数字滤波在钢桥应力监测信号处理中的应用new

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1、第28卷第1期河南科学Vol.28No.12010年1月HENANSCIENCEJan.2010文章编号：1004-3918（2010）01-0071-03数字滤波在钢桥应力监测信号处理中的应用1，222杨光，万红，李洪波（1．同济大学桥梁工程系，上海200092；2．河南省电力勘测设计院土建室，郑州450007）摘要：根据钢桥应力监测实际特点，利用MATLAB数字滤波工具，设计了巴特沃斯低通数字滤波器；总结了数字滤波器中各参数对钢桥应力监测信号滤波效果的影响，最后设定合理滤波参数，对钢桥应力监测信

2、号进行数字滤波，获得了较好的效果，提高了钢桥疲劳剩余寿命评估的精度.关键词：钢桥；应力监测信号；巴特沃斯低通滤波器；疲劳剩余寿命评估中图分类号：TN713+.7；U441文献标识码：A为了精确评定钢桥疲劳损伤状态和结构剩余疲劳寿命，首先需要获得正确的疲劳应力谱.以往疲劳应力谱的获得通常利用交通调查，对桥梁的实际运营荷载通过适当简化获得相应的疲劳车辆荷载谱，再利用计算得到的主要细节的影响线通过疲劳车辆车载谱加载，最终获得模拟的应力谱[1].但随着应力监测技术的进步和发
2.0展，通过实时采集的方法获

3、得实测应力谱已经成为可能，较之模拟得到的应力谱更加真实和准确，使疲劳寿命评估更1.5加准确和可靠.1.0钢桥在运营过程中受到温度、风等环境荷载及车辆荷变应0.5载的综合作用，其中温度荷载变化较为缓慢，仅对平均应力或者说测量仪器的应力零点起始位置有影响.应力监测中0主要的应力幅主要是由车辆荷载引起的，但由于电磁干扰、-0.5导线电流干扰、结构本身高阶振动和低阶回弹振动等因素1.8551.8601.8651.8701.8751.880

的影响，用于应力监测的应变监测仪信号中含有大量的不5t（/×

4、10s）属于结构响应的无效杂波需要剔除，如图1所示.需要对图1车辆经过时典型应力历程应变监测信号进行必要的滤波处理.虽然新型的应变监测Fig．1Typicalstresshistoryofvehicle仪器已经具有自动电路模拟滤波功能，但由于信号对滤波参数较为敏感，仪器本身滤波功能难以达到预期目的，因此对应力监测信号进行数字滤波后处理是必需的.1巴特沃斯数值滤波器的特性及设计滤波是信号处理的一种最为基本而重要的技术，利用滤波器可以从复杂的信号中提取所需要的信号，抑[2]制不需要的信号.巴特沃斯（Bu

5、tterworth）滤波器由于具有通带内极大平坦，过渡带与阻带单调衰减等良好的幅频特性，因此成为信号处理中应用最广泛的几种滤波器之一.模拟巴特沃斯滤波器的设计方法已相当[3]成熟，有严格的设计公式、现成的图表可供设计人员使用.相对于模拟滤波，数字滤波具有精度高、灵活性好、可靠性高等明显优势并且可以针对信号处理的要求，通过修改参数来改变滤波特性，所以在实际中使用[4]更多的是数字滤波器.设计一个数字滤波器，首先需要从实际出发，运用其它专业对所监测对象的预期判断和对监测数据的初步分析，确定所需要的设计要

6、求范围，例如：通带截止频率、阻带截止频率、过渡段衰减系数等，通过对幅频特性和衰减特性等数字滤波器参数的试算和调整，最终确定合适的参数来获得较好的滤波效果.本文采用双线性变换的巴特沃斯数值滤波器，属无限冲激响应数值滤波器（IIR）中之一种，其滤波器特性[5]见图2所示.频率响应有通带、过渡带及阻带3个范围（而不是理想的陡截止的通带、阻带两个范围）.在收稿日期：2009-09-15作者简介：杨光（1979-），男，河南洛阳人，工程师，工学博士，研究方向为钢与组合结构桥梁.-72-河南科学第28卷第1期

7、通带内，幅度响应以误差±δ1逼近于1.在阻带中，幅│H（He(jwe）│)度响应以误差小于δ2而逼近于零.ωp和ωs分别为通11+εe11带截止频率和阻带截止频率，他们都是数字域频率，在11-
eε11实际应用过程中需要进行归一化处理.为了逼近理想低通特性，在非零宽度（ωs-ωp）的过渡带内，对过渡带通带过渡带阻带的频率响应不做规定，只需给出信号衰减速度参数，使其平滑地从通带下降到阻带.因本文滤波信号为钢桥eε2局部应力监测波，需要的信号为低频信号，因此仅对低0?ωpω?ssπpω

8、?通滤波器做讨论.[5]图2低通滤波器的特性巴特沃斯低通滤波器的幅度平方函数为Fig．2Characteristicsoflow－passfilter21│H（jΩ）│=，
a2NH
(jW2)1+（jΩ/jΩc）│H（ajΩ）│11式中：N为正整数，称为滤波器的阶数（如图3所示），N值越大，通带和阻带的近似就越好，过渡带的特性越陡.但滤波器的阶次越高，即N值越大，对峰值区信N=2N=21/21/2号的削弱就越大，而在进行应力监测中最为关心的部N=4N=4分恰恰是峰值