橋梁監(jiān)測中高頻信號零漂修正技術(shù)的研究

皮欣裕，肖開喜，鄧 箭，肖百朝，李富年，陳志丹

（1.武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.中建三局工程設(shè)計有限公司建筑設(shè)計院，湖北 武漢 430064；3.華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

近年來，橋梁安全事故不斷發(fā)生，隨著我國交通業(yè)快速發(fā)展，物流運(yùn)輸需求的不斷增長，橋梁作為交通業(yè)中重要的環(huán)節(jié)，逐漸被人們重視起來。橋梁在使用的過程中，長期受到環(huán)境腐蝕、材料老化、人為因素等問題的影響，因此橋梁建設(shè)和使用的過程中需要對橋體各部位進(jìn)行實時監(jiān)測[1]，避免發(fā)生安全事故，造成不必要的損失。傳統(tǒng)的橋梁監(jiān)測是通過有線連接人工檢查，需要大量的人力、物力、財力，橋梁維護(hù)效率低、實時性差?，F(xiàn)代化的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)使用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，傳感器的安裝方便快捷，克服了人工監(jiān)測的缺點，橋梁維護(hù)效率高、實時性好，可以廣泛運(yùn)用于中小型橋梁監(jiān)測。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點，有利于實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的小型化、智能化。目前我國的橋梁建設(shè)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平，隨著大型橋梁的不斷建成，如何做好橋梁的運(yùn)營與維護(hù)，及時了解橋梁結(jié)構(gòu)的健康狀況已成為管理者迫切需要解決的課題[2]。本文以橋梁的振動監(jiān)測為例，解決加速度傳感器產(chǎn)生的零點漂移現(xiàn)象，以防數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，采用光纖傳輸?shù)姆绞?，為后續(xù)橋梁項目提供可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1 加速度傳感器的工作原理及零漂現(xiàn)象

1.1 加速度傳感器的工作原理

加速度傳感器種類有很多[3]，橋梁振動監(jiān)測中常用的是壓電式加速度傳感器，利用壓電效應(yīng)原理，通過作用力造成傳感器內(nèi)部的壓電晶體變形。根據(jù)牛頓第二定律，當(dāng)被測物體振動頻率遠(yuǎn)低于加速度傳感器的固有頻率時，力的變化值與加速度成正比。這種傳感器體積小、靈敏度高、頻率范圍寬、成本低，但對溫度特別敏感，容易產(chǎn)生零點漂移現(xiàn)象。

1.2 零點漂移產(chǎn)生的原因

傳感器在數(shù)據(jù)采集中扮演著重要的角色。零點漂移是指傳感器在輸入信號為零時，受到溫度的影響，導(dǎo)致輸出端信號偏離原固定值上下浮動，當(dāng)零漂信號偏差嚴(yán)重時會覆蓋有效的數(shù)據(jù)。在橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中，振動監(jiān)測的加速度傳感器可分布在橋墩、橋塔以及橋身等地，長期的環(huán)境腐蝕導(dǎo)致傳感器線路老化，容易出現(xiàn)零點漂移現(xiàn)象。

1.3 對比常用解決辦法

常用抑制傳感器出現(xiàn)零點漂移的方法有兩種：硬件補(bǔ)償法和軟件補(bǔ)償法。

硬件方面：材料的選擇會影響零點漂移的程度，可通過使用對溫度不敏感的材料，串并聯(lián)恰當(dāng)?shù)臒崦綦娮铚p少溫度帶來的誤差，這種補(bǔ)償方法的優(yōu)點是從根本上提高了測量的精確度，缺點是成本高、調(diào)試?yán)щy。文獻(xiàn)[4-5]采用阻抗匹配的方式在硬件方面抑制傳感器零點漂移現(xiàn)象的發(fā)生，實驗結(jié)果驗證了電路設(shè)計的可靠性。

軟件方面：可使用Matlab 內(nèi)置的系統(tǒng)函數(shù)detrend去除數(shù)據(jù)中的線性趨勢，該方法不適用于非線性趨勢項；可使用小波算法觀察信號的基線趨勢[6]，常用的小波函數(shù)有Haar 小波、Morlet 小波、Daubechies 小波，小波變換的方法建立在傅里葉變換的基礎(chǔ)上，把信號區(qū)分為低頻部分和高頻部分：

文獻(xiàn)[7]利用bior 2.8 小波基函數(shù)成功消除了零點漂移，對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可使用數(shù)字形態(tài)學(xué)濾波方法降噪，以數(shù)字形態(tài)學(xué)理論中開閉運(yùn)算為例：

利用形態(tài)學(xué)基于形狀的處理原理[8]，不考慮頻帶分布，開-閉和閉-開組合形態(tài)濾波器有效地去除非線性信號上的毛刺；可使用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)降噪，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計出的補(bǔ)償系統(tǒng)既可抵消溫度對測試結(jié)果的影響，又起到信號壓縮的效果[9]。

圖1 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

實際項目中，為了減少開發(fā)成本，通常選擇使用軟件方式修正數(shù)據(jù)。在橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中可采用小波變換、形態(tài)學(xué)濾波以及多項式擬合的方法處理零漂信號。根據(jù)各方法指標(biāo)對比，多項式擬合算法簡單且速度快，小波變換效果較好但運(yùn)算量大，形態(tài)學(xué)濾波效果好但元素選取要求高，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法復(fù)雜。為了解決非線性趨勢零漂信號的修正，本文提出使用多項式擬合的方法，然后將原始信號減去擬合信號得到去基線的信號[10]。多項式擬合的原理：對于給定的點使用式（4）進(jìn)行n 階多項式擬合：

在程序執(zhí)行過程中，多項式擬合去趨勢所需時間為0.687 5 s，且可以快速檢測出異常時間點，所以多項式擬合在工程中更有優(yōu)勢。

2 零漂檢測與抑制算法實現(xiàn)

2.1 多項式擬合

多項式擬合流程圖如圖2 所示。

圖2 多項式擬合流程圖

實驗偽代碼如下：

2.2 數(shù)據(jù)采集

橋梁振動監(jiān)測系統(tǒng)中，使用50 Hz 采樣頻率對振動傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣[11]，為了避免采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，采集的數(shù)據(jù)通過光纖模塊存儲到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫中儲存的字段包括采集時間以及每個傳感器采集數(shù)據(jù)。Matlab仿真實驗中調(diào)用FFT函數(shù)需要的數(shù)據(jù)個數(shù)為2n個，如有不足，通常做法是尾部補(bǔ)0，在處理零漂信號時采用補(bǔ)0操作會導(dǎo)致檢測時間出現(xiàn)在補(bǔ)0位置，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。為了準(zhǔn)確檢測出零點漂移發(fā)生的時間，每次采樣數(shù)據(jù)取出2n個，實驗中數(shù)據(jù)采集以4 096個為例。

2.3 零漂信號檢測

正常情況下，加速度傳感器未出現(xiàn)零點漂移現(xiàn)象時，波形圖不會出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)點，數(shù)據(jù)平穩(wěn)在一個均值附近沒有偏移趨勢，如圖3 所示。

圖3 正常數(shù)據(jù)的波形圖

振動傳感器數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)零點漂移現(xiàn)象時，波形圖出現(xiàn)異常突變數(shù)據(jù)點，有偏離原始均值的趨勢，如圖4所示。

為了檢測出傳感器發(fā)生零點漂移現(xiàn)象的時間，可使用加窗傅里葉變換，調(diào)用Matlab 中自帶的spectrogram 函數(shù)來做短時傅里葉變換，可檢測出在20.763 4 s 發(fā)生了零點漂移。

2.4 零漂信號抑制

為了提高加速度傳感器的使用精度，檢測出發(fā)生零點漂移的數(shù)據(jù)并且抑制誤差數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，需要使用多項式擬合算法進(jìn)行降基線處理，通過擬合出的曲線推導(dǎo)出曲線的回歸方程，對傳感器產(chǎn)生的零點漂移誤差進(jìn)行補(bǔ)償。如圖5 所示，修正后的數(shù)據(jù)會在0 附近上下波動。

圖4 零漂數(shù)據(jù)的波形圖

圖5 修正后數(shù)據(jù)

3 實驗結(jié)果及分析

在Matlab 中進(jìn)行加速度傳感器異常數(shù)據(jù)監(jiān)測的仿真實驗分析，其中采樣頻率設(shè)置成50 Hz，多項式擬合的階數(shù)選擇4，5，6，7 階，分析不同階數(shù)多項式擬合去趨勢的效率和準(zhǔn)確性，并且計算出發(fā)生零點漂移的時間點，如表1 所示，由此看來多項式擬合選取6 階為宜。

表1 擬合階數(shù)對比

綜合對比4 種方法可得，小波變換方法抑制零漂信號，效果比多項式擬合好，但是小波變換運(yùn)算量大導(dǎo)致程序運(yùn)行時間過長。形態(tài)學(xué)濾波中元素的選取很重要，容易產(chǎn)生較大誤差。對于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，更多的是對數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練，學(xué)習(xí)出某種規(guī)則后才能最接近期望輸出值，算法時間復(fù)雜度為O(n2)。方法對比如表2 所示，修正效果如圖6 所示。最終選擇使用多項式擬合方式對傳感器零漂數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

表2 四種降零漂方式對比

圖6 四種方法降基線對比

4 零漂信號處理的工程應(yīng)用

本文設(shè)計的多項式擬合處理零漂信號的方式已成功運(yùn)用在贛江特大橋監(jiān)測中。贛江特大橋是世界上第一個大跨度無碴軌道高速鐵路斜拉橋，國內(nèi)首座設(shè)計時速350 km 大跨度高速鐵路斜拉橋，施工工藝復(fù)雜、監(jiān)測技術(shù)難度大。工程中整個大橋上布置了11 個加速度傳感器，采集的數(shù)據(jù)采用多項式擬合解決零漂信號，如圖7 所示，虛線是零漂基線，曲線是降零漂過后的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，圖中1 是橋梁的側(cè)面，2 是橋梁的斷面。工程中多項式擬合數(shù)據(jù)處理效果好、速度快，符合項目所需。

圖7 贛江特大橋加速度零漂處理

5 結(jié) 語

本文主要講述如何檢測和抑制橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器產(chǎn)生的零漂信號，對比了小波變換、形態(tài)學(xué)濾波、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多項式擬合的優(yōu)缺點，提出使用多項式擬合并用頻譜分析的方案。實驗通過對比分析不同階數(shù)曲線擬合抑制信號消耗的時間，選取最合適的補(bǔ)償算法，在贛江特大橋中為獲取準(zhǔn)確的橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)提供了保障。

注：本文通訊作者為李富年。