韓聰　黃天福　何南潤(rùn)　黎航帆

【摘 要】 以計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集板為主要硬件，以編程語(yǔ)言DASYLab為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)虛擬儀器動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理分析模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊等構(gòu)成，文中對(duì)各模塊的功能進(jìn)行了介紹。利用系統(tǒng)進(jìn)行組合梁橋模型動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試，操作簡(jiǎn)單方便，功能性強(qiáng)。

【關(guān)鍵詞】 虛擬儀器；DASYLab；動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試；組合梁橋

【中圖分類(lèi)號(hào)】G642.4 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）18-00-02

引言：

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工程結(jié)構(gòu)現(xiàn)代化水平的不斷提高，人們對(duì)結(jié)構(gòu)的性能要求也越來(lái)越高，結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷已成為我們關(guān)注的焦點(diǎn)。電阻應(yīng)變測(cè)量在工程參量測(cè)試中極具典型性和代表性，而且應(yīng)用廣泛，采用相同的傳感器就能夠?qū)崿F(xiàn)多種機(jī)械量參數(shù)的測(cè)量，完成多種不同的工程測(cè)試任務(wù)。

虛擬儀器（Virtual Instrument）技術(shù)的高度發(fā)展，為組建結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷儀器提供了全新的技術(shù)手段。它通過(guò)軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析虛擬儀器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了“軟件就是儀器”的理念。采集監(jiān)測(cè)信號(hào)的特征信息是設(shè)備故障診斷的第一步，其次是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)以及分析處理，最終對(duì)結(jié)構(gòu)的當(dāng)前工況及其發(fā)展趨勢(shì)作出確切的判斷。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在智能化程度、處理能力、性?xún)r(jià)比、可操縱性等方面均具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1 動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成，這里采用PC-DAQ體系結(jié)構(gòu)組建虛擬儀器。其原因是因?yàn)镻C-DAQ系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集板、信號(hào)調(diào)理電路和計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器系統(tǒng)，它充分利用了主流和普及的PC機(jī)總線(xiàn)、機(jī)箱、電源以及豐富的軟件，以極少的硬件就能形成功能完備的應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)，這種實(shí)現(xiàn)方案的性?xún)r(jià)比最佳?；赑C-DAQ體系結(jié)構(gòu)的虛擬式動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試儀的硬件由傳感器（電阻應(yīng)變計(jì)）、信號(hào)調(diào)理電路（測(cè)量電橋、應(yīng)變放大器）、數(shù)據(jù)采集卡（A/D板）和計(jì)算機(jī)及打印機(jī)等組成。其中傳感器為電阻應(yīng)變計(jì)，其作用是將被測(cè)應(yīng)變?chǔ)诺淖兓D(zhuǎn)換成應(yīng)變計(jì)電阻的相對(duì)變化△R/R；信號(hào)調(diào)理則包括測(cè)量電橋、應(yīng)變放大器，由于電阻難以測(cè)量，故需要用測(cè)量電橋?qū)?yīng)變計(jì)電阻的相對(duì)變化△R/R轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)很小，采用應(yīng)變放大器對(duì)其進(jìn)行放大及必要的濾波處理，使之達(dá)到數(shù)據(jù)采集卡DAQ的要求范圍；數(shù)據(jù)采集卡將調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)行采樣、量化和編碼，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字信號(hào)通過(guò)接口送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行分析處理，并在屏幕上顯示信號(hào)的波形和測(cè)量值，根據(jù)需要還可以將數(shù)據(jù)或波形圖進(jìn)行存盤(pán)和打印輸出。系統(tǒng)采用個(gè)人電腦系統(tǒng)，操作系統(tǒng)為Windows，編程語(yǔ)言為DASYLab。

基于數(shù)據(jù)采集DAQ的虛擬儀器系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集卡/板（DAQ）插入PC計(jì)算機(jī)的空槽中，可以方便快速組建虛擬儀器，而且價(jià)格低廉，攜帶方便。目前數(shù)據(jù)采集卡采樣速度快，精度高，具有可靠性高、功能靈活、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)。用數(shù)據(jù)采集卡配以計(jì)算機(jī)平臺(tái)和虛擬儀器軟件，便可構(gòu)造各種測(cè)量和控制儀器。在PC計(jì)算機(jī)上掛接若干DAQ功能模塊，配合相應(yīng)的軟件，就可以構(gòu)成一臺(tái)具有若干功能的PC儀器。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理分析模塊和數(shù)據(jù)管理模塊等構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)儀器采集模擬信號(hào)，通過(guò)軟件來(lái)控制和啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，并實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集過(guò)程；數(shù)據(jù)處理分析模塊對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行專(zhuān)業(yè)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)信息的特征提?。粩?shù)據(jù)管理模塊完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢(xún)、調(diào)用等功能。

2.1數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集部分在整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中占有重要的地位，采樣數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響到后面的處理、分析和顯示等功能能否正確實(shí)現(xiàn)。此模塊主要對(duì)設(shè)備的采樣參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括通道的選擇、采樣點(diǎn)數(shù)、采樣間隔、采樣頻率的設(shè)置等。在此模塊中通過(guò)調(diào)用動(dòng)態(tài)連接庫(kù)（DLL）來(lái)支持DaqBoo112數(shù)據(jù)采集板，通過(guò)調(diào)用在DASYLab中的Analog Input節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的采集。

2.2數(shù)據(jù)處理與分析模塊

動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)的核心部分是數(shù)據(jù)處理模塊。該模塊的主要功能是將數(shù)據(jù)采集模塊采集得到的應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行分析與處理。數(shù)據(jù)處理模塊主要包括標(biāo)度變換、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)的二次處理等幾個(gè)方面。測(cè)試信號(hào)分析與處理的基本問(wèn)題，是為了獲得測(cè)試結(jié)果而對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)、判別、參數(shù)分析、特征識(shí)別以及解決傳輸與儲(chǔ)存問(wèn)題而進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)壓縮等。具體來(lái)說(shuō)，包括信號(hào)的參數(shù)分析、頻譜分析、濾波以及統(tǒng)計(jì)特征分析等。在信號(hào)的參數(shù)分析中，通常需要對(duì)信號(hào)的幅度、頻率、周期、相位、時(shí)延等參量作出分析。在信號(hào)成分單一的情況下，參數(shù)分析的任務(wù)是設(shè)法提取參數(shù)，而在信號(hào)成分比較復(fù)雜的情況下，例如多種頻率分量共存時(shí)，參數(shù)提取問(wèn)題就不再是一個(gè)單一的問(wèn)題，往往要結(jié)合頻譜分析、統(tǒng)計(jì)處理以及建模分析等方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行綜合處理。

頻譜分析的主要目的是將信號(hào)分解成一系列單一的成分，以便弄清信號(hào)的組成，從中判別出有用的信號(hào)，并進(jìn)一步分析出有用信號(hào)的特征，區(qū)分有用信號(hào)與無(wú)用信號(hào)之間、有用信號(hào)不同分量之間的相互關(guān)系。例如信號(hào)的帶寬、有用信號(hào)的頻率范圍、干擾信號(hào)的范圍與統(tǒng)計(jì)特性等。濾波則是在信號(hào)特征明顯的基礎(chǔ)上，借助濾波程序去掉信號(hào)中的無(wú)用量而保留有用信號(hào)，使后續(xù)信號(hào)的處理和存儲(chǔ)更為有效和精確。頻域分析處理包括幅值譜和功率譜密度函數(shù)分析。其中功率譜密度函數(shù)能將實(shí)測(cè)的復(fù)雜工程信號(hào)分解成簡(jiǎn)單的諧波分量來(lái)研究，描述了信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)。對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻域分析，必須對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行時(shí)域截?cái)?，即進(jìn)行加窗處理，然后才能進(jìn)行快速傅立葉變換（FFT：Fast Fourier Transform）。加窗時(shí)，應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)進(jìn)行選擇，以盡量減小泄漏信號(hào)的處理分析是測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目的是提取信號(hào)特征，分析信號(hào)、修正系統(tǒng)誤差。本系統(tǒng)的信號(hào)分析處理主要從時(shí)域和頻域兩方面進(jìn)行。

2.3數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊

數(shù)據(jù)庫(kù)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢(xún)、調(diào)用等功能，可以給系統(tǒng)以強(qiáng)大的技術(shù)支持。為了更有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢(xún)等功能，在DASYLab虛擬儀器開(kāi)發(fā)中，采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，它具有簡(jiǎn)單、實(shí)用、功能強(qiáng)大和標(biāo)準(zhǔn)化等特點(diǎn)。通過(guò)調(diào)用LabSQL模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存貯、添加、刪除、查詢(xún)等功能?；谔摂M儀器技術(shù)的應(yīng)變測(cè)試儀的圖形顯示功能主要有：測(cè)試信號(hào)的時(shí)域波形顯示；所測(cè)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征值統(tǒng)計(jì)表顯示；模擬液晶顯示器的數(shù)字化顯示。從界面可以清楚地了解所測(cè)信號(hào)的變化趨勢(shì)，通過(guò)鼠標(biāo)移動(dòng)顯示了不同時(shí)刻應(yīng)變大小。利用功率譜可以求出系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)等。

3 應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1組合連續(xù)梁動(dòng)態(tài)應(yīng)變的測(cè)定

該實(shí)驗(yàn)?zāi)M有移動(dòng)荷載的連續(xù)梁橋，將組合梁設(shè)置為完全連續(xù)梁，開(kāi)動(dòng)小車(chē)產(chǎn)生動(dòng)載荷。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生根據(jù)需要，利用DASYLAB軟件，設(shè)計(jì)出虛擬測(cè)試儀器進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)變的采集。虛擬儀器中主要包括信號(hào)發(fā)生模塊、信號(hào)處理與顯示模塊、信號(hào)存儲(chǔ)與讀取模塊等。根據(jù)采集結(jié)果分析組合梁在移動(dòng)荷載作用下的受力特征。該實(shí)驗(yàn)的目的：讓學(xué)生了解動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的工作原理，學(xué)習(xí)其使用方法；熟悉計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程；掌握現(xiàn)代動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變測(cè)試技術(shù)。

3.2組合雙懸臂梁二次沖擊系數(shù)的測(cè)定

將組合梁設(shè)置為雙懸臂梁，使兩段梁上下相距一定距離，水平方向稍有重疊。在上懸臂梁上吊掛一定數(shù)量砝碼，實(shí)驗(yàn)前通過(guò)支座下的插銷(xiāo)使梁處于水平位置。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)松開(kāi)插銷(xiāo)，使下方的懸臂梁受到二次沖擊，要求根據(jù)測(cè)到的應(yīng)變值推算二次沖擊系數(shù)。

沖擊載荷是在瞬間完成的，各被測(cè)參數(shù)的變化過(guò)程不能被直接測(cè)量。因此，要對(duì)沖擊過(guò)程中的動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試，需借助動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)。動(dòng)態(tài)響應(yīng)與系統(tǒng)的固有頻率、阻尼系數(shù)等結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)固有參數(shù)有直接的聯(lián)系，所以要求不僅要理解力學(xué)中的基本概念和原理，而且要掌握信號(hào)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)試和高階系統(tǒng)等知識(shí)，這些綜合知識(shí)的應(yīng)用有利于啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考，提高分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和實(shí)際操作能力。另外在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由學(xué)生自行推導(dǎo)該力學(xué)模型下動(dòng)載荷系數(shù)的表達(dá)式，通過(guò)幾個(gè)不同高度的沖擊動(dòng)應(yīng)變的測(cè)試，驗(yàn)證理論分析結(jié)果，并分析計(jì)算結(jié)果與理論結(jié)果偏差的原因。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于虛擬儀器的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)與硬件融為一體，把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合起來(lái)，使測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)化、數(shù)據(jù)處理精確、迅速。系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，為以后添加新的功能模塊提供了方便，另外，人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，大大提高了結(jié)構(gòu)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)診斷水平，為今后結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)診斷提供了先進(jìn)的分析工具。

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