曹永生 劉裕華

(電力規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120)

1 虛擬機(jī)與Labview簡介

所謂虛擬儀器(Virtual Instrument)，是指以通用計算機(jī)作為系統(tǒng)控制器，由軟件來實現(xiàn)人機(jī)交互和大部分儀器功能的一種計算機(jī)儀器系統(tǒng)［1］。通過I/O接口設(shè)備完成信號的采集與測量。通俗的講，虛擬儀器是基于計算機(jī)的儀器。計算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個重要方向。粗略地說這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。還有一種方式是在計算機(jī)中嵌入儀器，在計算機(jī)硬件和操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)各種儀器功能，簡而言之，是一種虛擬機(jī)的概念，其涉及數(shù)據(jù)采集以及后期信號處理的功能［2］。

Labview作為一種強(qiáng)大的虛擬機(jī)，正是因此而產(chǎn)生的，但它不僅僅作為虛擬機(jī)，同時還是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的，采用圖形化語言編輯，形成程序框圖。

2 Labview程序設(shè)計

Labview程序主要包括前面板、程序框圖、連接器三部分。其中前面板采用交互式圖形化用戶界面，用于設(shè)置輸入數(shù)值和觀察輸出。程序框圖定義VI功能的圖形化源代碼，利用圖形語言對前面板的控制量和指示量進(jìn)行控制。連接器是把各子程序連接在一起便于調(diào)用［3］。

本文根據(jù)需要所設(shè)計的Labview程序包括三個模塊，分別是:信號采集模塊、信號處理模塊、信號記錄模塊。其中信號采集模塊需要設(shè)置觸發(fā)信號，也即設(shè)定信號強(qiáng)度閾值，超過此閾值后的數(shù)值將被完整記錄下來。然后進(jìn)入信號處理模塊，信號處理包括頻譜分析、濾波、積分等運算，可以得到按要求處理后的結(jié)果。最后通過寫入文件記錄有效數(shù)據(jù)，得到最終結(jié)果。

以數(shù)據(jù)采集模塊為例，說明本文中所采用的Labview程序應(yīng)用。圖1為數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖，通過在采集程序設(shè)置停止按鈕來控制數(shù)據(jù)采集的起始，采集到的數(shù)據(jù)通過兩個通道輸出，其一將原始數(shù)據(jù)全部輸出，并通過表格記錄下來，另一通過觸發(fā)與門限程序，即通過此程序的數(shù)據(jù)為某時刻數(shù)值超過此閾值后的數(shù)據(jù)。觸發(fā)后所采集的數(shù)據(jù)可以寫入文件保存，或者進(jìn)入信號分析模塊進(jìn)行進(jìn)一步信號分析與計算。

圖2為采集過程中的操作界面。界面中設(shè)有數(shù)據(jù)采集操作按鈕，數(shù)據(jù)記錄表格可實時觀測具體的數(shù)據(jù)，右上面板為所有數(shù)據(jù)隨時間的變化波形圖，右下面板為通過門限閾值觸發(fā)后數(shù)據(jù)隨時間變化的波形圖。

圖1 數(shù)據(jù)采集模塊程序框圖

圖2 數(shù)據(jù)采集程序操作面板

圖3為數(shù)據(jù)采集程序代碼。其中的外框圖為循環(huán)操作，左側(cè)可設(shè)置數(shù)據(jù)采樣的數(shù)量，右側(cè)為即時寫入文件保存的模塊。整個代碼通過圖標(biāo)及連接線連接，操作簡單方便且便于檢查。

3 應(yīng)用實例

本文嘗試采用Labview程序采集在標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗中凈重為63.5 kg的沖擊錘錘擊鉆桿后在鉆桿質(zhì)點上所產(chǎn)生的加速度。

試驗的設(shè)計思路為:首先在標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的鉆桿上安裝加速度傳感器，然后將加速度傳感器連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備模塊上，最后將數(shù)據(jù)采集模塊連接到計算機(jī)，通過計算機(jī)控制沖擊錘錘擊后鉆桿質(zhì)點的加速度動態(tài)數(shù)據(jù)的變化(見圖4)。

圖3 數(shù)據(jù)采集程序代碼

圖4 鉆桿受錘擊振動后加速度的數(shù)據(jù)采集與處理

圖5 為經(jīng)過沖擊錘錘擊后經(jīng)觸發(fā)后記錄的原始加速度數(shù)據(jù)，由圖5可知，加速度值最大超過40 000 m/s2。

圖5 加速度原始數(shù)據(jù)歷時曲線

對加速度歷時曲線進(jìn)行離散傅里葉變換(DFT)，將時域信號變?yōu)轭l域信號，如圖6所示，可知頻率范圍為0 kHz～50 kHz，其中譜密度最大的頻率為0.585 94 kHz，其他的頻率或周期應(yīng)該對應(yīng)于彈性應(yīng)力波在各鉆桿接頭的反射、橫向反射干擾以及其他干擾波。

圖6 快速傅里葉變換（FFT）后的頻譜分析圖

經(jīng)數(shù)據(jù)濾波模塊，可設(shè)置不同的濾波頻率，最終的濾波結(jié)果見圖7。將濾波后的結(jié)果進(jìn)行積分計算模塊，得到速度隨時間的變化，見圖8。由圖8可知，速度隨時間呈逐漸減小為零的趨勢，并在下降途中有若干個極限值。

將速度歷時曲線輸入二次積分計算模塊，可以得到位移歷時曲線，見圖9。由圖9可知，位移的最大值也即最終位移為30.88mm，這與單次標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊下的貫入深度有一定的吻合性，也說明了此次試驗中引入Labview可以做到數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性及信號處理與數(shù)值計算時較高的精確度。

圖7 濾波后的加速度歷時曲線

圖8 速度歷時曲線

圖9 位移隨時間的關(guān)系

4 結(jié)語

本文仔細(xì)分析了虛擬機(jī)和Labview的優(yōu)缺點以及應(yīng)用領(lǐng)域，提出在巖土工程測試中應(yīng)引入Labview的觀點。通過設(shè)計Labview程序，設(shè)定數(shù)據(jù)采集、信號分析與數(shù)值計算、數(shù)據(jù)存儲三大模塊，并且結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗中鉆桿質(zhì)點加速度數(shù)據(jù)測試的試驗成功應(yīng)用該方法得到加速度實時動態(tài)數(shù)據(jù)，并通過信號處理與數(shù)據(jù)計算模塊對加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行了概率分析、頻譜分析、濾波處理、連續(xù)兩次積分運算，最終得到該錘擊下貫入深度的結(jié)果，且與現(xiàn)場試驗量測的結(jié)果較符合，說明這種方法的可用性，通過進(jìn)一步大量的應(yīng)用可進(jìn)一步驗證Labview在巖土工程測試領(lǐng)域中的優(yōu)越性。

［1］陳樹學(xué)，劉 萱.Labview寶典［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

［2］戴鵬飛.測試工程與Labview應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［3］馬銀平，宣亮亮，彭 如.Labview的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析與設(shè)計［J］.電子元器件應(yīng)用，2009，11(10):50-52.