為基于CompactRIO的大型橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)研究

　　1. 自動化傳感測試子系統(tǒng)各類信號采集、處理方案

　　整個系統(tǒng)共設(shè)置3個cRIO采集站。采集站在左右兩幅橋各布置一個，BRT橋布置一個。

　　實(shí)現(xiàn)的采集工作包括加速度同步采集壓力變送器、溫濕度儀、風(fēng)速儀、振弦式應(yīng)力計、磁通量索力計信號和串口信號的采集。這些傳感器輸出信號種類多種多樣，大大增加了采集系統(tǒng)構(gòu)筑的難度。系統(tǒng)針對不同類型的傳感器，選用合適的采集設(shè)備和方案。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

　　cRIO可編程工業(yè)I/O系統(tǒng)具有嵌入式控制器和機(jī)箱，選配多種功能的信號采集卡，完全工業(yè)級的設(shè)計。

　　Ø 采用的cRIO控制器NI9014為嵌入式控制器。

　　Ø 采用的cRIO機(jī)箱NI-9104為8槽嵌入式機(jī)箱，具有-40-70°C的操作溫度范圍，3百萬可重新配置I/O(RIO)，F(xiàn)PGA核心具有高超的處理能力，使用LabVIEW自動生成自定義控制和信號處理電路。

　　Ø 采用cRIO的4通道高速同步數(shù)據(jù)采集卡NI-9215對于單向和三向加速度計進(jìn)行電壓信號采集。

　　Ø NI-9401八通道高速數(shù)字I/O信號，100ns超高速數(shù)字輸入輸出，用于加速度同步。

　　Ø NI-9871標(biāo)準(zhǔn)RS485通訊卡，磁通量傳感器采用磁彈儀進(jìn)行采集，其輸出為485信號，接入NI-9871。

　　Ø NI-9871標(biāo)準(zhǔn)RS485通訊卡，超聲波三向風(fēng)速儀直接輸出485信號，接入標(biāo)準(zhǔn)RS485通訊卡NI-9871。

　　Ø NI-9203采用8通道模擬電流采集模塊，壓力變送器和溫濕度儀輸出信號分別為4-20mA電流，對于這類輸出為標(biāo)準(zhǔn)電流信號的傳感器接入NI-9203。

　　Ø 光纖光柵溫度傳感器與應(yīng)變傳感器采用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行采集，其輸出為以太網(wǎng)信號。

　　本系統(tǒng)的監(jiān)測項目梁體振動加速度需要較好的同步性和實(shí)時性，我們采用GPS精確授時技術(shù)、在每個采集站安裝GPS時鐘接收機(jī)，借助NI-9401 100ns超高速數(shù)字同步卡，通過軟件方法和采集策略的配置保證加速度數(shù)據(jù)采集的同步性。

　　2. 數(shù)據(jù)采集傳輸與控制

　　采集站實(shí)現(xiàn)的采集工作于LabVIEW-RT實(shí)時系統(tǒng)環(huán)境下，在終端硬件的支持下主要完成對信號數(shù)據(jù)的采集和傳輸。用戶一般不直接與其進(jìn)行交互，但其提供一系列的標(biāo)準(zhǔn)接口和命令與用戶所在的控制終端、監(jiān)測終端和數(shù)據(jù)存儲終端進(jìn)行交互。采集站狀態(tài)與控制如圖3所示。

　　數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)服務(wù)器通過向cRIO采集站發(fā)送網(wǎng)絡(luò)命令報文實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制功能：

　　1) 控制傳感器啟動、停止數(shù)據(jù)采集;

　　2) 查詢傳感器和采集單元、調(diào)理器、其它采集設(shè)備的工作狀態(tài);

　　3) 查看、修改采集單元和調(diào)理器的參數(shù)，標(biāo)簽等信息;

　　4) 通過修改配置文件上傳至采集站實(shí)現(xiàn)采集任務(wù)、存儲任務(wù)的配置和更改。

　　3.數(shù)據(jù)處理與控制模塊

　　采集系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與控制模塊(子系統(tǒng))對其進(jìn)行預(yù)處理方能夠提交給后續(xù)子系統(tǒng)使用。本子系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集控制模塊，數(shù)據(jù)分類、抽取模塊，監(jiān)測數(shù)據(jù)庫及用戶界面4部分組成。系統(tǒng)關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖4所示。
 

　　圖4 數(shù)據(jù)采集、處理與控制子系統(tǒng)關(guān)系結(jié)構(gòu)圖

 1) 反映結(jié)構(gòu)狀態(tài)的特征參數(shù)確定及其提取方案

　　結(jié)構(gòu)狀態(tài)特征參數(shù)是指能夠反映結(jié)構(gòu)特征的物理量，比如：撓度，應(yīng)力，索力等;而傳感器-采集系統(tǒng)所獲得是傳感器的讀數(shù)，這些讀數(shù)一般反映的是電信號。將傳感器獲得的電信號向結(jié)構(gòu)特征參數(shù)轉(zhuǎn)換是極其重要的過程。具體流程如圖5所示。

　　a) 傳感器電信號向測試物理量的轉(zhuǎn)換

　　傳感器電信號向測試物理量的轉(zhuǎn)換通常利用標(biāo)定證書提供的曲線或參數(shù)可以完成傳感器讀數(shù)向物理量的轉(zhuǎn)換。

　　b) 測試物理量向結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的轉(zhuǎn)換

　　測試物理量向結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的轉(zhuǎn)換需要其它傳感器的配合，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理。

　　c) 各種參數(shù)有效數(shù)據(jù)的抽取

　　d) 數(shù)字濾波