李　平，魏長寶

（黃淮學(xué)院信息工程學(xué)院，河南駐馬店463000）

不同橋梁模型結(jié)構(gòu)自振頻率識別方式對比分析*

李平，魏長寶*

（黃淮學(xué)院信息工程學(xué)院，河南駐馬店463000）

數(shù)字圖像相關(guān)法（DICM）是測定結(jié)構(gòu)自振頻率較新的方法，為檢驗其在橋梁自振頻率測定中的可行性，設(shè)計了橋梁模型試驗。結(jié)果表明接觸式速度傳感器在環(huán)境激勵和人工激勵兩種條件下都可以獲得結(jié)構(gòu)的頻譜曲線。（DICM）在人工激勵下可以獲得與之接近的結(jié)果，在環(huán)境激勵下（DICM）容易受到環(huán)境干擾而無法獲得有效的頻譜曲線，在利用數(shù)字圖像相關(guān)法來測定結(jié)構(gòu)自振頻率時，應(yīng)進一步研究在結(jié)構(gòu)位移較?。ㄈ纾?.005）時的干擾過濾技術(shù)。

橋梁模型；自振頻率測定；數(shù)字圖像相關(guān)法；接觸式速度傳感器

橋梁整體剛度是衡量橋梁安全性的重要指標之一。在衡量橋梁整體剛度的指標中，自振頻率是重要參數(shù)，利用該參數(shù)可在結(jié)構(gòu)損傷識別等方面提供參考［1］。在實踐中，要對橋梁進行自振頻率測試，一般都需要安裝接觸式傳感器來進行測試，需要安裝的傳感器數(shù)量眾多，加之這類橋梁構(gòu)件尺寸或是橋下凈空的影響，不便于準確安裝傳感器。在橋梁投入運行后，橋梁的振動頻率還會受到通行車輛所形成的高頻振動的所造成的高頻率區(qū)域共振影響，這導(dǎo)致橋梁真實的自振頻率不易準確測定［2］。如果采用橋梁模型結(jié)合接觸式傳感器來進行測定，橋梁模型在尺寸、整體質(zhì)量上和原橋梁存在較大差別，傳感器自身的質(zhì)量和尺寸對于測量結(jié)果造成的影響是不能忽略，而且必須要求在模型試驗中傳感器和模型的耦合性必須很高［3］，增加了模型試驗的難度。實踐證明數(shù)字圖像相關(guān)法對于這類高精度測量問題非常實用，能夠提供高精度的測量結(jié)果［4-6］。本文中將以橋梁模型的自振頻率為研究對象，利用數(shù)字圖像相關(guān)法來進行測定，以檢驗其測驗結(jié)果的實用性，同時對橋梁模型使用傳統(tǒng)的接觸式速度傳感器進行自振頻率測試并做對比。

1　數(shù)字圖像測試系統(tǒng)的組成

數(shù)字圖像測試系統(tǒng)工作原理為：計算機數(shù)據(jù)采集模塊接收數(shù)字攝像機的信息后經(jīng)過圖像處理，進而獲得被偵測構(gòu)件的位移時程曲線，經(jīng)過傅里葉變換后得到構(gòu)件的自振頻率［7～8］，該方法在電子［9］、醫(yī)療［10］等多個領(lǐng)域均得到應(yīng)用。數(shù)字圖像測試系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

項目來源：國家自然科學(xué)基金青年基金項目（61304172）；河南省高等學(xué)校重點科研項目（16B510002）

收稿日期：2014-12-16修改日期：2015-07-14

圖1　數(shù)字圖像測試系統(tǒng)組成

這個過程中的關(guān)鍵部分是計算機對數(shù)字圖像的處理方式。由于數(shù)字攝像機受限于像素，而構(gòu)件的位移是連續(xù)量，因此某一特定時刻的構(gòu)件某個點的位移可能位于某兩個像素點之間，如果按照整像素取值，就會造成位移量的測量誤差。本文中引入基于灰度的圖像插值法進行處理，以灰度重建的方式來離散數(shù)字圖像，從而獲得近似的連續(xù)圖像，并在此基礎(chǔ)上獲得更為精確的位移量偵測值［11］。

2　試驗細節(jié)

本文中的目標橋梁為某長江公路大橋，按一定比例縮小后進行模型試驗，模型試驗細節(jié)如圖2和表1所示，接觸式速度傳感器和非接觸式數(shù)字成像測試系統(tǒng)的測試點位均選取4等分點，同時非接觸式數(shù)字成像測試系統(tǒng)在邊塔和中塔的頂部各選取一個測試點，靶標布置位置如圖3所示

圖2　橋梁模型布置圖

表1　主要試驗細節(jié)

圖3　三塔懸索橋模型測點布置圖

3　測試結(jié)果及對比分析

在本次橋梁模型自振頻率試驗中采用了兩類測定方式，一是采用傳統(tǒng)的接觸式速度傳感器來進行測定，二是采用數(shù)字圖像技術(shù)來進行測定。在這兩類的測定方式中也都分別采用了人工強迫激勵方式和環(huán)境激勵方式來模擬橋梁的運行環(huán)境。兩類測定方式結(jié)果分別如下所述。

3.1接觸式速度傳感器測試結(jié)果

采用接觸式傳感器進行橋梁模型自振頻率測定的主要結(jié)果如圖4～圖6所示，結(jié)果表明這一傳統(tǒng)的自振頻率測定方式在環(huán)境激勵和人工激勵兩類條件下都有較為穩(wěn)定的表現(xiàn)，在不同振幅下均可獲得較為清晰的頻譜曲線。

圖4　接觸式速度傳感器在環(huán)境激勵下的頻譜曲線

圖5　接觸式速度傳感器在人工激勵下的頻譜曲線

圖6　接觸式速度傳感器頻譜曲線

3.2數(shù)字圖像技術(shù)測試結(jié)果

在利用數(shù)字圖像技術(shù)測試結(jié)構(gòu)自振頻率時，在環(huán)境激勵條件下，由于位移量微小，受到隨機因素的影響加大，無法獲得有效的頻率曲線，如圖7所示。但在人工激勵條件下，利用數(shù)字圖像技術(shù)可以獲得較為理想的頻譜曲線，如圖8所示。

圖7　數(shù)字圖像技術(shù)測得頻率曲線

圖8　數(shù)字圖像技術(shù)在人工激勵下的頻譜曲線

3.3兩類測定方式的對比分析

實驗結(jié)果表明，利用接觸式速度傳感器和利用數(shù)字圖像技術(shù)都能夠在特定條件下獲得結(jié)構(gòu)的自振特性，但各有優(yōu)勢和劣勢。在環(huán)境激勵的條件下，接觸式速度傳感器的適應(yīng)性要優(yōu)于數(shù)字圖像技術(shù)。具體表現(xiàn)為在環(huán)境激勵條件下接觸式速度傳感器適應(yīng)性更好，對速度相應(yīng)信號反應(yīng)迅速，在此基礎(chǔ)上可以獲得被測結(jié)構(gòu)的自振特性。數(shù)字圖像技術(shù)在捕捉結(jié)構(gòu)位移方面更具優(yōu)勢，但如果結(jié)構(gòu)的位移量很小，會受到周圍隨機因素的影響而得不到清晰的結(jié)構(gòu)頻譜曲線（無明顯峰值）。因此對于數(shù)字圖像技術(shù)來說，在結(jié)構(gòu)小位移（如小于0.005時）的情況下進行有效的噪點過濾是決定該方法能否實用的關(guān)鍵因素。當利用數(shù)字圖像相關(guān)法技術(shù)測試時，如果結(jié)構(gòu)的位移量微小，獲得的頻譜曲線將沒有明顯的峰值。因此對于剛度較大的橋梁模型，可能無法識別出頻率。

但在人工激勵條件下，此時結(jié)構(gòu)的位移較大，則兩種方法都能夠獲取較為理想的頻譜曲線，不同人工激勵下，利用數(shù)字圖像技術(shù)測試的橋梁自振頻率基本一致。結(jié)合環(huán)境激勵下的測試成果，基于數(shù)字圖像技術(shù)的橋梁自振頻率測試具備一定的可行性，但也具有振幅小情況下無法識別的局限性。

在構(gòu)件振幅較小的情況下，采用數(shù)字圖像技術(shù)來監(jiān)測自振頻率的關(guān)鍵是數(shù)字圖像的插值處理，不同的處理方式將對頻譜曲線造成很大影響。本次試驗中在橋梁模型振幅較小時無法獲取有效的頻譜曲線很有可能就是這個原因造成，基于灰度的圖像插值處理方式尚需進一步改進。因此要提高數(shù)字圖像技術(shù)在自振頻率測量中的應(yīng)用范圍，應(yīng)深入研究在振幅較小時，某一特定時刻的構(gòu)件某個點的位移可能位于某兩個像素點之間時的位移計算方式。從本文試驗的情況看，基于灰度的圖像插值處理方式的精度不能滿足振幅較小情況下的位移計算需求。

4　結(jié)論

通過接觸式速度傳感器和數(shù)字圖像技術(shù)在相同條件下對橋梁模型的自振頻率測定的試驗，得到的主要結(jié)論為：在結(jié)構(gòu)位移量較大時，利用數(shù)字圖像技術(shù)可以有效的偵測出結(jié)構(gòu)的位移時程曲線，并可獲得結(jié)構(gòu)的頻譜曲線。該曲線和接觸式速度傳感器獲得的曲線基本一致，表明了數(shù)字圖像技術(shù)在這一條件下的有效性。但數(shù)字圖像技術(shù)的缺點也很明顯，即在結(jié)構(gòu)位移量較小時（如環(huán)境激勵條件下）無法獲得有效的頻譜曲線，但接觸式傳感器在該條件下仍可獲得有效的頻譜曲線。

因此通過對比可得出如下結(jié)論：即在結(jié)構(gòu)位移量相對較大時兩種方法基本等效，但在小位移量時數(shù)字圖像技術(shù)缺點明顯，主要表現(xiàn)為現(xiàn)有的過濾方法無法有效的排除環(huán)境干擾。在這種條件下要讓數(shù)字圖像技術(shù)投入實用，應(yīng)進一步研究這一條件下的干擾過濾技術(shù)。

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李平（1976-），女，河南駐馬店市人，漢，碩士，講師，研究方向為信息處理與現(xiàn)代電子系統(tǒng)；

魏長寶（1972-），男，河南省駐馬店市人，漢，碩士，副教授，研究方向為計算機信息與智能信息處理，nnjj001100@ 163.com。

Comparison and Analysis of Natural Frequency of Vibration of Bridge Model*

LI Ping，WEI Changbao*
（Huanghuai college information engineering college，Zhumadian Henan 463000，China）

Digital image correlation method（DICM）is a new way to determine the natural frequency of structures.In order to test availability of this method in bridge model natural frequency，the experiment of bridge model was designed.The results showed that using the speed sensor，the frequency domain curves both under artificial excitation and under displacement were valid.As the contrast，the results using DICM were valid only under artificial excitation and were close to results that of using speed sensor.When under the displacement，the frequency domain curve was not valid because of the stochastic disturbing.So when using DICM to determine the natural frequency of structure，intensive study of filtrating，such as the displacement is less than 0.005，the stochastic disturbing should be done.

bridge model；natural frequency test；digital image correlation method；speed sensor

TM935.23；TB52.6

A

1005-9490（2016）03-0737-04

EEACC：1230；6140C10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.046