NLSF，识别振型的无量纲参数；基于识别所得各阶模态振型无量纲参数，并结合各阶频率、单位长度质量m联立求解索力大小，从而消除抗弯刚度取值的影响。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2中依赖于图像信息对各个测点进行定位和标定。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3中的灰度加权质心法直接追踪拉索表面景观灯靶的现有特征。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S5中从振型曲线有序均匀提取多个测试点处的振型幅值，至少选取六个测点可来拟合真实的振型曲线。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S5和S6中振型无量纲参数识别与索力计算步骤如下：S51、假设拉索抗弯刚度为EI，单位长度质量为m，拉力为T，环境振动下，杆件结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏子阳，王迎军，郑介文，张建，
申请(专利权)人：广东省交通集团有限公司，
类型：发明
国别省市：