基于智能手机的无线索力测量方法

赵雪峰， 丁言兵， 韩瑞聪， 喻　言， 胡伟通， 官泉华， 毛幸全， 焦　栋， 李明楚， 欧进萍,4

(1.大连理工大学 土木工程学院，辽宁 大连　116024； 2.大连理工大学 电子科学与技术学院，辽宁 大连　116024；3.大连理工大学 软件学院，辽宁 大连　116020； 4.哈尔滨工业大学 土木工程学院，哈尔滨　150090)



基于智能手机的无线索力测量方法

赵雪峰1， 丁言兵1， 韩瑞聪1， 喻言2， 胡伟通3， 官泉华3， 毛幸全2， 焦栋3， 李明楚3， 欧进萍1,4

(1.大连理工大学 土木工程学院，辽宁 大连116024； 2.大连理工大学 电子科学与技术学院，辽宁 大连116024；3.大连理工大学 软件学院，辽宁 大连116020； 4.哈尔滨工业大学 土木工程学院，哈尔滨150090)

索力测量是桥梁健康监测的重要测试项目，而传统的索力检测手段一般具有安装布线不便、成本高昂以及需专业人员操作等缺点，为此，为方便现场测量，提高测量效率，提出了一种基于智能手机的索力便携式检测方法。首先，根据频率法的测量原理设计了基于苹果手机系统的Orion CC索力测量软件；其次，将该方法与压电式加速度传感器索力测试方法作对比，测试结果可靠性高；最后，在实桥中应用，可操作性强、数据稳定性好。该基于手机的无线索力测量方法具有易操作、便捷、高效等优点，易于在桥梁结构检测工程中推广。

健康监测；振动频率法；索力测量；手机软件；猎户座云细胞

拉索是斜拉桥和悬索桥等索类结构的主要受力构件之一，无论是对于成桥还是对于在建桥梁，拉索索力的变化都将对结构整体受力和变形产生较大的影响，因而索力测试也成为评估该类结构工作状态的一个重要监测内容和评判依据[1-2]。

拉索索力测量的方法有多种，在工程应用中常用的测定方法有油压表读数法、传感器测定法以及振动频率法[3]。由于前两种方法一般仅适用于拉索张拉时的索力测定，很难对已张拉索的索力进行复测，应用受到限制。而振动频率法则能适用于多种工况，设备可重复使用，且测量精度能满足工程应用要求，因此被广泛应用。但是传统的索力测量仪器开发周期长，且不能提供良好的人机交互界面，同时仪器多采用有线通信方式，现场安装布线不方便，工作效率低[4]。

近些年来，智能手机技术发展迅速，其数据存储和处理能力也得到极大的提升，同时智能手机往往内置高性能的传感器，这为其在除通信以外的其他方面应用提供了可能，如运动信息统计[5],心率振动信息调查[6]，地震监测调查[7-8]以及2012年喻言和赵雪峰等[9]提出的手机结构健康监测的初步想法等。为此，本文基于振动频率法的索力测量原理，通过调用手机内置的加速度传感器，提出了基于智能手机无线索力测量方法。该索力测量方法具有高效便捷、易操作、界面友好等优点，易在工程中推广使用。

1　振动频率法测试原理

在基于振动频率法的索力测量系统中，首先通过数据采集模块采集拉索在外界激励下的振动加速度信号，然后通过滤波放大处理并转换为数字信号，经应用程序解析处理可得到采集数据并显示振动曲线，再将采集数据进行快速傅里叶变换得到功率谱并显示功率谱曲线，最后合理拾取功率谱中的峰值频率计算索力值。其中，根据工况对索力与频率间拟合关系的合理选择将是获得实测索力的首要步骤[10-12]。

拉索索力测定的理论基础是弦振动理论，当不考虑拉索刚度、垂度、斜度、温度及非理想边界条件时,拉索索力与基频之间的关系[13-14]为:

(1)

式中:T为拉索张力；m为拉索单位长度质量；l为索长；f1为拉索的基频。

研究表明[15]，对于60 m以上的长索，用式(1)进行索力计算即能获得工程上满意的结果，故式(1)通常作为振动频率法测定索力的简化计算公式。

但是拉索的基频往往难以直接获得。当拉索的长细比较大时，拉索各阶自振频率应是基频的整数倍，频率差可认为基本不改变，工程中常选择两相邻峰值频率间的差值作为基频或者多个峰值频率经平均后确定基频。即如式(2)所示：

f1=Δf=fn-fn-1,(n=2,3,4,…)

(2)

则式(1)又可写成如下形式：

T=4ml2(Δf)2

(3)

而智能手机往往内置加速度传感器，并且具有强大的数据运算处理和存储功能，基于此，本研究在调用手机内置的传感器系统的基础上开发相应的无线索力测量软件Orion CC (Orion Cloud Cell，猎户座云细胞)，实现了索力的快速高效测量。

2　Orion CC无线索力测量软件简介

Orion CC是基于振动频率法开发的一种手机客户端的无线索力测量软件，通过调用手机内置的加速度传感器实现加速度数据的采集，并通过软件的编写实现数据的后期处理分析，显示相应的加速度时程曲线和功率谱曲线，在人工点选相应的峰值频率后自动计算出相应的频差，根据式(3)输入相应的拉索信息参数(索长l和单位长度索的质量m)即可计算出索力值。目前所开发的软件支持苹果手机系统,已在Apple Store上架并可免费下载应用。 软件各个模块的功能介绍见图1。在参数设置界面中，用户可以根据实际需要设定相应的数据采集时长、采集频率、采集方式以及建立相应的数据文件名等，采集方式可以选择自动采集以及阈值采集。其中加速度阈值选项是为了防止手机设备在固定过程中因受到扰动而影响数据采集，相应的阈值大小可根据实际情况进行设置。

图1　Orion CC各功能模块介绍Fig.1　Function introduction of Orion CC

另外，Orion CC索力测试软件同时具有现场拍照和地理位置定位功能，为工程实际索力测试提供了方便。参数设置后便可进行数据采集工作，数据采集结束后自动显示相应的加速度时程曲线和频谱图。其中值得注意的是，在频谱图中需要手动点选至少三个连续的峰值频率点，为后续索力计算获取相应的频差数据；同时，通过人工参与的方式可以更好的根据实际情况对数据进行取舍。在获得频谱图后，应尽量采用低阶频率来计算频差和索力，当主频阶次采用10阶以下时，索力的测量误差较小[16]。输入拉索基本信息即可进行索力求解，相应的功能界面见图2。该无线索力测量系统同时具备数据上传功能，可实现监测数据的共享，为后期监测提供数据支持。

图2　主要功能界面Fig.2　Main function interface of Orion CC

相应的操作过程比较简单，在建立相应的工程任务后，进行简单的设置即可将手机固定于拉索上进行索力测量工作。应用该方法测量拉索索力效率极高，且便捷易操作，通过智能手机即可完成索力测试全部工作，节约了常规的试验仪器等费用支出，具有很好的工程应用前景。

3　手机传感器测量精度验证

实验室桥索模型选用大连理工大学智能结构实验室的斜拉索。拉索单位长度质量为1.01 kg/m，索长为11.3 m，弹性模量为1.95×1011Pa，拉索与水平面的夹角为19.47°。试验中将两个压电式加速度传感器和iPhone4s同时固定在拉索1/4处，每次测试过程中均给予两次人工激励，重复多次测试。试验结束后用MATLAB分别对基于iPhone4s和基于压电式加速度传感器采集到的加速度数据进行处理，得到相应的加速度时程曲线和经快速傅里叶变换后的功率谱曲线，选取其中一组测试结果分别见图3和图4。

图4　频谱图Fig.4　Power spectrum density

拾取频谱图中的峰值频率得到频差，由式(5)计算出相应的索力值。计算结果见表1。

表1　拉索试验结果对比

由图3和图4可知，基于智能手机的无线索力监测的数据结果与常规的压电式加速度传感器测试结果基本吻合，从表1可知，最大的测试误差发生在2#压电式加速度传感器和iPhone4s之间，索力误差仅为0.137%，说明本文所提出方法的可靠性。

另外，测试中也对不同型号的iPhone手机(iPhone4s与iPhone5s)以及同型号(iPhone4s)的不同手机进行了对比测试。在试验过程中我们发现，不同型号的iPhone手机测试结果数据稳定性都很好，且与常规检测方法相比误差均很小，但是高配置的iPhone手机的测试结果略优于同等条件下低配置的手机。而相同型号的不同手机对比结果基本保持一致。

在保证准确性的前提下，相比于常规的索力测试方法，基于智能手机的测试方法无需复杂的布线和数据传输设备，同时操作简单高效，普通技术人员即可完成相应操作，从而在提高效率的同时也降低了实验仪器和人工成本的投入，具有显著优势。

4　工程现场测试

经过实验室的验证对比，基于智能手机的索力测试方法的可靠性和准确性得到证明，接下来利用该方法对星海湾跨海大桥实际桥梁拉索索力进行测试，来验证该方法在实际应用中的实用性。

星海湾跨海大桥位于辽宁省大连市，是东北地区最长的跨海大桥工程，中国首座海上地锚悬索式跨海大桥，大桥全长5 898 m，双层双向八车道，主桥为双塔三跨地锚式悬索桥,跨度布置为180 m+460 m+180 m。

由于该桥拉索众多，本次测试仅以18#桥索为例进行索力测试。18#包括两根拉索(18#_E 和18#_W)，索长为68.18 m，每延米拉索质量为24.4 kg/m。该测试使用的是iPhone5s，每根拉索连续测试3次，每次测试时长取默认值60 s。因为手机与待测结构间的固定松紧程度将会影响到振动测试的效果，所以，本文选用手机套对手机装置进行尼龙扣搭接绑固，手机套前面层为透明软胶体，可直接对手机进行触屏操作，测试现场见图5和图6。

图5　测试现场操作Fig.5　Field operation on Xinghai Bay Cross-sea Bridge

图6　测试装置实拍图Fig.6　Scene drawing of cable force test

测试结束后，在相应的的工程项目中找到所对应的数据文件，即可获得相应的加速度时程曲线和频谱图，在频谱图中手动点选合适的连续峰值频率，输入相应的拉索基本参数即可完成索力测量工作，测试结果见表2。

表2　18#拉索现场测试结果

从表2可知，18#_E和18#_W两根索的索力测量值最大偏差分别为0.70%和1.89%，而两个拉索虽然属于同一拉索编号序列，但是因为锚固位置的不同索力值也有所差异。从该实际工程测试结果中不难发现基于智能手机的无线索力测量方法的数据稳定性好，值得在工程中推广应用。并且，该无线测量方法的可操作性强，手机操作界面比较友好，设备安装也极为方便，测试过程简单且耗时短，从而极大的提升了测量效率。同时，该方法省去了常规检测方法中专业技术人员和专业作业设备等的必要需求，仅用身边的智能手机即可完成索力测量工作，极大的降低了成本。

5　结　论

本文从智能手机在现在社会中普遍使用的事实出发，基于振动频率法索力测量原理，开发了工程适用性强的无线索力测量系统。在与常规的索力测试方法对比试验中，两种方法相对误差很小，说明该索力测量方法的可靠性。将该方法运用到大连星海湾跨海大桥实测中，实测数据结果稳定性好，且测试效率高、可操作性强，说明该索力测量方法在工程上的实用性。该方法具有简单易操作、界面友好、测量效率高、数据稳定性好、节约成本等诸多优点，在工程应用中具有很大潜力。

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Smartphone-based wireless cable tension measurement method

ZHAO Xuefeng1, DING Yanbing1, HAN Ruicong1, YU Yan2, HU Weitong3, GUAN Quanhua3, MAO Xingquan2, JIAO Dong3, LI Mingchu3, OU Jinping1,4

(1. School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;2. School of Electronic Science and Technique, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;3. School of Software Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116020, China;4. School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

Cable tension measurement is an important test item in bridge health monitoring. However, the traditional cable tension test methods have the disadvantages of inconvenience in installation and cabling, high cost and requirement of professional operation. Therefore, for facilitating the field measurement and improving the efficiency of measurement, a smartphone-based portable cable tension test method was proposed. According to the principle of vibration-frequency measurement, an iPhone-based cable tension measurement software by the name of Orion CC was designed. A contrast experiment between the measurements of cable force by piezoelectric accelerometer and smartphone was carried out to verify its reliability. The application in actual bridges also demonstrates its strong maneuverability and data stability. Compared with the conventional method, the smartphone-based wireless cable tension measurement method shows its advantages such as easy operation, convenience and efficiency, which is easy to be popularized in bridge structure detection.

structural health monitoring; vibration-frequency method; cable tension; mobile software; Orion CC

十二五国家科技支撑计划(2011BAK02B01 )

2015-07-20修改稿收到日期：2015-09-29

赵雪峰 男，博士，教授，1977年生

U446.1

A DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.14.024