0407應(yīng)用NI技術(shù)快速構(gòu)建土木工程在線監(jiān)測系統(tǒng)解決方案

1、應(yīng)用NI技術(shù)快速構(gòu)建土木工程在線監(jiān)測系統(tǒng)解決方案作者：李濤職務(wù)：軟件工程師 單位：清華大學(xué)xx研究生院應(yīng)用領(lǐng)域：研究開發(fā)使用的產(chǎn)品：cFP-2020pact FieldPoint控制器模塊 cFP-AI-110 pact FieldPoint 模擬輸入模塊 cFP-TC-120pact FieldPoint 熱電偶輸入模塊 cFP-SG-140pact FieldPoint 應(yīng)變片輸入模塊 PXI-1052PXI與SCXI復(fù)合機(jī)箱PXI-8186 PXI 控制器PXI-6220M系列多功能數(shù)據(jù)采集板卡SCXI-1520應(yīng)變片調(diào)理模塊 SCXI-1530加速度輸入調(diào)理模塊 LabVIEW7.1圖

2、形化集成開發(fā)環(huán)境挑戰(zhàn)：將眾多采集設(shè)備集成到一個(gè)開放平臺(tái)下，統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并需要有一便捷的工 具來快速地構(gòu)建信號(hào)計(jì)算處理模型。在室外無人執(zhí)守的條件下，要保證系統(tǒng)能長期穩(wěn)定運(yùn) 行，并需要具備一圧的故障自恢復(fù)能力。同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)要具備很好的靈活性以及軟硬件的 兼容性，傳統(tǒng)的上木工程安全監(jiān)測解決方案大多是定制的方案，不利于系統(tǒng)本身的擴(kuò)展也 不利于整個(gè)方案推廣到其它類似的系統(tǒng)上。應(yīng)用方案：應(yīng)用NI的pact FieldPoint. PXI硬件，以LabVIEW為軟件平臺(tái)，開發(fā)一套橋 梁監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)XX大學(xué)城內(nèi)某在役橋梁進(jìn)行了實(shí)時(shí)的安全監(jiān)測。這樣一套以虛擬儀器技 術(shù)為核心的方案具有很好的擴(kuò)展性和移植性，

3、同時(shí)NI公司軟硬件的無縫集成更為整個(gè)系統(tǒng) 的開發(fā)提供了很大便利，并且運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的平臺(tái)提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)上性。介紹：上木工程監(jiān)測具有監(jiān)測點(diǎn)多、分布廣、環(huán)境影響因素復(fù)雜等特點(diǎn)。應(yīng)用NI的pact FieldPoint系列分布式測控模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變、溫度等靜態(tài)參數(shù)的精確測量，具體來說，本 系統(tǒng)中使用了 AI-110. TC-120. SG-140分別對(duì)鋼筋銹蝕傳感器、熱電偶、混凝上應(yīng)變的 信號(hào)進(jìn)行采集。而對(duì)于振弦式傳感器讀數(shù)儀與光纖光柵解調(diào)儀，可以通過CFP-2020主控模 塊提供的RS232/485接口，代替PC機(jī)來控制；應(yīng)用PXI模塊化采集硬件實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)、加 速度等動(dòng)態(tài)參數(shù)測量,具體設(shè)計(jì)

4、上,采用NI PXI-1052 PXI/SCXI組合機(jī)箱,將PXI-8186 控制器、PXI-6220采集卡、SCXI-1520. SCXI-1530信號(hào)調(diào)理模塊集中到一個(gè)機(jī)箱里，組成 一個(gè)基于Windows的測量平臺(tái)。并應(yīng)用LabVIEW信號(hào)分析處理工具對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行汁算處理, 作為評(píng)估結(jié)構(gòu)安全的依據(jù)。正文：1系統(tǒng)綜述丄木工程的安全性受它本身的材料特性、力學(xué)特性以及所處的環(huán)境影響。上木工程安 全監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)現(xiàn)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析管理、智能決策等多種功能的龐大系統(tǒng)。數(shù) 拯采集是整個(gè)系統(tǒng)最基礎(chǔ)的功能。上木結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通常包括靜態(tài)監(jiān)測和動(dòng) 態(tài)測量。靜態(tài)監(jiān)測通常是不間斷進(jìn)行的：動(dòng)

5、態(tài)測試的周期可根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況來確左。介 于以上的需求，需要一個(gè)長期穩(wěn)圧運(yùn)行的汁算機(jī)系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、管理, 以此作為評(píng)定結(jié)構(gòu)安全性依據(jù)。為達(dá)到此要求，采集設(shè)備必須能在野外惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)左 工作，并要保證采集數(shù)據(jù)的可靠性：軟件一方而能以統(tǒng)一模式管理從眾多傳感器采集來的數(shù) 據(jù)，另一方面要能根據(jù)不同工程的需要迅速重新構(gòu)建數(shù)據(jù)采集、分析子系統(tǒng)。NI的pact FieldPoint是堅(jiān)固和可靠的平臺(tái)，英主控模塊運(yùn)行RT操作系統(tǒng)，確保系統(tǒng) 能長期穩(wěn)定運(yùn)行；并且提供了豐富的通訊接口，通過LabVIEW RT開發(fā)應(yīng)用，能控制現(xiàn)場 的光纖儀、振弦儀工作。PXI同樣是可運(yùn)行RT系統(tǒng)的牢固的模塊

6、化平臺(tái)，英精確的泄時(shí)和 觸發(fā)功能確保了大型結(jié)構(gòu)測量時(shí)多個(gè)測點(diǎn)同步采樣，并且有豐富的SCXI信號(hào)調(diào)理模塊供選 用。本系統(tǒng)以cFP為核心構(gòu)建靜態(tài)監(jiān)測模塊，以PXI為核心構(gòu)建動(dòng)態(tài)測試模塊，組合成一 個(gè)橋梁安全監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。靜態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以長期在線的 形式運(yùn)行，主要目的是獲取運(yùn)營的上木結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的狀態(tài)數(shù)據(jù)：而動(dòng)態(tài)測試主要是為了 在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷后對(duì)其損傷進(jìn)行識(shí)別和鑒定系統(tǒng)中統(tǒng)一以標(biāo)簽來管理數(shù)據(jù)，將采集來的原 始數(shù)據(jù)和經(jīng)過信號(hào)處理后的計(jì)算數(shù)據(jù)分為模擬量、數(shù)字量、波（模擬量序列）進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存取。 而在數(shù)據(jù)處理模塊中則使用LabVIEW開發(fā)了多種計(jì)算分析模型用于分析結(jié)構(gòu)特性。

7、系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)請(qǐng)參照?qǐng)D1、圖2。靜態(tài)監(jiān)測動(dòng)態(tài)渕車圖1系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)示意圖圖2系統(tǒng)邏輯示意圖2基于pact F i e I dPo i nt的靜態(tài)監(jiān)測在本系統(tǒng)中，靜態(tài)監(jiān)測的內(nèi)容包括混凝上的滲透、鋼筋銹蝕、混凝上構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變及 開裂狀況。用于土木工程監(jiān)測的傳感器通常分三類：光纖光柵傳感器、振眩式傳感器和傳統(tǒng) 的基于電信號(hào)的傳感器。根據(jù)監(jiān)測位置及物理對(duì)象的不同，三種傳感器均有所用，而對(duì)每種 傳感器均有其&用的采集儀。光纖傳感器測量精度髙，抗腐蝕性強(qiáng)，比較適用于埋入結(jié)構(gòu)內(nèi) 部，進(jìn)行分布式溫度、應(yīng)變監(jiān)測：振弦傳感器抗干擾性強(qiáng)，可重復(fù)性好，成本相對(duì)較低，常 用在結(jié)構(gòu)監(jiān)測的位移、應(yīng)變測量上;而電子傳感器則在測量

8、動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)具有不可替代的作用， 此外大部分化學(xué)傳感器輸岀也是電信號(hào)。NI 的 pact FieldPoint提供了多種 10 模塊，本系統(tǒng)中使用T AI-110. TC-120. SG-140 分別對(duì)鋼筋銹蝕傳感器、熱電偶、混凝上應(yīng)變的信號(hào)進(jìn)行采集。而對(duì)于振弦式傳感器讀數(shù)儀 與光纖光柵解調(diào)儀，可以通過CFP-2020主控模塊提供的RS232/485接口，代替PC機(jī)來 控制。cFP-2020上運(yùn)行了 RT操作系統(tǒng)，應(yīng)用LabVIEW VISA串口驅(qū)動(dòng)，開發(fā)一個(gè)儀器 的通訊程序，如此，所有采集儀的數(shù)據(jù)便匯總到cFP-2020主控模塊。cFP-2020還提供了 以太網(wǎng)接口，可以很方便地將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)

9、控中心的訃算機(jī)。CFP系統(tǒng)的硬件實(shí)物圖如圖3 所示。圖3運(yùn)行RT系統(tǒng)的pact FieldPoint模塊LabVIEW RT中提供了多種網(wǎng)絡(luò)通訊方式，像DataSocket、TCP、UDP、SMTP,此 外還可通過共享內(nèi)存的方式與主機(jī)交換數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中使了 TCP的方式，cFP-2020作為 TCP客戶端，與監(jiān)控中心主機(jī)TCP Server建立連接后，將采集到的數(shù)據(jù)封裝成XML文檔, 通過該TCP連接發(fā)送到主機(jī)。cFP-2020帶有一個(gè)pact Flash槽，可插入一塊512M的存儲(chǔ)卡，如果由于網(wǎng)絡(luò)故障暫 時(shí)不能將數(shù)據(jù)傳到主機(jī)，可將數(shù)據(jù)以文件形式存儲(chǔ)在Flash上，網(wǎng)絡(luò)通訊恢復(fù)時(shí)由將其發(fā)送 到

10、主機(jī)，確保數(shù)據(jù)不丟失。cFP-2020內(nèi)置了看門狗，設(shè)備在發(fā)生運(yùn)行故障時(shí)可自行重啟， 有效提高了系統(tǒng)長期監(jiān)測的可靠性。通過安裝LabVIEW RT,可在運(yùn)行Windows的主機(jī)上，LabVIEW環(huán)境下，運(yùn)用開發(fā) Windows程序的方法，來開發(fā)cFP所需的實(shí)時(shí)軟件，而不需要了解RT系統(tǒng)更多的細(xì)節(jié)。 如此，通過更可靠的RT系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了與PC機(jī)同樣靈活的功能，而在軟件開發(fā)上還是相當(dāng) 地容易。本系統(tǒng)靜態(tài)監(jiān)測部分的軟件界而如圖4所示。捉1E益換土 S52I14 P c的0繼嶇土 SR2021P cJ6917 P C8S3磁慮航320 51用飆3?. &討333舷連8? EOY他3磁農(nóng)也81-20 Ir

11、V3-es.?w552磁液UC3o z11920亦*3成麺取27 CfC10T3磁亟面應(yīng)芟2CP c勺嵌彩遙土鑿住2?.2C3619 仇 C2磁念險(xiǎn)C176 54r.V322磁洋遇83oxa.v312或冷通BI-4 4232磁念號(hào)刖-e er.vTT1無淤適口-28 ?2rVT61磁海透CI& Wr VT5i蔽顧麗E&gY7C1誡褂通B120 ESgT13”樓念18A32 &12-iT.inV135頊簸址廈6?t曲當(dāng)骯開喪i8?3當(dāng)茄壞股| HotOTin*圖4實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)3基于PXI的動(dòng)態(tài)測試丄木結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)測試的目的是診斷結(jié)構(gòu)損傷的程度和位置。橋梁的動(dòng)態(tài)測試主要包括 橋跨結(jié)構(gòu)自振特性和橋跨結(jié)

12、構(gòu)在載荷作用下強(qiáng)迫振動(dòng)特性測量。此外某些橋梁的局部構(gòu)件也 需進(jìn)行自振特性測量，例如斜拉橋的索，鋼梁橋的鋼桁梁等。橋梁的動(dòng)態(tài)測試通常需要多個(gè) 點(diǎn)同步進(jìn)行，各點(diǎn)間的相位誤差要控制在一個(gè)較小X國內(nèi)。同時(shí)需要有相應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)控制 采集儀在產(chǎn)生激勵(lì)后開始采樣。PXI結(jié)合髙速PCI總線和專為測量與自動(dòng)化應(yīng)用設(shè)計(jì)的完整的左時(shí)和觸發(fā)功能，為結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測試提供了一個(gè)髙效的、易用的平臺(tái)。NI提供了眾多PXI模塊，來滿足用戶搭建自己 的PXI測試系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用NI PXI-1052 PXI/SCXI組合機(jī)箱，將PXI-8186控制器、PXI-6220采集卡、 SCXI-1520. SCXI-1530信號(hào)調(diào)理模塊集中

13、到一個(gè)機(jī)箱里，組成一個(gè)基于Windows的測量平臺(tái)。PXI-6220是NI新推岀的M系列采集卡，由于釆用了 NI-STC2立時(shí)控制技術(shù)，使得多通 道測量能達(dá)到一個(gè)較好的冋步要求，如需更髙要求的同步，可采用每通道配置一個(gè)ADC的S 系列同步數(shù)據(jù)采集卡。硬件系統(tǒng)構(gòu)成實(shí)物圖如圖5所示。圖5 PXI模塊化測試儀系統(tǒng)使用了八個(gè)速度型低頻振動(dòng)傳感器測量橋梁的自振特性，該傳感器輸出信號(hào)為 +/-10V電壓信號(hào)，測量頻率X用0. 35-50Hz,直接接到PXI-6220數(shù)據(jù)采集卡。采用脈動(dòng)法, 激勵(lì)信號(hào)為隨機(jī)的環(huán)境激勵(lì)，不需要觸發(fā)，由軟件啟動(dòng)，每次測試以200Hz的采樣頻率采集 600s的波形。直接使用Lab

14、VIEW的DAQ Assistant生成一個(gè)采集任務(wù)。橋梁在載荷作用下強(qiáng)迫振動(dòng)測試需要測量橋跨的動(dòng)撓度和應(yīng)變，撓度測呈:采用位移型 低頻振動(dòng)傳感器，連接到PXI-6220采集卡；應(yīng)變測量采用電阻應(yīng)變橋，接到SCXI-1520應(yīng) 變調(diào)理模塊。采用數(shù)字觸發(fā)方式，由紅外車輛探測器產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)控制采集啟停。另外使用了四支MA21型加速度傳感器進(jìn)行了鋼桁梁自振特性測試，MA21輸出為IEPE 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，直接接到SCXI-1530加速度輸入模塊，測試方法與橋梁自振測試相同。采樣 頻率設(shè)為200Hz使用LabVIEW開發(fā)一個(gè)測試程序，由于有新的設(shè)備驅(qū)動(dòng)DAQmx和LabVIEW Express VI

15、支持，開發(fā)變得菲常簡單。本系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測試部分軟件設(shè)計(jì)為一個(gè)C/S結(jié)構(gòu)，運(yùn)行于PXI 控制器的是一個(gè)測試服務(wù)程序，可以本地操作，也可能由遠(yuǎn)程的客戶端軟件控制進(jìn)行測量。 動(dòng)態(tài)測試遠(yuǎn)程控制端界而如圖6所示：IPj219.223.17 18連接自振特性測試j荷埶向應(yīng)剛試局部構(gòu)件握動(dòng)測試記錄時(shí)長(S)開始測點(diǎn)組帚跨？H3測試設(shè)備狀態(tài)顯標(biāo)數(shù)據(jù)TimeZ005-9-2 16：07：472005-9-2 16:08:2720站 ”6： 08:眉2005-9-2 16710.572005-9-2 16:19:.25K亟0KOlf0K連接到匡程生機(jī) 運(yùn)谷設(shè)備測試啟動(dòng)自振特性測試 暢試藥T存儲(chǔ)測試數(shù)據(jù)圖6動(dòng)態(tài)測試遠(yuǎn)

16、程控制端界而4動(dòng)態(tài)信號(hào)處理橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測捲的信號(hào)處理涉及到的內(nèi)容比較廣泛，在此只作簡單陳述。傳統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)診斷采用基于傅利葉變換的頻譜分析方法，從測得的動(dòng)態(tài)信號(hào)中提取結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，如 固有頻率、振型、阻尼比等等，也可以通過微積分運(yùn)算獲取結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)。不同的參 數(shù)在鑒左結(jié)構(gòu)損傷程度的有效性上有明顯的差別。LabVIEW提供了數(shù)百個(gè)測量分析函數(shù)，能 根據(jù)研究需要，迅速地建立相應(yīng)的分析計(jì)算模型，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)診斷方法的有效性。近年來，興起了基于小波分析的結(jié)構(gòu)健康診斷方法，由于其能從時(shí)頻兩域表征信號(hào)的局 部特征，識(shí)別正常信號(hào)與異常信號(hào)間的細(xì)微差別，因此特別適合結(jié)構(gòu)損傷的診斷。NI在 Signal Processing Tool包里提供了用LabVIEW實(shí)現(xiàn)小波變換的工具。5總結(jié)長期無人執(zhí)守的在線監(jiān)測需要控制設(shè)備運(yùn)行RT操作系統(tǒng)，pactFieldPoint. PXI、pact RI0均提供了 RT控制器確保系統(tǒng)能可靠運(yùn)行。PXI對(duì)于結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)測試有不可取代的優(yōu)勢，尤其在大型橋梁測試