[发明专利]基于自然风激励下的铁塔沉降在线监测系统及监测方法

权利要求书

1.一种基于自然风激励下的铁塔沉降在线监测系统进行监测的方法，其特征在于，基于自然风激励下的铁塔沉降在线监测系统，包括依次连接的前端监测装置(1)、4G通信单元(2)和监控中心(3)，所述的前端监测装置(1)包括依次连接的三轴加速度传感器(1-1)、调理模块(1-2)、AD转换模块(1-3)和微处理器(1-4)，所述的微处理器(1-4)与4G通信单元(2)连接，具体按照以下步骤实施：

步骤1，建立模型，求取待检测铁塔结构正常时的阻尼比矩阵

步骤2，利用三轴加速度传感器对铁塔加速度进行采集，并利用A/D转换器将数据转换为数字量，送给微处理器；

步骤3，微处理器根据实际采集信号情况，采用ITD法计算出不同风速、风向下铁塔的阻尼比，并将其求平均值，最终得到测量的阻尼比矩阵

具体为，

步骤3.1、将加速度信号进行数字滤波、放大处理，滤出100HZ以下的干扰信号；

步骤3.2、将步骤3.1中得到的数据关于时间t做二次积分，建立关于位移响应的ITD法数学模型，如公式(3-2-1)所示，

其中，

λ_i＝-σ_i+jω_i

其中，x(t)为铁塔阻尼系统的位移响应，p_i为铁塔自由响应各阶模态振动幅值，为n×2n阶矩阵，且个列线性无关，*表示共轭；e(t)为2n阶矩阵；P矩阵的前n列和e(t)的前n个元素包含待识别的模态参数；λ_i表示无量纲复模态参数，σ_i为无量纲阻尼，ω_i为无量纲频率；j表示虚部；i＝1,2,…2n；

步骤3.3、建立铁塔自由响应的数据矩阵；

步骤3.4，构造铁塔自由响应的增广矩阵；

步骤3.5、构造铁塔系统特征方程，即公式(3-5-1)；

其中，Q＝PΔ，R＝QΔ，D_xy为2n×2n阶矩阵，D_yz为2n×2n阶矩阵；

且记，

其中，矩阵A为铁塔阻尼系统的特征矩阵；

则，

则可以计算出铁塔阻尼系统的特征矩阵A，

步骤3.6、估算模态参数；

所述的步骤3.3具体为：

设获得M个测点的自由响应时间历程按下面三种形式进行采样，

步骤3.3.1，先进行正常采样，以一定的时间间隔Δt进行采样，

X＝[x(t₁) x(t₂)…x(t_2n)]＝PE

E＝[e(t₁) e(t₂)…e(t_2n)]

其中，为铁塔的模态位移的矩阵，是n×2n阶矩阵，矩阵E为在进行矩阵推导计算时引入的一个辅助矩阵，为2n×2n阶矩阵；

步骤3.3.2，再进行延时采样，即在步骤3.3.1采样后，延时Δτ后，进行采样，

得到一个延时采样后得到的数据组成的矩阵

Y＝[x(t₁+Δτ) x(t₂+Δτ)…x(t_2n+Δτ)]＝QE

其中，为M×2n阶矩阵，矩阵Q为在进行矩阵推导计算时引入的一个辅助矩阵；

步骤3.3.3，在步骤3.3.2采样后，再延时2Δτ采样，采样得到的数据组成矩阵

Z＝[x(t₁+2Δτ) x(t₂+2Δτ)…x(t_2n+2Δτ)]＝RE

其中，为M×2n阶矩阵，矩阵R为在进行矩阵推导计算时引入的一个辅助矩阵；

所述的步骤3.4具体为，

步骤3.4.1，由步骤3.3.1正常采样时和步骤3.3.2延迟采样得到的数据构铁塔自由响应的造增广矩阵D_xy，

步骤3.4.2，由步骤3.3.2中延时Δτ采样和步骤3.3.3中延时2Δτ采样得到的数据构造增广矩阵D_yz；

所述的步骤3.6具体为：

求解3.5中铁塔阻尼系统的特征矩阵A，得到特征值

由步骤3.2知，λ_i＝-σ_i+jω_i，带入Δi中，

得：

则有：

式中，Re表示实部，Im表示虚部，

则，

即有，即求得阻尼比矩阵

步骤4，将步骤3中测量得到的阻尼比矩阵与步骤1中正常状态下得到的阻尼比矩阵进行比较，判断铁塔的状态。