NI結(jié)構(gòu)測試解決方案和技術(shù)

圖1. 結(jié)構(gòu)測試與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控

國家儀器的軟硬件工具幫助用戶快速開發(fā)和自定義結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)，包括靜態(tài)、疲勞、空氣動力、振動、沖擊、爆破和彈道測試。NI將其儀器和工業(yè)控制專業(yè)經(jīng)驗與NI LabVIEW可視化編程環(huán)境合而為一，提供了業(yè)界最易于使用、性能最佳的結(jié)構(gòu)測試解決方案。NI工具和測量技術(shù)使多個領(lǐng)域從中獲益，包括軍事、航空、航海、汽車、可再生能源等。

特點

模塊化、靈活、精確測量儀器

國家儀器推出的PXI平臺是一個基于PC機(jī)的堅固平臺，為高性能儀器提供了一種模塊化方法。模塊化實現(xiàn)了測試系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)變化使用市售零件進(jìn)行調(diào)整的靈活性。PXI架構(gòu)具有業(yè)界最高的帶寬和最短的等待時間，包括集成的定時和同步總線。憑借來自70多家廠商的1500余件產(chǎn)品，PXI平臺為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)測試應(yīng)用提供了一種完整的、高性能、大通道數(shù)系統(tǒng)。

圖2. PXI結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)實例

結(jié)構(gòu)測試充分利用了PXI的模塊化和靈活性，因為這些測試要求使用多種類型的傳感器 - 最常見的是應(yīng)變和振動測量。通常，應(yīng)變測量使用全橋、半橋或季橋配置的箔式電阻應(yīng)變計。動態(tài)振動采集常常使用內(nèi)置電荷放大器的壓電式加速度計。NI PXI平臺使得為大通道數(shù)系統(tǒng)設(shè)計的應(yīng)變和振動模塊達(dá)到每個通道204.8 kS/s的采樣速率、24位分辨率和0.02%精度。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中經(jīng)常集成的其他傳感器包含了位移或傾斜測量以及載荷和力矩傳感器所用的線性電壓差動變壓器(LVDT)以及弦絲電位計。在結(jié)構(gòu)測試應(yīng)用中，這些測量類型一般用作反饋，以控制輸入刺激。

動態(tài)測試，例如空氣動力和沖擊測試，要求使用高采樣速率和高分辨率測量硬件來捕獲快速事件。此方法要求將大量數(shù)據(jù)同時存儲到磁盤中。動態(tài)事件很難復(fù)制，因為她們包含有寶貴的信息。每臺設(shè)備的專用帶寬和短等待時間確?？煽康夭杉袛?shù)據(jù)，然后再進(jìn)行離線處理。使用具有專用吞吐量的PXI Express等高性能平臺確保了用戶動態(tài)測試系統(tǒng)的保真度。

與此相反，靜態(tài)測試一般有低于1 kHz的采樣速率即已足夠，但是精度要求增加。承載結(jié)構(gòu)的絕對強(qiáng)度和疲勞壽命必須進(jìn)行測試。這兩種測試要求進(jìn)行精密的測量，以確保材料發(fā)生了正確的應(yīng)力/應(yīng)變。一般來說，結(jié)構(gòu)工程師會用稍微不同的載荷進(jìn)行多次測試。這些測試從除去了滯后的高精度系統(tǒng)中明顯獲益。這對于理解復(fù)雜的機(jī)械交互作用，以及受控刺激對機(jī)構(gòu)的影響，是至關(guān)重要的。疲勞載荷循環(huán)極少超過每秒數(shù)百個循環(huán)，并且超過此速率10倍的采樣很好地說明了材料的動作。國家儀器提供的工具能夠測量多種傳感器類型，并且滿足了各種結(jié)構(gòu)測試的具體要求。

同步性能最佳的可擴(kuò)縮平臺

PXI平臺提供了多種具有4～18個插槽的3U和6U機(jī)箱。機(jī)箱包含了高性能PXI背板，這些背板包含有PCI總線以及定時和觸發(fā)總線。PXI Express提供了附加定時和同步功能，如100 MHz微分系統(tǒng)時鐘、微分信令、微分星形觸發(fā)等。通過采用微分計時和同步，PXI Express系統(tǒng)從噪聲抗擾性能增強(qiáng)和高頻傳輸中獲益。最后，這導(dǎo)致長距離情況時的同步比較緊張。利用這些定時和觸發(fā)總線，用戶能夠為要求在一個機(jī)箱內(nèi)以及大通道數(shù)系統(tǒng)的多個底盤之間實現(xiàn)精密同步的應(yīng)用開發(fā)結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)。

靜態(tài)和動態(tài)結(jié)構(gòu)測試需要利用PXI同步功能的各個方面。靜態(tài)測試通常需要許多通道來確定結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)變，因為復(fù)雜的材料特性使其難以預(yù)測。另外，在測試全量程結(jié)構(gòu)時，通常采用分布式系統(tǒng)，因為這些結(jié)構(gòu)的尺寸非常大，例如航空和國防工業(yè)。由于電纜復(fù)雜度、安裝和維護(hù)成本等原因，常常無法將傳感器連接到集中式測量系統(tǒng)上。能夠輕松地、透明地擴(kuò)展到多個分布式系統(tǒng)的平臺能夠節(jié)約時間和成本。利用PXI平臺，可以用使用現(xiàn)有以太網(wǎng)中樞鏈路甚至GPS的基于信號或時間的同步方法來部署測量硬件。

圖3. 大通道數(shù)多機(jī)箱PXI系統(tǒng)

對于沖擊、爆破、彈道測試等動態(tài)結(jié)構(gòu)測試，定時和觸發(fā)能力是至關(guān)重要的。在這些測試中，需要用大量數(shù)據(jù)來捕獲如此快速的事件。減輕此負(fù)擔(dān)的一種方法是僅僅在特定事件發(fā)生之后才開始觸發(fā)數(shù)據(jù)采集。動態(tài)測試一般按照此方式啟動，通過觸發(fā)DAQ模塊來啟動采集。PXI Express橋梁和振動模塊可以由模擬或數(shù)字信號，采用快速、可靠、內(nèi)置觸發(fā)功能來完成觸發(fā)。

隨著采樣速率增加，通道差異開始導(dǎo)致更多錯誤，因為數(shù)據(jù)變化非常之快。國家儀器使用PXI Express實現(xiàn)一個機(jī)箱或多個機(jī)箱中的設(shè)備之間的緊密同步。例如，NI PXIe-4330橋梁傳感器輸入模塊的通道差異為單個模塊或者單個底盤的不同模塊之間低于100 ns。國家儀器提供功能強(qiáng)大的靈活解決方案，實現(xiàn)各個通道、模塊和底盤之間的同步，以滿足結(jié)構(gòu)應(yīng)用的要求。