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科技导报2017，35（10）

Android手机传感器的桥梁振动检测试验

刘志平，朱丹彤，杨磊，杨丁亮

中国矿业大学环境与测绘学院，徐州221116

摘要针对Android智能手机传感器默认采样模式存在的采样率设置固化、欠采样和过采样问题，开发了能够自定义采样率和采样精度，具有采样历元、时间间隔和数据等同步记录功能的手机传感器信号采集软件。模拟加速度信号的功率谱分析和位移积分重构研究表明，L-S谱分析法和频域位移积分法能够有效处理含噪声和非均匀采样的手机加速度信号。利用谷歌Nexus5（NX5）、小米3（Mi3）两个Android手机和SPAN-IGM-A1惯性组合导航系统进行徐州汉桥加速度信号采集和振动检测对比试验，试验结果有效验证了便携式、低成本Android智能手机进行桥梁振动检测的可行性。

关键词Android手机传感器；振动检测；非均匀时序；功率谱分析；频域积分

以Android智能手机为代表的移动终端技术，由于其计算能力和所装备的内置多种传感器性能不断提高，近年来在室内定位[1]、用户行为识别[2]及情景推理等方面开展了深入研究。当前，智能手机正成为“人—物—机”三元世界相互沟通和融合的门户，已经初步具备普适感知与应用的能力[3]。因此，将智能手机理解为无缝感知、计算和通信的移动设备，可期望其在桥梁振动检测[4-5]、管道损伤检测[6]、水电机组振动[7]、地铁环境振动[8]等工程领域将得到拓展应用。

智能手机作为一种低价普及化、便携式移动终端，其内置加速度传感器能够获得高频加速度信号，可望为上述工程领域涉及的振动信号或频率检测提供时间序列数据。本文以智能手机加速度传感器为研究对象，以振动信号功率谱分析[9-10]为研究方法，进行Android手机传感器的振动检测试验研究。首先，针对目前Android手机传感器信号采集存在的采样率和采样精度设置问题，开发自定义采样率和采样精度的Android手机传感器信号采集软件。其次，针对加速度信号的不等时间间隔问题，分析Lomb-Scargle傅里叶变换（L-S变换）与快速傅里叶变换（FFT变换）的优劣，比较加速度时域积分和频域积分的差异。以谷歌Nexus5（NX5）、小米3（Mi3）智能手机和SPAN-IGM-A1惯性组合导航系统分别采集徐州汉桥振动条件下的加速度数据，结合功率谱分析与位移积分进行振动频率提取并对结果进行分析。

1振动信号检测分析

1.1Android手机传感器信号采集

随着智能手机的发展与普及，传感器技术在智能手机上的应用得到了极大发展。手机传感器的种类很多，常见的有加速度计、磁力计、方向传感器、陀螺仪等[3]。本文以Android智能手机为研究对象，开发基于智能手机的传感器信息读取和数据采集软件。该软件主要由传感器硬件信息、数据实时显示、数据采集3个部分组成，结构如图1所示。其中，硬件信息包括传感器名称、生产厂家、分辨率等信息，数据实时显示则可动态地绘制传感器时间序列，数据采集包括了标准采集模式和自定义采集模式。

现有手机传感器的采样率主要分为4种[11]：NORMAL（2×105μs）、UI（6×104μs）、GAME（2×104μs）、FASTEST（0μs，实践中达不到连续采样）。然而，上述4种默认模式不能对采样率进行自定义设置，难以满足特殊的振动检测需求。此外，上述4种默认模式在实际数据采集时不提供逐历元记录或采样时间间隔，且存在较为严重的过采样和欠采样情况。因此，本文开发采集软件除了具有4种默认采样率的标准采集模式，还设计了自定义采集模式（自定义采样率、采样精度、手机的自振动设置并记录数据历元），界面如图2所示。主要包括惯性传感器（加速度计、陀螺仪、磁力计）和非惯性传感器（气压计、设备温度计、环境温度计）两类，通过勾选相应复

收稿日期：2016-12-29；修回日期：2017-04-11

基金项目：国家自然科学基金项目41504032）；2016年国家重点研发计划项目（2016YFC0803103）

作者简介：刘志平，副教授，研究方向为测量数据融合、导航位置服务、大地测量反演，电子信箱：zhpliu@

引用格式：刘志平,朱丹彤,杨磊,等.Android手机传感器的桥梁振动检测试验[J].科技导报,2017,35(10):80-86;doi:10.3981/j.issn.1000-7857.2017.10.011

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