本發(fā)明涉及一種基于修正fft算法的索力動(dòng)測(cè)儀及其算法，屬于土木工程領(lǐng)域，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)安全健康監(jiān)測(cè)行業(yè)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)：傳統(tǒng)的索力測(cè)試系統(tǒng)雖然通過時(shí)域采樣并經(jīng)過fft轉(zhuǎn)換成頻域，但是由于受到采樣點(diǎn)數(shù)和設(shè)備處理器運(yùn)算能力的限制，往往頻率的精度不能得到很高，而且我們的被測(cè)對(duì)象都是橋梁纜索，屬于低頻信號(hào)，此時(shí)頻率精度對(duì)測(cè)量精度的影響將非常大，從而導(dǎo)致索力測(cè)量誤差較大。

比如傳統(tǒng)的fft計(jì)算的頻率分辨率公式δf=sf/n，其中sf為采樣速率，n為采樣點(diǎn)數(shù)，假設(shè)采樣速率為200hz，采樣點(diǎn)數(shù)為500點(diǎn)，則δf=0.4hz，那么頻率誤差最大為0.2hz，再根據(jù)索力計(jì)算公式（n為頻率階數(shù)，默認(rèn)為1，4ml²為常數(shù)不變），假設(shè)被測(cè)纜索的測(cè)量頻率為2.4hz，實(shí)際頻率為2.2hz，那么力值誤差將有（5.76-4.84）/4.84=19%，故頻率的測(cè)量精度對(duì)最終的力值影響將是非常大的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于修正fft算法的索力動(dòng)測(cè)儀及其算法，由于fft譜是加窗截?cái)嗟碾x散譜變換,會(huì)產(chǎn)生泄漏現(xiàn)象,要以fft譜反推出實(shí)際的頻率f值,既要考慮到窗函數(shù)的影響,又要考慮到f的大小,即頻率在fft譜上所處的位置，本發(fā)明利用時(shí)域信號(hào)經(jīng)過fft變換后，對(duì)信號(hào)頻率在fft中所處位置對(duì)泄漏的影響從而找出fft修正的算法，使得索力動(dòng)測(cè)儀的測(cè)頻精度大大提高，提高了索力測(cè)量精度，從而進(jìn)一步提升了設(shè)備使用價(jià)值。

本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：

一種基于修正fft算法的索力動(dòng)測(cè)儀，它包括振動(dòng)傳感器、抗混疊濾波器、adc轉(zhuǎn)換器、嵌入式處理器、鍵盤、rtc實(shí)時(shí)時(shí)鐘、電源管理模塊、lcd顯示器和dsp處理器；

振動(dòng)傳感器與抗混疊濾波器連接，抗混疊濾波器與adc轉(zhuǎn)換器連接，adc轉(zhuǎn)換器與嵌入式處理器連接；

鍵盤、rtc實(shí)時(shí)時(shí)鐘、lcd顯示器和dsp處理器都與嵌入式處理器連接。

一種用于所述的索力動(dòng)測(cè)儀的修正fft算法：

時(shí)域信號(hào)經(jīng)過fft變換后，對(duì)信號(hào)頻率在fft中所處位置對(duì)泄漏的影響得出fft修正的算法，具體計(jì)算方法為：設(shè)基頻信號(hào)的幅度為an，頻率為fn，則基頻信號(hào)在fft譜上的前兩個(gè)點(diǎn)和后兩個(gè)點(diǎn)的幅度分別為an-2、an-1，an+1、an+2，當(dāng)an-2²+an-1²大于an+2²+an+1²，即基頻信號(hào)前兩個(gè)點(diǎn)的功率之和大于基頻后兩個(gè)點(diǎn)的功率之和時(shí)，修正頻率值等于fx=fn+[1-（an-2²+an-1²）/（an-2²+an-1²+an²+an+2²+an+1²）]；

同理當(dāng)an-2²+an-1²小于an+2²+an+1²，即基頻信號(hào)前兩個(gè)點(diǎn)的功率之和小于基頻后兩個(gè)點(diǎn)的功率之和時(shí)，修正頻率值等于fx=fn+[1+（an+2²+an+1²）/（an-2²+an-1²+an²+an+2²+an+1²）],這樣就得到了高精度的修正后的頻率值；

再通過經(jīng)典索力計(jì)算公式計(jì)算得出索力值，其中l(wèi)為索長(zhǎng)，m為單位長(zhǎng)度索重，fn為第n階振動(dòng)頻率。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)原理：因?yàn)樗髁Φ幕l、二階、三階等頻率值的獲取都是通過得到該頻點(diǎn)的幅值最大值來選取的，因?yàn)閒ft變換后，所有我們關(guān)心的如基頻，只能在fft的等間隔頻率分辨率的點(diǎn)上，即δf=sf/n這些點(diǎn)，這些點(diǎn)只有當(dāng)整數(shù)倍采樣的時(shí)候，實(shí)際頻率才會(huì)落到fft頻率分辨率的點(diǎn)上，這在實(shí)際中基本沒有任何用處，因?yàn)閷?shí)際的頻率是隨機(jī)的，而且是實(shí)數(shù)，如果要想得到高精度的頻率分辨率，需要降低采樣速率和提高采樣點(diǎn)數(shù)，但這兩種措施在實(shí)際中都很難操作，降低采樣速率可能導(dǎo)致不滿足采樣定理，而提高采樣點(diǎn)數(shù)，則需要設(shè)備的處理器具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，從成本可實(shí)現(xiàn)上可能得不償失。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明專利利用修正的fft算法，得到了精確實(shí)際頻率值，使得力值測(cè)量，經(jīng)過修正fft算法的頻率值精度在萬分之五以內(nèi)，而常規(guī)fft計(jì)算完后的頻率精度最高只有2%左右，而且隨著頻率降低，誤差越大。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明的算法流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖1、2對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述：

一種基于修正fft算法的索力動(dòng)測(cè)儀，它包括振動(dòng)傳感器1、抗混疊濾波器2、adc轉(zhuǎn)換器3、嵌入式處理器4、鍵盤5、rtc實(shí)時(shí)時(shí)鐘6、電源管理模塊7、lcd顯示器8和dsp處理器9；

振動(dòng)傳感器1與抗混疊濾波器2連接，抗混疊濾波器2與adc轉(zhuǎn)換器3連接，adc轉(zhuǎn)換器3與嵌入式處理器4連接；

鍵盤5、rtc實(shí)時(shí)時(shí)鐘6、lcd顯示器8和dsp處理器9都與嵌入式處理器4連接。

嵌入式處理器4將adc轉(zhuǎn)換器3采集到的時(shí)域信號(hào)經(jīng)過dsp處理器9fft轉(zhuǎn)換并修正后，得到高精度索力值，并通過lcd顯示器8顯示出來。

dsp處理器9使用修正fft算法得到高精度的頻率值。

一種用所述的索力動(dòng)測(cè)儀的修正fft算法：

時(shí)域信號(hào)經(jīng)過fft變換后，對(duì)信號(hào)頻率在fft中所處位置對(duì)泄漏的影響得出fft修正的算法，具體計(jì)算方法為：設(shè)基頻信號(hào)的幅度為an，頻率為fn，則基頻信號(hào)在fft譜上的前兩個(gè)點(diǎn)和后兩個(gè)點(diǎn)的幅度分別為an-2、an-1，an+1、an+2，當(dāng)an-2²+an-1²大于an+2²+an+1²，即基頻信號(hào)前兩個(gè)點(diǎn)的功率之和大于基頻后兩個(gè)點(diǎn)的功率之和時(shí)，修正頻率值等于fx=fn+[1-（an-2²+an-1²）/（an-2²+an-1²+an²+an+2²+an+1²）]；

同理當(dāng)an-2²+an-1²小于an+2²+an+1²，即基頻信號(hào)前兩個(gè)點(diǎn)的功率之和小于基頻后兩個(gè)點(diǎn)的功率之和時(shí)，修正頻率值等于fx=fn+[1+（an+2²+an+1²）/（an-2²+an-1²+an²+an+2²+an+1²）],這樣就得到了高精度的修正后的頻率值；

再通過經(jīng)典索力計(jì)算公式計(jì)算得出索力值，其中l(wèi)為索長(zhǎng)，m為單位長(zhǎng)度索重，fn為第n階振動(dòng)頻率。

實(shí)施例：

本發(fā)明專利在實(shí)施過程中，嵌入式處理區(qū)使用ti公司的cortex-a8內(nèi)核的處理器，能夠滿足lcd圖形顯示和人機(jī)交互界面、報(bào)表制作、打印、人機(jī)接口等功能。dsp處理器采用ti公司的c55xx系列的處理器，用于fft計(jì)算和修正fft算法，并能夠?qū)崟r(shí)顯示頻譜圖形。adc轉(zhuǎn)換器采用adi公司的ad7190，具有4.8ksps的采樣率及24位分辨率，能夠滿足索力帶寬及精度的測(cè)試要求。抗混疊濾波器一般采用有源濾波器設(shè)計(jì)，截止頻率選擇100hz，對(duì)于低于100hz的采樣，為了滿足采樣定理，使用過采樣抽取的方式。系統(tǒng)在執(zhí)行運(yùn)算過程中，根據(jù)配置的纜索和采樣參數(shù)，將采集到的時(shí)域信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行fft計(jì)算后，再根據(jù)人工選擇的基頻頻率，當(dāng)光標(biāo)放在被選頻率上，并選擇高精度計(jì)算按鈕，此時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)當(dāng)前頻率使用修正fft算法，得到高精度的頻率值，最終得到高精度的索力值。

對(duì)比參數(shù)表：