基于虛擬儀器的振動(dòng)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)

摘要：橋梁分布在廣闊的空間范圍內(nèi)，給數(shù)據(jù)的采集帶來了一定的困難。尤其對(duì)于振動(dòng)信號(hào)，根據(jù)模態(tài)分析的需要，需要各采集點(diǎn)的時(shí)間嚴(yán)格同步。該文利用虛擬儀器開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以滿足分布各點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)的同步采集。同時(shí)，該文利用LabVIEW開發(fā)了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)顯示及頻譜分析，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集處理結(jié)果顯示，系統(tǒng)運(yùn)行正常、處理結(jié)果正確。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；同步數(shù)據(jù)采集；環(huán)境激勵(lì)；頻譜分析

0 引言
橋梁健康監(jiān)測(cè)通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估，為其在特殊氣候、特殊交通條件下或運(yùn)營狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，分析評(píng)估橋梁使用壽命，并為橋梁的養(yǎng)護(hù)、維修與管理決策等提供科學(xué)的依據(jù)。
橋梁健康監(jiān)測(cè)需要大量的硬件和軟件支持，傳統(tǒng)儀器雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但是使用功能單一，價(jià)格昂貴，虛擬儀器已經(jīng)在測(cè)量控制行業(yè)得到了迅速的發(fā)展，其綜合了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能，以及和通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)融合，使得橋梁的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為現(xiàn)實(shí)。
LabVIEW作為一款圖形化編程平臺(tái)，它在數(shù)據(jù)采集(DAQ)、虛擬儀器軟件框架(VISA)、通用接口總線(GPIB)及串口儀器控制、圖像處理、數(shù)據(jù)分析和圖表顯示方面都具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。
該文主要利用虛擬儀器搭建了橋梁振動(dòng)信號(hào)的采集系統(tǒng)，利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)了信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能。

1 系統(tǒng)整體方案
橋梁的固有頻率是橋梁健康評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，通過對(duì)橋梁在自然環(huán)境激勵(lì)下振動(dòng)信號(hào)的同步采集和分析，可以得到橋梁的固有頻率。該文所設(shè)計(jì)的振動(dòng)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)屬于橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一部分，主要包括傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)同步采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。振動(dòng)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 同步采集系統(tǒng)搭建
同步采集技術(shù)根據(jù)同步基準(zhǔn)的不同，可以分為基于信號(hào)的同步和基于時(shí)間的同步?；谛盘?hào)的同步，子系統(tǒng)的時(shí)鐘和觸發(fā)信號(hào)通過物理連接分享，而對(duì)于空間距離較大的數(shù)據(jù)同步，由于信號(hào)同步最大距離的限制，使用基于時(shí)間的同步更為合適。
PXI是多通道同步采集最理想的平臺(tái)，PXI的背板提供多種基于信號(hào)的同步選項(xiàng)，其中包括一個(gè)系統(tǒng)定時(shí)槽位、星形觸發(fā)總線、一個(gè)10 MHz的系統(tǒng)參考時(shí)鐘、同步脈沖和觸發(fā)總線等。一座橋梁分布在廣闊的地理空間中，致使傳感器之間的距離較大，這樣通過電纜傳輸采樣信號(hào)和觸發(fā)信號(hào)并不實(shí)際可行?？梢酝ㄟ^GPS進(jìn)行基于時(shí)間的同步采集。GPS衛(wèi)星上有準(zhǔn)確時(shí)鐘，可以同時(shí)用于定時(shí)和時(shí)間同步。GPS用戶通過GPS衛(wèi)星接收機(jī)獲取空間位置信息，同步時(shí)標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間?；谏鲜龇治觯梢源罱ǔ龊侠淼臉蛄悍植际綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以振動(dòng)信號(hào)為例，其基于GPS時(shí)間同步的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖2所示。其中PXI-6143同步采集卡負(fù)責(zé)采集來自加速度傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，PXI-6682接收來自GPS天線的同步時(shí)間作為各采集站的時(shí)間基，并產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。