一种双加速度计强振动判别方法及监测仪与流程

本发明涉及震动检测，具体来说是一种双加速度计强振动判别方法及监测仪。

背景技术：

1、建筑物振动监测在确保公共安全、延长建筑寿命、优化维护策略、提升居住和工作环境质量以及支持科学研究等方面扮演着关键角色。现有技术中主要有两种方法用于监测建筑物振动：一种是利用振动传感器进行实时监测，另一种是通过图像处理技术间接捕捉与分析。振动传感器监测是一种普遍的方法，它通过在建筑结构中安装振动传感器来直接收集振动数据。

2、在现有技术中，常用的加速度计有石英加速度计和mems加速度计(又称微机电系统加速度计)。石英加速度计因其出色的线性度、低噪声和长期稳定性，在高精度振动监测中得到了广泛应用。然而，它的响应时间较长，这在高频动态检测中可能导致一定的滞后。相比之下，mems加速度计因其小型化、低成本和快速响应的特点，在强振动监测中被广泛使用。它们能够迅速捕捉到强振动信号，但在低频振动检测方面，其测量精度较低，容易受到环境噪声的影响，这会降低监测系统的准确性和可靠性。此外，建筑物中单个加速度计的监测结果容易受到安装点附近环境的影响，例如，将人员走动误判为强振动。而多点安装的分布式加速度计则面临时间同步和数据快速整合分析的挑战。

3、因此，现亟需设计一种充分利用多种加速度计的各自优势，实现更全面的振动监测的监测方法和检测装置，解决双加速度计的检测系统中如何有效整合数据、实时判断振动的真实性以及减少误报的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双加速度计强振动判别方法及监测仪，用以结合石英加速度计和mems加速度计，发挥石英加速度计高精度以及mems加速度计快速响应的特性，并且克服两种加速度计在同步采集数据时的干扰和误差问题，通过一致性分析提高强振动判别准确性，降低误报。

2、为了实现上述目的，设计一种双加速度计强振动判别方法，包括如下步骤：步骤s1.采集振动信号，包括石英加速度计和mems加速度计的两种加速度计信号；步骤s2.将采集到的振动信号进行加速度还原、滤波、去均值处理；步骤s3.进行强振动信号判别，包括：步骤s3.1.通过振动波拾取算法处理振动信号，若振动信号中两种加速度计信号均超过阈值，初步判断该振动信号为强振动信号，并进入步骤s4，若不满足均超过阈值则进入步骤s3.2；步骤s3.2.将两种加速度计信号的垂直向轴的波形一致性指标与阈值进行比对判别：若两种一致性指标均超过阈值，判定为强振动信号，进入步骤s4；若两种一致性指标均不超过阈值，判定为非强振动信号，进入步骤s4；若两种一致性指标仅部分超过阈值，则将两种加速度计信号的三轴数据合成，进入步骤s3.3；步骤s3.3.对合成后数据垂直向轴的波形的一致性指标再次判别，若超过阈值则判定为强振动信号，若不超过阈值则判定为非强振动信号，进入步骤s4；步骤s4.强振动监测仪对判别为强振动信号的数据进行标记，标记的内容包括强振动次数和最大振幅，并且将超过特定阈值的强振动信号数据形成单独文件进行存储；步骤s5.将标记后的强振动信号数据文件中的加速度数据合成、去均值、去线性后进行积分与校正处理，得出振动信号产生的参数作为建筑物结构健康监测指标，所述参数包括：加速度峰值、运动速度峰值、位移峰值和持续时间。

3、优选地，本发明的方法还包括：所述步骤s3.1的具体方法如下：通过计算分别得到石英加速度计信号和mems加速度计信号的垂直向轴的波形值ra、rm；设置触发阈值rth和结束阈值re；石英加速度计和mems加速度计对应的超过阈值标志位分别为fas、fms，所述超过阈值标志位fas、fms与垂直向轴的波形值ra、rm和触发阈值rth的逻辑关系如下式：

4、

5、设有共同超过阈值标志位fs，所述共同超过阈值标志位fs与阈值标志位fas、fms的逻辑关系如下式：

6、fs＝fas and fms；

7、and表示fas和fms做与逻辑运算，当fs的值连续k次都为1时，判断两种加速度计信号都超过触发阈值，k为任一设定的正整数，同时记录此时全球导航卫星系统模块获取的时刻ts；还包括设置石英加速度计信号和mems加速度计信号的结束阈值标志位fae、fme，结束阈值标志位fae、fme与垂直向轴的波形值ra、rm和结束阈值re的逻辑关系如下式：

8、

9、设有共同结束阈值标志位fe，所述共同结束阈值标志位fe与阈值标志位fae、fme的逻辑关系如下式：

10、fe＝fae and fme；

11、and表示fae和fme做与逻辑运算，在ts时刻开始后监视fe的值，连续k次fe的值都为1时判断此次触发结束，记录此时全球导航卫星系统模块获取的时刻te，k为任一设定的正整数。

12、优选地，本发明的方法还包括：所述步骤s3.2的具体方法如下：步骤s3.2.1.截取两种加速度计信号在时间ts到te之间的垂直向轴的波形数据，对波形数据进行平滑处理；步骤s3.2.2.计算得到所有峰值；步骤s3.2.3.计算第一个峰值和第二个峰值之间的过零点，将此过零点时刻作为第一个过零点，并依次计算多个过零点及过零点时刻序列；步骤s3.2.4.计算两种加速度计信号对应数据的余弦相似度。

13、优选地，本发明的方法还包括：所述步骤s3.2.2中所述所有峰值计算方法如下：计算所有的峰值后得到峰值个数n1；对波形数据再次做平滑处理，计算得到峰值个数n2，如果n1≠n2，则认为后一次峰值计算有效，否则为前一次有效，继续对波形数据做平滑处理后计算峰值个数，直至前后两次峰值个数相等，此时认为前一次计算有效；峰值计算和识别结束，得到峰值数据和峰值对应时间数据。

14、优选地，本发明的方法还包括：所述步骤s3.2.3中过零点计算方法如下，包括：步骤s3.2.3.1.计算得到所有过零点时刻序列；步骤s3.2.3.2.依据所有峰值计算中得到的峰值对应时间数据，得到平均时间差δt，所述时间数据为峰值时刻序列[t1,t2,...ti]，i∈[1，n]，其中n是计算得到的峰值个数，所述平均时间差δt计算公式为：

15、

16、其中平均时间差δt近似为与一个振动波形相邻峰之间的峰值时间差相近似，即与一个振动波形周期的二分之一相近似；步骤s3.2.3.3.设置阈值εz，计算公式为：

17、

18、其中k为任取的正整数，用此阈值对两种加速度计的过零点时刻序列进行修正，修正计算方法参照下式：

19、

20、通过以上步骤得到石英加速度计和mems加速度计的峰值数据、峰值时刻数据和过零点时刻序列数据txzi，其中x可以代入a或m，a表示石英加速度计，m表示mems加速度计，i∈[1，m]，m表示加速度计过零点个数。

21、优选地，本发明的方法还包括：所述步骤s3.2.4的余弦相似度计算方法如下：

22、

23、其中，sz表示两种加速度计过零点序列相似度，n的表达式为n＝min(m,n)，即取m，n的较小值，n表示石英加速度计过零点个数，m表示mems加速度计过零点个数，tazi表示石英加速度计的过零点序列，记为[taz1,taz2,...tazi]，i∈[1，n]，tmzi表示mems加速度计的过零点序列，记为[tmz1,tmz2,...tmzi]i∈[1，m]，；两种加速度计的峰值数据、峰值对应时间数据和过零点时刻序列数据，然后通过两种加速度计的峰值数据计算得到余弦相似度sa，通过两种加速度计峰值时刻计算得到余弦相似度saz，通过两种加速度计过零点时刻计算得到余弦相似度sz，最后用平均值整合衡量，计算方法如下：

24、

25、其中，s表示波形一致性判断值，saz表示峰值时间的余弦相似度，sz表示峰值余弦相似度，s越接近1表示石英加速度计与mems加速度计波形越一致；当s大于设定的阈值，表示两种加速度计的垂直向轴的波形一致，继续判断其他方向轴上的波形相似度；将北南向轴与东西向轴数据合成后计算，合成公式如下：

26、

27、其中az表示垂直向轴数据，ax表示北南向轴数据，ay表示东西向轴数据；所述三个方向轴的波形一致性判断参考上述垂直向轴的判断流程，如果超过阈值则将此次振动判别为强振动。

28、本发明还提供一种双加速度计强振动监测仪，包括：至少两个监测点位，所述监测点位设置于建筑物结构中，所以监测点位之间保留有间距，所述间距为至少2米以上，所述监测点位之间保留有高度差；监测主机，设置于监测点位上，所述监测主机包括：数据处理模块8和存储传输模块，所述数据处理模块8包括如上述的强振动判别方法；若干石英加速度计，所述若干石英加速度计固定在另一监测点位上，分别沿地面垂直向轴、南北方向轴和东西方向轴安装，并与监测主机信号连接；若干mems加速度计，设置在监测主机内并与监测主机信号连接。

29、优选地，本发明的监测仪还包括：还包括：若干32位模数转换器模块，与所述若干石英加速度计信号连接；若干24位模数转换器模块，与所述mems加速度计信号连接；所述32位模数转换器模块和24位模数转换器模块与数据处理模块通过数字隔离模块连接。

30、优选地，本发明的监测仪还包括：所述数据处理模块包括：微处理器和全球导航卫星系统模块，所述微处理器与全球导航卫星系统模块信号导通用于将全球导航卫星系统模块获取的时间信号和地理坐标信号传输到微处理器。

31、优选地，本发明的监测仪还包括：所述存储传输模块包括：存储设备、串行通信接口、网络接口和上位机，所述串行通信接口和网络接口分别与上位机和微处理器信号连接，使得上位机与微处理器之间信号导通；所述存储设备与微处理器信号连接，使得微处理器产生的数据被保存在存储设备中；所述存储设备包括：闪存存储器、电可擦除可编程只读存储器和安全数字卡存储器中的至少一种。

32、本发明同现有技术相比，其优点在于：

33、通过集成石英加速度计和mems加速度计，本发明能够精确区分强振动信号与环境噪声信号，有效降低了振动信号识别过程中的误报率，增强了系统的可靠性，并提高了建筑物强振动监测的精确度。