結構人致振動舒適度無線評估系統(tǒng)實現與工程實踐

摘要 為了準確測量結構的振動加速度，科學高效地判斷振動是否引起使用者的不適和影響結構的正常使用，利用IEPE壓電式傳感器和微型電腦樹莓派（Raspberry Pi），基于Python計算機編程語言設計一款智能慣性評估系統(tǒng)，同時將國內外結構人致振動舒適度評估標準寫入該系統(tǒng)，使結構振動測量評估系統(tǒng)的成本和硬件尺寸最小化，并實現無線傳輸、快速處理數據和判斷評估振動舒適度的功能?；谏鲜龉δ苣繕耍詫嶒炇胰诵袠驗槔cDASP工程版動態(tài)測試分析系統(tǒng)采集的加速度響應進行對比，幅值譜主頻相對誤差在0.02%～2.85%之間，驗證了傳感系統(tǒng)采集精度。以人行天橋、教學樓樓蓋、住宅樓樓蓋和宿舍樓樓蓋為研究對象在人致激勵作用下進行振動舒適度測試，結果表明：研制的智能慣性傳感系統(tǒng)可高效、實時測量結構產生的加速度響應，并且可以準確判斷振動舒適度，為研究人員提供可靠的振動舒適度評估結果。

關鍵詞 人致振動; 振動舒適度; 樹莓派; 傳感器; 加速度

引 言

隨著中國社會經濟的發(fā)展和人民生活水平的日益提高，在考慮結構安全性問題的同時，關于建筑物振動舒適度的問題也引起了人們的高度重視。輕質高強材料的廣泛應用和建筑物獨特的造型使結構的跨度增大，阻尼變小，自振頻率降低，在人致激勵作用下容易引起結構的大幅度振動，造成使用人員的心理恐慌以及影響結構的正常使用。因此對建筑物結構進行振動舒適度準確評估可以保證結構的可靠性，使用戶具有良好的使用感，同時對優(yōu)化結構、延長結構的安全壽命具有重大意義［1?3］。

目前，國內外學者在進行結構振動舒適度研究中多采用傳統(tǒng)有線傳感系統(tǒng)。汪志昊等［4］在進行鋼混疊合板組合樓蓋振動舒適度研究時，采用COINV型數據采集系統(tǒng)及DH610V型電磁式速度傳感器。何余良等［5］在進行人致激勵下裝配式樓板振動舒適度分析時，采用東華加速度測試系統(tǒng)進行加速度響應采集。丁葉蔚等［6］開展木樓蓋振動測試與舒適度分析時，采用了包含信號采集箱、調理箱及分析軟件的CRAS信號采集分析系統(tǒng)。Setareh［7］在對細長人行橋的振動舒適度問題的模態(tài)測試中，采用16通道的信號采集儀及加速度計進行試驗，使用ME' scope VES系統(tǒng)進行模態(tài)分析。Cao等［8］在用誤差域模型證偽的方法評估人行橋的振動舒適度的現場試驗中，使用PCB 393B12傳感器測量動態(tài)響應。傳統(tǒng)的傳感器采集系統(tǒng)雖具有完備的采集體系，但其體積大，連接設備多，不方便攜帶，布線繁雜，同時采集系統(tǒng)只進行信號采集與模態(tài)等分析，對于結構的振動舒適度無法進行快速準確的判斷，還需在數據分析結束后根據規(guī)范進一步評估。

還有部分學者為振動測量自行研發(fā)加速度傳感器。金嶠等［9］結合等強度梁與L型轉軸設計了一種可調節(jié)靈敏度及量程的用于測量樓蓋振動的光纖加速度傳感器，光纖傳感器易受溫度影響，且需要光纖解調儀輔助采集，對測試環(huán)境有一定的要求。童一飛等［10］設計了一款以FPGA為主控芯片的低功耗的傳感器采集系統(tǒng)用于工程領域振動測試，但FPGA只能依靠硬件來進行功能實現，設計人員需要對硬件系統(tǒng)及內部資源較為熟悉才能保證各元器件的配合，開發(fā)具有難度。王占友等［11］基于恩智浦單片機和IEPE傳感器提出了一種智能加速度傳感方案，單片機在開發(fā)難度上大大降低，卻不能運行分時操作系統(tǒng)，需要編程后再上傳至主板。

綜上所述，針對結構振動舒適度問題和現有傳感器的缺陷，本文研發(fā)了一款基于樹莓派4B的振動舒適度無線智能評估系統(tǒng)，基于Python計算機編程語言進行編程實現了加速度響應的采集和數據快速傅里葉變換，并且將國內外振動舒適度評估標準寫入系統(tǒng)，在采集測量結束后即可得到不同標準下的評價結果，通過現場試驗對系統(tǒng)的準確性進行驗證，并使用該系統(tǒng)對樓蓋進行測試。試驗表明該系統(tǒng)可實現對人致振動下結構動態(tài)響應的監(jiān)測，與傳統(tǒng)傳感系統(tǒng)相比具有體積小，輕量級，成本低，易開發(fā)，易攜帶，可視化，可進行振動舒適度評估的優(yōu)勢。

1 人致振動舒適度評估標準

為滿足大跨樓蓋在人致激勵作用下的振動舒適度要求，主要采用以下兩種控制方法來保證達到結構的舒適度指標：一是頻率調整法，該方法規(guī)定結構的基頻必須大于設定的頻率基準值；二是動力響應分析法，該方法規(guī)定結構的振動響應必須小于規(guī)定的響應限值，常選用振動加速度響應為動力響應。杜浩等［12］研究膠合木?混凝土組合樓蓋在人行荷載激勵作用下的振動舒適度時，采用了基頻和峰值加速度雙重指標進行振動舒適度評估［13?14］。在振動舒適度評估中，自振頻率只能作為舒適度評估的初步條件，評估標準還應滿足人行荷載下結構的動力響應的要求。故考慮到對加速度響應的限制及時間等因素，本系統(tǒng)采用的中國、美國、歐洲的評價標準分別為文獻［15?17］。

1.1 中 國

文獻［13］中第4.2.1條規(guī)定：以行走激勵為主的建筑樓蓋，第一階豎向自振頻率不宜低于3 Hz，豎向振動峰值加速度不應大于表1中的限值。

1.2 美 國

文獻［14］中每個評估標準由兩部分組成：加速度或速度方面的結構響應預測和容許限值。如果結構響應沒有超過容許限值，則預測樓板或其他評估元件僅允許由于人類活動引起的可接受的振動水平。該標準提出的樓板結構和人行天橋的峰值加速度限值如圖1所示。

1.3 英 國

文獻［17］中第3.5條提出了考慮長期振動過程中可能存在的停歇期和幅值變化的振動劑量值（VDV）方法：

式中 VDV為振動劑量值；a（t）為頻率加權加速度；T為振動的總周期；m/s1.75為單位。表2給出了不同情況下VDV的允許值。

2 人致振動舒適度評估系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)方案設計

本文設計的智能評估系統(tǒng)整體設計方案如圖2所示。該方案主要分為加速度采集、振動舒適度判斷以及數據輸出三個模塊。將CT1050LC型號的IEPE加速度傳感器放置在結構上，啟動評估系統(tǒng)客戶端，MCC 172數據采集卡對加速度響應進行采集，將采集的數據傳輸至樹莓派4B主板的判斷系統(tǒng)，根據判斷系統(tǒng)中的評估標準［15?17］進行結構的舒適度判斷，最后將結構舒適度評估結果輸出至評估系統(tǒng)客戶端供試驗人員參考，測量過程中采集的加速度數據自動保存至CSV文件中便于察看和用于其他數據分析。

2.2 系統(tǒng)編程語言

本文設計的智能評估系統(tǒng)采用Python作為編程語言，Python語言具有簡單、易學、易讀、易維護的特點，功能強大且學習成本低，同時Python的可移植性較強，在Linux，Windows，FreeBSD，Macintosh，Solaris等操作平臺均可開發(fā)，Python作為開放源碼軟件之一以及其標準庫的豐富性和多樣性極大地為開發(fā)者提供了便利。

2.3 硬件組成

該系統(tǒng)硬件由樹莓派4B主板，MCC 172數據采集卡，鋰電池，CT1050LC型IEPE傳感器組成。傳感器實物連接如圖3所示。

智能評估系統(tǒng)采用樹莓派4B作為主控核心（見圖4），樹莓派（Raspberry Pi）4B是一款基于微處理器ARM而外觀尺寸僅有信用卡大小的微型電腦主板，該主板以Micro SD卡作為內存硬盤，卡片主板周圍具有4個USB接口和一個以太網接口，連接鼠標、鍵盤后可實現臺式或便攜式計算機的基本功能。

傳感器為CT1050LC型IEPE傳感器，尺寸為Φ25 mm×26 mm，靈敏度為500 mV/g，量程為10g，頻率范圍在0.2～2500 Hz，使用溫度范圍在-40～+150 ℃，質量為90 g，僅僅是941B型拾振器質量的十分之一，內部含有壓電材料使傳感器不易受到外部電磁環(huán)境的影響而導致采集結果不穩(wěn)定，其供電和輸出信號采用兩線制方式，該傳感器的優(yōu)點是內置了電荷放大器，可與數據采集系統(tǒng)直接連接，不需要其他二次儀表，使輸出結果更穩(wěn)定，測量結果更可靠，適用于測量大多數振動。

數據采集卡采用的是基于樹莓派的一款24位，應用于測量聲音和振動中IEPE傳感器信號的 DAQ HAT?MCC 172，不需要多余的線路連接，可直接安裝于樹莓派40?pin通用輸入輸出（GPIO）連接器上。MCC 172數據采集卡尺寸為6.2 cm×5.6 cm，供電電壓為5 V，輸入耦合為AC耦合。MCC 172配有2路同步24位差分模擬輸入通道，采集速率高達每秒51.2 k數據點。每路通道配有專用A/D轉換器。ADC共享時鐘并同步轉換，同時采集數據。采集卡還可直接提供IEPE激勵，無需額外添加信號調理設備，這使得系統(tǒng)的開發(fā)只需基于兩塊銀行卡大小的主板，縮減設備數量及體積。并且MCC 172數據采集卡可通過GPIO引腳疊加共同工作，每塊采集卡可連接兩通道，最多可疊加8塊采集卡在樹莓派上，進行16通道同時采集的工作。

供電電源則由UPS Pack V3供電擴展板和6500 mAh鋰電池組成，供電擴展版可以有效地保護樹莓派主板，電池電量充滿后續(xù)航時間可達9 h，電量耗盡前UPS主板會提前通過System halt signal通知樹莓派提前關機，然后自動進入休眠模式，防止樹莓派由于非法關機而使系統(tǒng)文件被破壞。

2.4 GUI圖形用戶界面設計與功能實現

為了便于用戶觀測數據變化趨勢以及振動舒適度評價結果，本系統(tǒng)利用Python Qt 5.12下的Qt Designer編輯器對GUI界面進行設計，首先創(chuàng)建一個Qmainwindow主窗口，使用Push Button，Radio Button，Combo Box，Text Label等組件先進行GUI界面采樣頻率和靈敏度設置，通道選取，采集的開始與停止以及評估條件選擇等功能需求的布置，Label和Graphics View控件用于顯示加速度采集曲線以及FFT曲線。主界面的創(chuàng)建完成后保存文件生成后綴名為ui的文件，通過Python Qt 5.12中的pyuic5功能自動轉化為py文件，用戶通過運行py文件可進入到評估系統(tǒng)界面進行操作。

根據Python Qt界面與邏輯可分離的特點，基于IDE（開發(fā)集成環(huán)境）PyCharm對邏輯代碼進行編輯，完成峰值加速度提取，數據寫入CSV文件，導入漢寧窗函數來實現快速傅里葉變換，同時將中國、美國、歐洲振動舒適度評估標準轉化為條件判斷語句寫入評估系統(tǒng)，分塊定義實現與主窗口的功能連接。以上代碼編寫成功后，運行時GUI操作界面如圖5所示。至此，本文所提出的系統(tǒng)方案通過這操作界面得到了可視化實現，左側圖框顯示實時數據，右側可控制采集和評估流程，采集結束后自動生成CSV文件保存在后臺。

3 驗證性試驗

以實驗室鋼結構玻璃人行橋為例，對本文設計的樹莓派傳感器的可行性進行驗證。鋼結構玻璃人行橋共五跨，總跨度L=10.1 m，寬度B=1.6 m，基頻為4.0 Hz，其余參數見文獻［18］，測點布置在跨中區(qū)域，如圖6所示。試驗中采用單個行人作為試驗過程中的振源，單個行人按照圖示方向以1.6 Hz ， 2.0 Hz以及隨機步頻行走180 s，產生的單人行走激勵使鋼結構玻璃人行橋起振。然后使用本文搭建的樹莓派測量系統(tǒng)和941B型拾振器配套的DASP工程版動態(tài)測試分析系統(tǒng)以200 Hz的采樣頻率同時進行加速度響應的采集。

圖7（a）～（d）對比了單個行人在2.0 Hz步頻和隨機步頻激勵下，搭建的樹莓派傳感器和941B型拾振器測得的加速度時程曲線和傅里葉頻譜圖。圖8為實驗室橋面試驗現場圖。試驗結果表明，搭建的以樹莓派為主控中心的傳感器和941B型拾振器測得的加速度時程曲線基本吻合，2.0 Hz步頻下幅值譜主頻相對誤差為0.1%，0.02%，0.07%，隨機步頻下幅值譜主頻相對誤差為0.05%，兩種工況得到的傅里葉譜值圖所示數據和鋼結構玻璃人行橋已知的4.0 Hz基頻對比，2.0 Hz步頻的相對誤差為0.025%，隨機步頻的相對誤差為2.85%，故本文設計的樹莓派傳感器滿足實際測量要求，具有可行性。

4 現場實際應用

4.1 實例1：人行天橋

該系統(tǒng)在驗證了傳感器的測量精度后進行現場實際應用，選取蘭州市七里河區(qū)西津東路人行天橋作為1號試點，橋身主體為鋼結構，人行橋長31.5 m，寬3.1 m，兩側有1.2 m高的鋼管扶手，橋下為八車道的城區(qū)主干路，將組裝好的樹莓派傳感器使用磁座安裝在人行天橋橋面跨中位置處，圖9為試驗工況圖，試驗時長為240 s，試驗期間該人行橋大約通過60名行人，包含學生、老年人、上班族等群體，行人雙向以快速、中速、慢速步頻隨機行走，隨機步頻下測得的人行天橋峰值加速度為0.0113 m/s2，基頻為4.665 Hz，傳感系統(tǒng)采集的加速度時程曲線與局部傅里葉頻譜圖如圖10所示。評估系統(tǒng)得到的振動舒適度評價結果如表3所示。

4.2 實例2：教學樓樓蓋

以1號教學樓樓蓋作為2號試點，該教學樓主體為鋼筋混凝土結構，共四層，選取二層右側邊跨某教室進行振動舒適度評估，樓蓋長11.4 m，寬9.8 m，教室中放置課桌和椅子共68套，樹莓派傳感器放置在樓蓋跨中位置處，共11名試驗人員參與試驗，試驗人員為在校大學生，包括5名男生，6名女生，分三種工況對教室的一般狀態(tài)進行模擬，試驗現場圖片如圖11所示。工況一：試驗人員以隨機步頻在教室中行走，對課間學生在教室中的出入及活動進行模擬；工況二：試驗人員跟隨口令進行起立、坐下等動作，對上課時間段中的互動過程進行模擬；工況三：環(huán)境激勵，對教室在無人環(huán)境下的狀態(tài)進行模擬。每次試驗時長為180 s，現場測得的教室樓蓋峰值加速度分別為 0.0638 m/s2，0.0196 m/s2，0.0158 m/s2，基頻分別為11.475 Hz，11.446 Hz，11.647 Hz，加速度時程曲線和局部傅里葉頻譜圖如圖12所示，工況三中的異常信號為校車經過減速帶時引起的樓蓋振動。評估系統(tǒng)得到的振動舒適度評價結果如表3所示。

4.3 實例3：住宅樓樓蓋

以印刷廠住宅樓樓蓋作為3號試點，該住宅樓主體為鋼筋混凝土結構，共五層，選取三層某戶進行振動舒適度評估，樓蓋長10.4 m，寬4.3 m，樹莓派傳感器放置在樓蓋跨中位置處，試驗現場圖片如圖13所示。工況設置為環(huán)境激勵，模擬房間內無住戶活動的狀態(tài)，其余未參與測試的樓蓋均有住戶進行日常活動，試驗時長180 s，隨機步頻下測得的住宅樓樓蓋峰值加速度為0.01955 m/s2，基頻為24.916 Hz，傳感系統(tǒng)采集的加速度時程曲線與局部傅里葉頻譜圖如圖14所示。評估系統(tǒng)得到的振動舒適度評價結果如表3所示。

4.4 實例4：宿舍樓樓蓋

以14號東宿舍樓樓蓋作為4號試點，該宿舍樓主體為鋼筋混凝土結構，共八層，每層34間宿舍，選取三層左側邊跨某宿舍進行振動舒適度評估，樓蓋長6.4 m，寬3.5 m，宿舍內置有桌椅、鐵架床等家具，樹莓派傳感器放置在樓蓋跨中位置處，試驗現場圖片如圖15所示?？紤]到樓蓋的使用功能以及文獻［17］中白天與夜間不同的評估標準，本案例中工況設置為夜間10點狀態(tài)下環(huán)境激勵，試驗時長180 s，隨機步頻下測得的住宅樓樓蓋峰值加速度為0.00966 m/s2，基頻為33.891 Hz，傳感系統(tǒng)采集的加速度時程曲線與局部傅里葉頻譜圖如圖16所示，加速度時程曲線中的異常信號為宿舍門關閉撞擊時引起的樓蓋振動。評估系統(tǒng)得到的振動舒適度評價結果如表3所示。

5 結 論

本文設計基于IEPE壓電式傳感器和樹莓派的結構人致振動評估系統(tǒng)，與傳統(tǒng)加速度采集系統(tǒng)相較，具有以下優(yōu)點：

（1）該系統(tǒng)采用Python計算機編程語言和樹莓派、MCC 172數據采集卡相結合，降低了開發(fā)難度和成本，易于維護。其硬件結構簡單，體積小，成本低，功耗低，攜帶方便，與PC端采用無線連接，配備了鋰電池電源，使用更具有靈活性。

（2）采用Qt Designer編輯器創(chuàng)建GUI圖形用戶界面，簡單便捷，用戶可直觀看見數據變化趨勢。將中國、美國、歐洲等振動舒適度技術標準評估部分寫入系統(tǒng)，可以在加速度采集結束后快速判斷結構是否超過標準限值以及是否引起人的不適感。

通過實驗室驗證性試驗，對比傅里葉頻譜圖可知，其幅值譜主頻在2.0 Hz步頻下相對誤差在0.02%～0.1%，隨機步頻下相對誤差為2.85%，試驗以及現場實際應用表明，該系統(tǒng)滿足加速度測量精度和采集要求，在振動舒適度的評估過程中擁有良好的應用前景，同時該系統(tǒng)也可應用于其他結構構件加速度響應的采集。

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