摘要 為了準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度，科學(xué)高效地判斷振動(dòng)是否引起使用者的不適和影響結(jié)構(gòu)的正常使用，利用IEPE壓電式傳感器和微型電腦樹莓派（Raspberry Pi），基于Python計(jì)算機(jī)編程語言設(shè)計(jì)一款智能慣性評(píng)估系統(tǒng)，同時(shí)將國內(nèi)外結(jié)構(gòu)人致振動(dòng)舒適度評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)寫入該系統(tǒng)，使結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)量評(píng)估系統(tǒng)的成本和硬件尺寸最小化，并實(shí)現(xiàn)無線傳輸、快速處理數(shù)據(jù)和判斷評(píng)估振動(dòng)舒適度的功能?；谏鲜龉δ苣繕?biāo)，以實(shí)驗(yàn)室人行橋?yàn)槔cDASP工程版動(dòng)態(tài)測(cè)試分析系統(tǒng)采集的加速度響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，幅值譜主頻相對(duì)誤差在0.02%～2.85%之間，驗(yàn)證了傳感系統(tǒng)采集精度。以人行天橋、教學(xué)樓樓蓋、住宅樓樓蓋和宿舍樓樓蓋為研究對(duì)象在人致激勵(lì)作用下進(jìn)行振動(dòng)舒適度測(cè)試，結(jié)果表明：研制的智能慣性傳感系統(tǒng)可高效、實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的加速度響應(yīng)，并且可以準(zhǔn)確判斷振動(dòng)舒適度，為研究人員提供可靠的振動(dòng)舒適度評(píng)估結(jié)果。

關(guān)鍵詞 人致振動(dòng); 振動(dòng)舒適度; 樹莓派; 傳感器; 加速度

引 言

隨著中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，在考慮結(jié)構(gòu)安全性問題的同時(shí)，關(guān)于建筑物振動(dòng)舒適度的問題也引起了人們的高度重視。輕質(zhì)高強(qiáng)材料的廣泛應(yīng)用和建筑物獨(dú)特的造型使結(jié)構(gòu)的跨度增大，阻尼變小，自振頻率降低，在人致激勵(lì)作用下容易引起結(jié)構(gòu)的大幅度振動(dòng)，造成使用人員的心理恐慌以及影響結(jié)構(gòu)的正常使用。因此對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)舒適度準(zhǔn)確評(píng)估可以保證結(jié)構(gòu)的可靠性，使用戶具有良好的使用感，同時(shí)對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)、延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的安全壽命具有重大意義［1?3］。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適度研究中多采用傳統(tǒng)有線傳感系統(tǒng)。汪志昊等［4］在進(jìn)行鋼混疊合板組合樓蓋振動(dòng)舒適度研究時(shí)，采用COINV型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及DH610V型電磁式速度傳感器。何余良等［5］在進(jìn)行人致激勵(lì)下裝配式樓板振動(dòng)舒適度分析時(shí)，采用東華加速度測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行加速度響應(yīng)采集。丁葉蔚等［6］開展木樓蓋振動(dòng)測(cè)試與舒適度分析時(shí)，采用了包含信號(hào)采集箱、調(diào)理箱及分析軟件的CRAS信號(hào)采集分析系統(tǒng)。Setareh［7］在對(duì)細(xì)長(zhǎng)人行橋的振動(dòng)舒適度問題的模態(tài)測(cè)試中，采用16通道的信號(hào)采集儀及加速度計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，使用ME' scope VES系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析。Cao等［8］在用誤差域模型證偽的方法評(píng)估人行橋的振動(dòng)舒適度的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，使用PCB 393B12傳感器測(cè)量動(dòng)態(tài)響應(yīng)。傳統(tǒng)的傳感器采集系統(tǒng)雖具有完備的采集體系，但其體積大，連接設(shè)備多，不方便攜帶，布線繁雜，同時(shí)采集系統(tǒng)只進(jìn)行信號(hào)采集與模態(tài)等分析，對(duì)于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)舒適度無法進(jìn)行快速準(zhǔn)確的判斷，還需在數(shù)據(jù)分析結(jié)束后根據(jù)規(guī)范進(jìn)一步評(píng)估。

還有部分學(xué)者為振動(dòng)測(cè)量自行研發(fā)加速度傳感器。金嶠等［9］結(jié)合等強(qiáng)度梁與L型轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)靈敏度及量程的用于測(cè)量樓蓋振動(dòng)的光纖加速度傳感器，光纖傳感器易受溫度影響，且需要光纖解調(diào)儀輔助采集，對(duì)測(cè)試環(huán)境有一定的要求。童一飛等［10］設(shè)計(jì)了一款以FPGA為主控芯片的低功耗的傳感器采集系統(tǒng)用于工程領(lǐng)域振動(dòng)測(cè)試，但FPGA只能依靠硬件來進(jìn)行功能實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)硬件系統(tǒng)及內(nèi)部資源較為熟悉才能保證各元器件的配合，開發(fā)具有難度。王占友等［11］基于恩智浦單片機(jī)和IEPE傳感器提出了一種智能加速度傳感方案，單片機(jī)在開發(fā)難度上大大降低，卻不能運(yùn)行分時(shí)操作系統(tǒng)，需要編程后再上傳至主板。

綜上所述，針對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)舒適度問題和現(xiàn)有傳感器的缺陷，本文研發(fā)了一款基于樹莓派4B的振動(dòng)舒適度無線智能評(píng)估系統(tǒng)，基于Python計(jì)算機(jī)編程語言進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)了加速度響應(yīng)的采集和數(shù)據(jù)快速傅里葉變換，并且將國內(nèi)外振動(dòng)舒適度評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)寫入系統(tǒng)，在采集測(cè)量結(jié)束后即可得到不同標(biāo)準(zhǔn)下的評(píng)價(jià)結(jié)果，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，并使用該系統(tǒng)對(duì)樓蓋進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)表明該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)人致振動(dòng)下結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的監(jiān)測(cè)，與傳統(tǒng)傳感系統(tǒng)相比具有體積小，輕量級(jí)，成本低，易開發(fā)，易攜帶，可視化，可進(jìn)行振動(dòng)舒適度評(píng)估的優(yōu)勢(shì)。

1 人致振動(dòng)舒適度評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

為滿足大跨樓蓋在人致激勵(lì)作用下的振動(dòng)舒適度要求，主要采用以下兩種控制方法來保證達(dá)到結(jié)構(gòu)的舒適度指標(biāo)：一是頻率調(diào)整法，該方法規(guī)定結(jié)構(gòu)的基頻必須大于設(shè)定的頻率基準(zhǔn)值；二是動(dòng)力響應(yīng)分析法，該方法規(guī)定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)必須小于規(guī)定的響應(yīng)限值，常選用振動(dòng)加速度響應(yīng)為動(dòng)力響應(yīng)。杜浩等［12］研究膠合木?混凝土組合樓蓋在人行荷載激勵(lì)作用下的振動(dòng)舒適度時(shí)，采用了基頻和峰值加速度雙重指標(biāo)進(jìn)行振動(dòng)舒適度評(píng)估［13?14］。在振動(dòng)舒適度評(píng)估中，自振頻率只能作為舒適度評(píng)估的初步條件，評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)還應(yīng)滿足人行荷載下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)的要求。故考慮到對(duì)加速度響應(yīng)的限制及時(shí)間等因素，本系統(tǒng)采用的中國、美國、歐洲的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分別為文獻(xiàn)［15?17］。

1.1 中 國

文獻(xiàn)［13］中第4.2.1條規(guī)定：以行走激勵(lì)為主的建筑樓蓋，第一階豎向自振頻率不宜低于3 Hz，豎向振動(dòng)峰值加速度不應(yīng)大于表1中的限值。

1.2 美 國

文獻(xiàn)［14］中每個(gè)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)由兩部分組成：加速度或速度方面的結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)測(cè)和容許限值。如果結(jié)構(gòu)響應(yīng)沒有超過容許限值，則預(yù)測(cè)樓板或其他評(píng)估元件僅允許由于人類活動(dòng)引起的可接受的振動(dòng)水平。該標(biāo)準(zhǔn)提出的樓板結(jié)構(gòu)和人行天橋的峰值加速度限值如圖1所示。

1.3 英 國

文獻(xiàn)［17］中第3.5條提出了考慮長(zhǎng)期振動(dòng)過程中可能存在的停歇期和幅值變化的振動(dòng)劑量值（VDV）方法：

式中 VDV為振動(dòng)劑量值；a（t）為頻率加權(quán)加速度；T為振動(dòng)的總周期；m/s1.75為單位。表2給出了不同情況下VDV的允許值。

2 人致振動(dòng)舒適度評(píng)估系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能評(píng)估系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。該方案主要分為加速度采集、振動(dòng)舒適度判斷以及數(shù)據(jù)輸出三個(gè)模塊。將CT1050LC型號(hào)的IEPE加速度傳感器放置在結(jié)構(gòu)上，啟動(dòng)評(píng)估系統(tǒng)客戶端，MCC 172數(shù)據(jù)采集卡對(duì)加速度響應(yīng)進(jìn)行采集，將采集的數(shù)據(jù)傳輸至樹莓派4B主板的判斷系統(tǒng)，根據(jù)判斷系統(tǒng)中的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)［15?17］進(jìn)行結(jié)構(gòu)的舒適度判斷，最后將結(jié)構(gòu)舒適度評(píng)估結(jié)果輸出至評(píng)估系統(tǒng)客戶端供試驗(yàn)人員參考，測(cè)量過程中采集的加速度數(shù)據(jù)自動(dòng)保存至CSV文件中便于察看和用于其他數(shù)據(jù)分析。

2.2 系統(tǒng)編程語言

本文設(shè)計(jì)的智能評(píng)估系統(tǒng)采用Python作為編程語言，Python語言具有簡(jiǎn)單、易學(xué)、易讀、易維護(hù)的特點(diǎn)，功能強(qiáng)大且學(xué)習(xí)成本低，同時(shí)Python的可移植性較強(qiáng)，在Linux，Windows，F(xiàn)reeBSD，Macintosh，Solaris等操作平臺(tái)均可開發(fā)，Python作為開放源碼軟件之一以及其標(biāo)準(zhǔn)庫的豐富性和多樣性極大地為開發(fā)者提供了便利。

2.3 硬件組成

該系統(tǒng)硬件由樹莓派4B主板，MCC 172數(shù)據(jù)采集卡，鋰電池，CT1050LC型IEPE傳感器組成。傳感器實(shí)物連接如圖3所示。

智能評(píng)估系統(tǒng)采用樹莓派4B作為主控核心（見圖4），樹莓派（Raspberry Pi）4B是一款基于微處理器ARM而外觀尺寸僅有信用卡大小的微型電腦主板，該主板以Micro SD卡作為內(nèi)存硬盤，卡片主板周圍具有4個(gè)USB接口和一個(gè)以太網(wǎng)接口，連接鼠標(biāo)、鍵盤后可實(shí)現(xiàn)臺(tái)式或便攜式計(jì)算機(jī)的基本功能。

傳感器為CT1050LC型IEPE傳感器，尺寸為Φ25 mm×26 mm，靈敏度為500 mV/g，量程為10g，頻率范圍在0.2～2500 Hz，使用溫度范圍在-40～+150 ℃，質(zhì)量為90 g，僅僅是941B型拾振器質(zhì)量的十分之一，內(nèi)部含有壓電材料使傳感器不易受到外部電磁環(huán)境的影響而導(dǎo)致采集結(jié)果不穩(wěn)定，其供電和輸出信號(hào)采用兩線制方式，該傳感器的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)置了電荷放大器，可與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接連接，不需要其他二次儀表，使輸出結(jié)果更穩(wěn)定，測(cè)量結(jié)果更可靠，適用于測(cè)量大多數(shù)振動(dòng)。

數(shù)據(jù)采集卡采用的是基于樹莓派的一款24位，應(yīng)用于測(cè)量聲音和振動(dòng)中IEPE傳感器信號(hào)的 DAQ HAT?MCC 172，不需要多余的線路連接，可直接安裝于樹莓派40?pin通用輸入輸出（GPIO）連接器上。MCC 172數(shù)據(jù)采集卡尺寸為6.2 cm×5.6 cm，供電電壓為5 V，輸入耦合為AC耦合。MCC 172配有2路同步24位差分模擬輸入通道，采集速率高達(dá)每秒51.2 k數(shù)據(jù)點(diǎn)。每路通道配有專用A/D轉(zhuǎn)換器。ADC共享時(shí)鐘并同步轉(zhuǎn)換，同時(shí)采集數(shù)據(jù)。采集卡還可直接提供IEPE激勵(lì)，無需額外添加信號(hào)調(diào)理設(shè)備，這使得系統(tǒng)的開發(fā)只需基于兩塊銀行卡大小的主板，縮減設(shè)備數(shù)量及體積。并且MCC 172數(shù)據(jù)采集卡可通過GPIO引腳疊加共同工作，每塊采集卡可連接兩通道，最多可疊加8塊采集卡在樹莓派上，進(jìn)行16通道同時(shí)采集的工作。

供電電源則由UPS Pack V3供電擴(kuò)展板和6500 mAh鋰電池組成，供電擴(kuò)展版可以有效地保護(hù)樹莓派主板，電池電量充滿后續(xù)航時(shí)間可達(dá)9 h，電量耗盡前UPS主板會(huì)提前通過System halt signal通知樹莓派提前關(guān)機(jī)，然后自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，防止樹莓派由于非法關(guān)機(jī)而使系統(tǒng)文件被破壞。

2.4 GUI圖形用戶界面設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

為了便于用戶觀測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)以及振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)結(jié)果，本系統(tǒng)利用Python Qt 5.12下的Qt Designer編輯器對(duì)GUI界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先創(chuàng)建一個(gè)Qmainwindow主窗口，使用Push Button，Radio Button，Combo Box，Text Label等組件先進(jìn)行GUI界面采樣頻率和靈敏度設(shè)置，通道選取，采集的開始與停止以及評(píng)估條件選擇等功能需求的布置，Label和Graphics View控件用于顯示加速度采集曲線以及FFT曲線。主界面的創(chuàng)建完成后保存文件生成后綴名為ui的文件，通過Python Qt 5.12中的pyuic5功能自動(dòng)轉(zhuǎn)化為py文件，用戶通過運(yùn)行py文件可進(jìn)入到評(píng)估系統(tǒng)界面進(jìn)行操作。

根據(jù)Python Qt界面與邏輯可分離的特點(diǎn)，基于IDE（開發(fā)集成環(huán)境）PyCharm對(duì)邏輯代碼進(jìn)行編輯，完成峰值加速度提取，數(shù)據(jù)寫入CSV文件，導(dǎo)入漢寧窗函數(shù)來實(shí)現(xiàn)快速傅里葉變換，同時(shí)將中國、美國、歐洲振動(dòng)舒適度評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為條件判斷語句寫入評(píng)估系統(tǒng)，分塊定義實(shí)現(xiàn)與主窗口的功能連接。以上代碼編寫成功后，運(yùn)行時(shí)GUI操作界面如圖5所示。至此，本文所提出的系統(tǒng)方案通過這操作界面得到了可視化實(shí)現(xiàn)，左側(cè)圖框顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，右側(cè)可控制采集和評(píng)估流程，采集結(jié)束后自動(dòng)生成CSV文件保存在后臺(tái)。

3 驗(yàn)證性試驗(yàn)

以實(shí)驗(yàn)室鋼結(jié)構(gòu)玻璃人行橋?yàn)槔瑢?duì)本文設(shè)計(jì)的樹莓派傳感器的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。鋼結(jié)構(gòu)玻璃人行橋共五跨，總跨度L=10.1 m，寬度B=1.6 m，基頻為4.0 Hz，其余參數(shù)見文獻(xiàn)［18］，測(cè)點(diǎn)布置在跨中區(qū)域，如圖6所示。試驗(yàn)中采用單個(gè)行人作為試驗(yàn)過程中的振源，單個(gè)行人按照?qǐng)D示方向以1.6 Hz ， 2.0 Hz以及隨機(jī)步頻行走180 s，產(chǎn)生的單人行走激勵(lì)使鋼結(jié)構(gòu)玻璃人行橋起振。然后使用本文搭建的樹莓派測(cè)量系統(tǒng)和941B型拾振器配套的DASP工程版動(dòng)態(tài)測(cè)試分析系統(tǒng)以200 Hz的采樣頻率同時(shí)進(jìn)行加速度響應(yīng)的采集。

圖7（a）～（d）對(duì)比了單個(gè)行人在2.0 Hz步頻和隨機(jī)步頻激勵(lì)下，搭建的樹莓派傳感器和941B型拾振器測(cè)得的加速度時(shí)程曲線和傅里葉頻譜圖。圖8為實(shí)驗(yàn)室橋面試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖。試驗(yàn)結(jié)果表明，搭建的以樹莓派為主控中心的傳感器和941B型拾振器測(cè)得的加速度時(shí)程曲線基本吻合，2.0 Hz步頻下幅值譜主頻相對(duì)誤差為0.1%，0.02%，0.07%，隨機(jī)步頻下幅值譜主頻相對(duì)誤差為0.05%，兩種工況得到的傅里葉譜值圖所示數(shù)據(jù)和鋼結(jié)構(gòu)玻璃人行橋已知的4.0 Hz基頻對(duì)比，2.0 Hz步頻的相對(duì)誤差為0.025%，隨機(jī)步頻的相對(duì)誤差為2.85%，故本文設(shè)計(jì)的樹莓派傳感器滿足實(shí)際測(cè)量要求，具有可行性。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用

4.1 實(shí)例1：人行天橋

該系統(tǒng)在驗(yàn)證了傳感器的測(cè)量精度后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，選取蘭州市七里河區(qū)西津東路人行天橋作為1號(hào)試點(diǎn)，橋身主體為鋼結(jié)構(gòu)，人行橋長(zhǎng)31.5 m，寬3.1 m，兩側(cè)有1.2 m高的鋼管扶手，橋下為八車道的城區(qū)主干路，將組裝好的樹莓派傳感器使用磁座安裝在人行天橋橋面跨中位置處，圖9為試驗(yàn)工況圖，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為240 s，試驗(yàn)期間該人行橋大約通過60名行人，包含學(xué)生、老年人、上班族等群體，行人雙向以快速、中速、慢速步頻隨機(jī)行走，隨機(jī)步頻下測(cè)得的人行天橋峰值加速度為0.0113 m/s2，基頻為4.665 Hz，傳感系統(tǒng)采集的加速度時(shí)程曲線與局部傅里葉頻譜圖如圖10所示。評(píng)估系統(tǒng)得到的振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。

4.2 實(shí)例2：教學(xué)樓樓蓋

以1號(hào)教學(xué)樓樓蓋作為2號(hào)試點(diǎn)，該教學(xué)樓主體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共四層，選取二層右側(cè)邊跨某教室進(jìn)行振動(dòng)舒適度評(píng)估，樓蓋長(zhǎng)11.4 m，寬9.8 m，教室中放置課桌和椅子共68套，樹莓派傳感器放置在樓蓋跨中位置處，共11名試驗(yàn)人員參與試驗(yàn)，試驗(yàn)人員為在校大學(xué)生，包括5名男生，6名女生，分三種工況對(duì)教室的一般狀態(tài)進(jìn)行模擬，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖11所示。工況一：試驗(yàn)人員以隨機(jī)步頻在教室中行走，對(duì)課間學(xué)生在教室中的出入及活動(dòng)進(jìn)行模擬；工況二：試驗(yàn)人員跟隨口令進(jìn)行起立、坐下等動(dòng)作，對(duì)上課時(shí)間段中的互動(dòng)過程進(jìn)行模擬；工況三：環(huán)境激勵(lì)，對(duì)教室在無人環(huán)境下的狀態(tài)進(jìn)行模擬。每次試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為180 s，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的教室樓蓋峰值加速度分別為 0.0638 m/s2，0.0196 m/s2，0.0158 m/s2，基頻分別為11.475 Hz，11.446 Hz，11.647 Hz，加速度時(shí)程曲線和局部傅里葉頻譜圖如圖12所示，工況三中的異常信號(hào)為校車經(jīng)過減速帶時(shí)引起的樓蓋振動(dòng)。評(píng)估系統(tǒng)得到的振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。

4.3 實(shí)例3：住宅樓樓蓋

以印刷廠住宅樓樓蓋作為3號(hào)試點(diǎn)，該住宅樓主體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共五層，選取三層某戶進(jìn)行振動(dòng)舒適度評(píng)估，樓蓋長(zhǎng)10.4 m，寬4.3 m，樹莓派傳感器放置在樓蓋跨中位置處，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖13所示。工況設(shè)置為環(huán)境激勵(lì)，模擬房間內(nèi)無住戶活動(dòng)的狀態(tài)，其余未參與測(cè)試的樓蓋均有住戶進(jìn)行日?；顒?dòng)，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)180 s，隨機(jī)步頻下測(cè)得的住宅樓樓蓋峰值加速度為0.01955 m/s2，基頻為24.916 Hz，傳感系統(tǒng)采集的加速度時(shí)程曲線與局部傅里葉頻譜圖如圖14所示。評(píng)估系統(tǒng)得到的振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。

4.4 實(shí)例4：宿舍樓樓蓋

以14號(hào)東宿舍樓樓蓋作為4號(hào)試點(diǎn)，該宿舍樓主體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共八層，每層34間宿舍，選取三層左側(cè)邊跨某宿舍進(jìn)行振動(dòng)舒適度評(píng)估，樓蓋長(zhǎng)6.4 m，寬3.5 m，宿舍內(nèi)置有桌椅、鐵架床等家具，樹莓派傳感器放置在樓蓋跨中位置處，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖15所示。考慮到樓蓋的使用功能以及文獻(xiàn)［17］中白天與夜間不同的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，本案例中工況設(shè)置為夜間10點(diǎn)狀態(tài)下環(huán)境激勵(lì)，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)180 s，隨機(jī)步頻下測(cè)得的住宅樓樓蓋峰值加速度為0.00966 m/s2，基頻為33.891 Hz，傳感系統(tǒng)采集的加速度時(shí)程曲線與局部傅里葉頻譜圖如圖16所示，加速度時(shí)程曲線中的異常信號(hào)為宿舍門關(guān)閉撞擊時(shí)引起的樓蓋振動(dòng)。評(píng)估系統(tǒng)得到的振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)基于IEPE壓電式傳感器和樹莓派的結(jié)構(gòu)人致振動(dòng)評(píng)估系統(tǒng)，與傳統(tǒng)加速度采集系統(tǒng)相較，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）該系統(tǒng)采用Python計(jì)算機(jī)編程語言和樹莓派、MCC 172數(shù)據(jù)采集卡相結(jié)合，降低了開發(fā)難度和成本，易于維護(hù)。其硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低，功耗低，攜帶方便，與PC端采用無線連接，配備了鋰電池電源，使用更具有靈活性。

（2）采用Qt Designer編輯器創(chuàng)建GUI圖形用戶界面，簡(jiǎn)單便捷，用戶可直觀看見數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)。將中國、美國、歐洲等振動(dòng)舒適度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估部分寫入系統(tǒng)，可以在加速度采集結(jié)束后快速判斷結(jié)構(gòu)是否超過標(biāo)準(zhǔn)限值以及是否引起人的不適感。

通過實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證性試驗(yàn)，對(duì)比傅里葉頻譜圖可知，其幅值譜主頻在2.0 Hz步頻下相對(duì)誤差在0.02%～0.1%，隨機(jī)步頻下相對(duì)誤差為2.85%，試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)滿足加速度測(cè)量精度和采集要求，在振動(dòng)舒適度的評(píng)估過程中擁有良好的應(yīng)用前景，同時(shí)該系統(tǒng)也可應(yīng)用于其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件加速度響應(yīng)的采集。

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