一种移动振动测试装置及索力测试方法与流程

本发明涉及索力测试技术领域，特别涉及一种移动振动测试装置及索力测试方法。

背景技术：

索构件是土木工程中常用的受力构件，如斜拉桥中的斜拉索、悬索桥中的吊索、下承式拱桥中的吊杆、建筑中的索穹顶等，索构件通过张力参与整个结构受力，其受力状态直接关系到整个结构的安全性与可靠性，准确识别索构件的索力至关重要。

目前，索构件索力的测试方法主要有液压千斤顶测试法、压力传感器测试法、应变传感器测试法、磁通量传感器测试法、振动传感器测试法等。但在实际应用过程中，各方法均存在一定的不足。

(1)液压千斤顶测试法

在索构件安装过程中通常需要使用液压千斤顶对其进行张拉，此时通过读取液压千斤顶的液压表读数并根据公式换算，可得索构件的张拉索力。该方法无需额外测试仪器，具有原理简单、测试方便的优点。但该方法仅适用于索构件张拉阶段，在张拉结束后不适宜专门安装液压千斤顶进行索力测试。

(2)压力传感器测试法

在索构件安装过程中，可在索构件的锚固端安装压力传感器对索力进行测试。该方法直接对索力进行测量，具有测试精度高、测试结果稳定、易于实现在线测试等优点。但压力传感器造价昂贵，通常只在关键索构件上安装，不适用于大量索构件的索力测试。

(3)磁通量传感器测试法

在索构件上安装磁通量传感器，对置于磁场中的索构件钢材料的磁通量进行测量，根据磁通量密度与磁场强度可计算索构件磁导率，磁导率与钢材料的受力与温度相关，故可由磁导率变化量推算索力变化量。磁通量传感器具有构造简单、耐久性好等优点，且直接测量钢材料的磁通量，不受外层保护材料影响。但该方法只能测得索构件索力的变化量，需要在索构件安装阶段便开始跟踪测试，同时该方法的测试结果易受温度干扰。

(4)振动传感器测试法

由弦振动理论可知，索构件的振动频率与拉力、长度、质量以及刚度有关。在索构件上安装振动传感器，对索构件的横向振动进行测试，根据索的振动频率可以推算索的拉力。该方法成本低廉、操作简单，适用于安装、运营等各阶段的索力测试，在结构施工监控、荷载试验以及健康监测等领域具有广阔的应用空间。但该方法的测试结果受索构件两端的约束条件影响较大，通常假设索构件两端的约束条件为铰接或固接，仅使用索构件的振动频率来推算索的拉力，然而，索的振型同样与索的拉力存在对应关系，这种假设降低了索力测试结果的精度。

因此，考虑索的振动频率与振型可以实现对索两端约束条件的识别，在识别索两端约束条件后再对索力进行推算，可显著提高索力的测试精度。索的振型由两类分量组成，一类为正弦分量，一类为双曲分量。识别索两端约束条件的关键则在于精确分离上述两类分量。2018年，chen等人提出了基于多个振动传感器测试的索构件振型正弦分量的拟合方法，但该方法存在以下不足：

(a)需要在索构件上均匀布设多个振动传感器，存在安装困难的不足，尤其对于竖直安装的长索构件，在其上部安装振动传感器难以实现；

(b)布设振动传感器数量不足时，将严重降低索构件高阶正弦振型分量的拟合精度，布设足够数量的振动传感器又降低了该方法的经济效益；

(c)需要根据工程经验精准调整邻近索端部的振动传感器位置，才能保证正弦分量拟合的准确性，进而保证索力测试结果的正确性。邻近索端部的振动传感器布设位置，需要根据工程经验进行人为调整，给索力测试结果引入较大的人为干扰因素，极大地限制了该方法的推广应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种安装简便、测试精度高、易于推广应用的移动振动测试装置及索力测试方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种移动振动测试装置，包括本体、控制单元和存储单元。

所述本体上设有走行单元和测试单元，所述走行单元用于带动所述本体走行，所述测试单元包括振动传感器，所述振动传感器用于采集振动信号；

所述控制单元分别与所述走行单元、测试单元、存储单元相连接，所述控制单元用于控制所述走行单元、测试单元和存储单元；

所述存储单元用于存储所述振动信号。

本发明所述的移动振动测试装置设有走行单元，能够沿着索构件全长走行，从而通过一个测试装置就可以测得索构件全长的振动信号，避免了布设多个振动传感器并调整端部振动传感器位置所面临的位置精度问题，不仅提高了索构件端部约束条件及索力的识别结果精度，且减少了振动传感器数量，节约了测试成本，安装简便，易于推广应用。

优选的，所述走行单元包括电机和多个走行轮，所述电机用于驱动所述走行轮转动，所述走行轮用于带动所述本体走行，结构简单，便于安装。

优选的，所述本体为圆筒形结构，便于套设在索构件上。

优选的，所述本体为抱箍，由两个半圆环状构件组成，便于安装至索构件上。

优选的，所述本体的两个端面分别设有微动开关一和微动开关二，所述微动开关一、微动开关二均和所述控制单元相连接。

优选的，所述微动开关一和微动开关二均包括按钮、弹簧片和触头，所述按钮和触头之间通过弹簧片相连接。当按钮被按压时，弹簧片和触头相接触，从而发送电信号给控制单元。

优选的，所述电源单元分别和所述走行单元、测试单元、控制单元、存储单元相连接，所述电源单元用于给测试装置供电。

优选的，所述控制单元为单片机，所述存储单元包括闪存卡，所述电源单元包括电池和电源开关，所述电源开关用于接通或断开电力供应。

优选的，所述控制单元、存储单元和电源单元均设置在所述本体上，集成化设计，结构更加小型、轻便。当然，所述控制单元、存储单元和电源单元也可不设置在所述本体上，仅需与走行单元、测试单元相连接即可。

本发明还公开了一种索力测试方法，包括以下步骤：

步骤一：将所述的一种移动振动测试装置安装在索构件的一端；

步骤二：启动测试装置，走行单元带动本体沿着索构件走行至索构件的另一端，在走行过程中测试单元连续测试索构件振动，并将振动信号发送给控制单元，控制单元将测试时间和采集到的振动信号发送给存储单元进行存储；

步骤三：根据测试时间和走行单元的走行速度，将测得的时域振动信号转换成沿索构件长度方向的空间域振动信号；对空间域振动信号进行分解，得到索构件不同阶次的振动分量；对不同阶次振动分量进行处理，得到索构件各阶次的振动频率和正弦振型分量；基于索构件不同阶次的振动频率与正弦振型分量，对索构件两端约束条件进行识别，求得索构件的索力。

本发明所述的索力测试方法，通过移动振动测试装置连续测得索构件全长的振动信号，避免了布设多个振动传感器并调整端部传感器位置所面临的位置精度问题；再使用信号空间分解技术分离出索构件不同阶次的正弦振型分量，正弦振型分量拟合所使用的极值点数量远大于现有方法中的拟合点数量，得到的正弦振型分量拟合结果更加精准。因此，实现了索构件振动信号的自动化测试，同时实现了索构件正弦振型分量的高精度拟合，有效提高了索构件端部约束条件及索力的识别结果精度。

优选的，所述步骤二中，启动测试装置的过程为：开启电源开关，微动开关一和索导管相接触并触发，发送电信号给控制单元，控制单元接收到电信号后启动走行单元、测试单元和存储单元。

优选的，所述步骤二中，当所述走行单元走行至索构件的另一端时，微动开关二和索导管相接触并触发，发送电信号给控制单元，控制单元接收到电信号后切换走行单元的走行方向，

当微动开关一再次和索导管相接触并触发，发送电信号给控制单元，控制单元接收到电信号后关闭走行单元、测试单元和存储单元，结束测试。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明所述的移动振动测试装置设有走行单元，能够沿着索构件全长走行，从而通过一个测试装置就可以测得索构件全长的振动信号，避免了布设多个振动传感器并调整端部振动传感器位置所面临的位置精度问题，不仅提高了索构件端部约束条件及索力的识别结果精度，且减少了振动传感器数量，节约了测试成本，安装简便，易于推广应用。

本发明所述的索力测试方法，通过移动振动测试装置连续测得索构件全长的振动信号，避免了布设多个振动传感器并调整端部传感器位置所面临的位置精度问题；再使用信号空间分解技术分离出索构件不同阶次的正弦振型分量，正弦振型分量拟合所使用的极值点数量远大于现有方法中的拟合点数量，得到的正弦振型分量拟合结果更加精准。因此，实现了索构件振动信号的自动化测试，同时实现了索构件正弦振型分量的高精度拟合，有效提高了索构件端部约束条件及索力的识别结果精度。

附图说明：

图1是本发明所述的一移动振动测试装置的结构示意图。

图2是本发明所述的一移动振动测试装置在索构件上的安装示意图。

图中标记：1-本体，2-电机，3-走行轮，4-振动传感器，5-微动开关一，6-单片机，7-电池，8-电源开关，9-卡槽，10-闪存卡，11-微动开关二，12-索构件，13-索导管。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1所示，一种移动振动测试装置，包括圆筒形的本体1，所述本体1为抱箍，由两个半圆环状构件组成，从而便于安装至索构件12上。

所述本体1上设有走行单元、测试单元、控制单元、存储单元和电源单元。

所述走行单元包括电机2和多个走行轮3，所述电机2和多个走行轮3相连接，多个走行轮3在所述本体1上对称设置，所述电机2用于驱动所述走行轮3转动，所述走行轮3用于带动所述本体1沿着索构件12走行。

所述测试单元包括一个振动传感器4，所述振动传感器4用于采集振动信号，例如加速度、速度或位移。

所述控制单元分别与所述走行单元、测试单元、存储单元相连接，所述控制单元用于控制所述走行单元、测试单元和存储单元，在本实施例中，所述控制单元为单片机6。

所述存储单元用于存储所述振动传感器4采集到的振动信号，所述存储单元包括闪存卡10，所述本体1上设有卡槽9，所述闪存卡10置于所述卡槽9内。

所述电源单元分别和所述走行单元、测试单元、控制单元、存储单元相连接，所述电源单元用于给测试装置供电。所述电源单元包括电池7和电源开关8，所述电源开关8用于接通或断开电力供应。

所述本体1的两个端面分别设有微动开关一5和微动开关二11，所述微动开关一5、微动开关二11均和控制单元相连接。所述微动开关一5和微动开关二11均包括按钮、弹簧片和触头，所述按钮和触头之间通过弹簧片相连接。当按钮被按压时，弹簧片和触头相接触，从而发送电信号给控制单元。

实施例2

一种索力测试方法，包括以下步骤：

步骤一：将实施例1所述的一种移动振动测试装置安装在索构件12的一端，如图2所示；

步骤二：开启电源开关8，微动开关一5和索导管13相接触并触发，发送电信号给单片机6，单片机6接收到电信号后启动走行单元、测试单元和存储单元，走行轮3带动本体1沿着索构件12走行至索构件12的另一端，在走行过程中振动传感器4连续测试索构件12的振动，并将振动信号发送给单片机6，单片机6将测试时间和采集到的振动信号发送给闪存卡10进行存储；

当所述走行轮3走行至索构件12的另一端时，微动开关二11和索导管13相接触并触发，发送电信号给单片机6，单片机6接收到电信号后切换走行轮3的走行方向；

走行轮3带动本体1进行反向走行，直至微动开关一5再次和索导管13相接触并触发，发送电信号给单片机6，单片机6接收到电信号后关闭走行单元、测试单元和存储单元，结束测试。

关闭电源开关8，取出闪存卡10，将测试数据拷贝至计算机。

步骤三：利用信号空间分解技术分离出索构件12不同阶次的正弦振型分量并计算对应频率，从而对索构件12两端约束条件进行识别，求得索构件的索力，具体的：

(1)根据测试时间和走行单元的走行速度，将测得的时域振动信号转换成沿索构件长度方向的空间域振动信号；

(2)使用经验模态分解对空间域振动信号进行分解，得到索构件不同阶次的振动分量；

(3)使用傅里叶变换对不同阶次振动分量进行处理，得到索构件各阶次的振动频率；

(4)振动分量的极值点幅值在索构件长度方向的变化对应索构件的振型，对不同阶次振动分量的极值点幅值进行拟合，得到索构件各阶次的正弦振型分量。

获得索构件不同阶次的振动频率与正弦振型分量后，对索构件两端约束条件进行识别，进而可精确求得索构件的索力。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。