劉慶杰 孫茂棠 雷曉燕

(華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心,330013,南昌∥ 第一作者,講師)

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鐵路環(huán)境振動實時監(jiān)測分析系統(tǒng)開發(fā)*

劉慶杰 孫茂棠 雷曉燕

(華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心,330013,南昌∥ 第一作者,講師)

基于LabVIEW平臺及NI(美國國家儀器公司)相關(guān)硬件設(shè)備CompactRIO 9075、NI 9234等,開發(fā)了鐵路環(huán)境振動實時監(jiān)測分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了振動加速度數(shù)據(jù)采集與1/3倍頻程和Z振級實時分析、數(shù)據(jù)傳送、監(jiān)控中心實時顯示、數(shù)據(jù)儲存及共享等基本功能。1/3倍頻程頻譜分析和Z振級是振動檢測中的重要項目,本系統(tǒng)利用LabVIEW程序和相關(guān)硬件設(shè)備采集加速度的同時,將采集數(shù)據(jù)實時轉(zhuǎn)換為1/3倍頻程譜和Z振級并實時顯示。通過將本監(jiān)測分析系統(tǒng)與德國DIC24數(shù)據(jù)采集儀采集的振動加速度對比,驗證了本系統(tǒng)的可靠性。

鐵路； 實時監(jiān)測; 環(huán)境振動; 1/3倍頻程; Z振級

Author′s address ME Engineering Research Center of Railway Environment Vibration and Noise,East China Jiaotong University,330013,Nanchang,China

列車通過城市區(qū)時所致環(huán)境振動一般不會造成建筑破壞[1],這一結(jié)論也是以往對其影響重視不夠的原因。然而,隨著運(yùn)營線路不斷增多,鐵路對周圍環(huán)境的影響如今已成為越來越突出的環(huán)境和社會問題。國內(nèi)專家對鐵路環(huán)境振動已進(jìn)行了大量的研究,目前環(huán)境振動研究中多以1～80 Hz范圍作為振動研究和評價的范圍[2]。本文利用LabVIEW軟件實現(xiàn)了振動加速度數(shù)據(jù)采集和對1～80 Hz的1/3倍頻程頻譜與Z振級實時在線分析。

LabVIEW是由美國國家儀器公司(National Instruments,簡為NI)創(chuàng)立的一個功能強(qiáng)大而又靈活的儀器和分析軟件開發(fā)工具。它是一種圖形化的編程語言,用于快速創(chuàng)建靈活的、可升級的測試、測量和控制應(yīng)用程序。其最大的優(yōu)點是可以方便快捷地開發(fā)自定制的測試系統(tǒng),并可以把用戶的一些算法寫入到系統(tǒng)當(dāng)中。

本系統(tǒng)通過NI 9234等前端設(shè)備采集實時數(shù)據(jù),利用LabVIEW編寫的軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、顯示及分析和儲存。

1 鐵路環(huán)境振動評價指標(biāo)

1.1 1/3倍頻程頻譜分析

對振動信號的測量與分析是控制振動的前提條件,其中1/3倍頻程頻譜分析是振動檢測中重要的測量項目[3]。

1.2 Z振級頻譜分析

大量研究結(jié)果表明,全身振動或局部振動對人體的影響與人的年齡、性別、體質(zhì)、健康狀況以及所處的環(huán)境等都有著復(fù)雜的關(guān)系,振動強(qiáng)度、頻譜、振動方向以及振動的暴露時間都會導(dǎo)致人對振動的主觀感覺不同,因此很難完整地描繪振動對人體的影響。振動對結(jié)構(gòu)及人體的影響本質(zhì)上是振動的能量轉(zhuǎn)換,不同的振動研究目的適用的評價振動的物理量也不應(yīng)一樣。在各專業(yè)領(lǐng)域內(nèi),往往采用不同的振動評價指標(biāo)來評價不同特征的振動。基于振動環(huán)境與勞動保護(hù)的考慮,不同國家的環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)在選取評價振動強(qiáng)度的指標(biāo)時,大多采用振動加速度級和振動速度級[4-5]。

實際的環(huán)境振動是多個頻率成分的復(fù)合振動,對于一個包含多種頻率成分的復(fù)雜振動信號,通常采用能量級作為評價量,具體為振動加速度級或振級,振級計算見式(1)。鐵路環(huán)境振動噪聲評價中選用鉛垂Z振級LVz,即根據(jù)ISO 2631/1—1997中規(guī)定的全身Z向振動不同頻率計權(quán)因子修正后得到的振動加速度級,單位dB。

(1)

式中：

a0——基準(zhǔn)加速度值,取a0=1×10-6;

aw——頻率計權(quán)加速度有效值,其具體計算公式如公式(2)所示。

(2)

式中:

ci——對應(yīng)1/3頻段的計權(quán)因子;

awi——第i個1/3頻段中心頻率處的振動加速度有效值。

采用如下方法計算:

(3)

式中：

f1,f2——是1/3頻段的上下限頻率,Hz;

G(f)——譜密度函數(shù)。

因此,選取1/3倍頻程頻譜分析和Z振級頻譜分析作為鐵路環(huán)境實時監(jiān)測分析系統(tǒng)的評價指標(biāo)。

2 實時監(jiān)測分析系統(tǒng)原理及構(gòu)成

2.1 實時監(jiān)測分析系統(tǒng)原理

振動加速度計粘貼在鋼軌軌底上,采用NI 9234模塊采集鋼軌振動加速度,將采集信號通過電纜線傳輸至NI 9075 CompactRIO機(jī)箱的I/O(輸入/輸出)模塊,然后通過編寫的FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)程序傳輸至FPGA,實時控制器通過RT(實時)程序讀取FPGA中的數(shù)據(jù)然后通過網(wǎng)絡(luò)流的方式與上位機(jī)交互并將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī),在上位機(jī)上進(jìn)行實時顯示、儲存和進(jìn)行相應(yīng)的分析,其監(jiān)測分析系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 實時監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

2.2 實時監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

2.2.1 上位機(jī)

上位機(jī)為實時監(jiān)測分析系統(tǒng)的核心部分,可以顯示用戶界面(包括參數(shù)輸入控件、通道選擇、波形圖表顯示等),通過網(wǎng)絡(luò)流方式與RT終端進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交互,進(jìn)行數(shù)據(jù)儲存和分析,完成所有的程序編程和利用LabVIEW Real-Time模塊將各種程序下載到實時控制器和FPGA上去。

2.2.2 CompactRIO(RT)系統(tǒng)終端

RT終端由控制器和機(jī)箱兩部分組成,可以采用掃描和FPGA編程模式,本系統(tǒng)中采用FPGA編程模式。機(jī)箱中的FPGA直接和每個I/O模塊相連,可高速訪問I/O電路并靈活實現(xiàn)定時、觸發(fā)和同步等功能?？刂破髂軌蚩煽慷鴾?zhǔn)確地執(zhí)行LabVIEW實時應(yīng)用程序、提供多速率控制、進(jìn)程執(zhí)行跟蹤、數(shù)據(jù)存儲、與外部設(shè)備通信等功能。因為每個I/O模塊直連FPGA,而非通過總線,所以與其他工業(yè)控制器相比,CompactRIO幾乎沒有控制系統(tǒng)的響應(yīng)延遲。

2.2.3 C系列采集模塊

NI 9234,為4通道C系列動態(tài)信號采集模塊,是為聲音和振動應(yīng)用而設(shè)計的高精度數(shù)據(jù)采集設(shè)備,能針對配備NI Compact DAQ或NI CompactRIO系統(tǒng)的集成電路壓電式(IEPE)與非集成電路壓電式(IEPE)傳感器進(jìn)行高精度測量。NI 9234模塊參數(shù)見表1。

表1 NI 9234模塊參數(shù)

2.2.4 加速度傳感器

加速度傳感器采用美國壓電有限公司生產(chǎn)的PCB PIEZOTRONICS 333B32 系列產(chǎn)品,和我國地震局生產(chǎn)的941B型超低頻測振儀。

3 實時監(jiān)測分析系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)采集

CompatRIO機(jī)箱采用FPGA編程模式,因此要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能,需要分別編寫FPGA程序、RT和上位機(jī)三個程序:

(1) FPGA程序。在FPGA程序中,可以對模塊采樣率和輸入配置等進(jìn)行設(shè)置,直接讀取I/O模塊各通道數(shù)據(jù)并寫入FIFO(對列)。

(2) RT程序。RT程序用來讀取FPGA程序上的FIFO數(shù)據(jù)并傳輸至上位機(jī)。

(3) 上位機(jī)程序。上位機(jī)程序以命令流的方式與RT端進(jìn)行交互,在此交互過程中完成了UI-RT和RT-UI兩個命令流的建立和共享變量的連接。上位機(jī)建立命令流和共享變量連接部分程序框圖如圖2所示。

圖2 上位機(jī)建立命令流和調(diào)用共享變量程序框圖

通過UI-RT命令流,在前面板中的控制器地址輸入控件中輸入RT端的IP地址,點擊連接控件,即可實現(xiàn)UI-RT端的交互。在前面板用戶顯示界面,點擊用戶界面上的任意控件和修改輸入控件的輸入?yún)?shù)即可實現(xiàn)UI端信息向RT端的傳遞并對采集進(jìn)行控制，以及實現(xiàn)RT端將采集數(shù)據(jù)實時傳輸至UI端并實時顯示的功能。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 1/3倍頻程頻譜分析

利用LabVIEW的Sound and Vibration模塊對采集到的信號進(jìn)行處理分析得到1/3倍頻程頻譜圖。圖3a)中svx_Force identical t0.vi將輸入波形轉(zhuǎn)換為電壓信號;圖3b)中SVL Scale Voltage to EU.vi將電壓信號轉(zhuǎn)換為包含通道信息(如作為波形的屬性的以m/s2為單位和靈敏度系數(shù)設(shè)置)縮放波形信號,經(jīng)過通道索引,得到單通道縮放信號。此時的原信號波形圖基準(zhǔn)線偏離零值線,如圖4a)所示。對原始波形信號選用圖3c)中WA Detrend vi處理,消除基準(zhǔn)漂移,并且其波形圖基準(zhǔn)線與零值線一致,如圖4b)所示。最后經(jīng)過圖3d)中SVT Fractional-octave Analysis.vi,選取1/3 octave分析,得到1/3倍頻程頻譜圖,如圖5所示。

圖3 1/3倍頻程頻譜分析程序框圖

圖4 采集信號零漂處理前后圖

圖5 用戶界面1/3倍頻程頻譜圖

3.2.2 Z振級分析

Z振級同樣是利用LabVIEW中的Sound and Vibration模塊對采集的振動信號處理分析得到的。在對采集信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換和調(diào)零處理后,利用圖6a)中的人體振動加權(quán)濾波器SVT Human Vibration Weighting Filter(Fixed Rates).vi濾波后返回一個基于信號和加權(quán)輸入規(guī)格的加權(quán)信號。對加權(quán)信號進(jìn)行1/3倍頻程分析;然后利用圖6b)中SVT Octave Spectrum Conversion.vi進(jìn)行SVT的倍頻程頻譜轉(zhuǎn)換,即可得到與1/3倍頻帶相關(guān)的分貝和對應(yīng)的頻率。圖7為實時監(jiān)測時Z振級圖。

圖6 Z振級分析部分程序圖

圖7 實時Z振級圖

4 實時監(jiān)測分析系統(tǒng)試驗驗證

將本套CompactRIO采集分析系統(tǒng),應(yīng)用于華東交通大學(xué)鐵路環(huán)境振動與噪聲教育部工程研究中心縮尺軌道模型上(見圖8)上?？s尺軌道模型的參數(shù)見表2。

通過與德國Head公司生產(chǎn)的 DIC24數(shù)據(jù)采集儀采集的振動加速度做對比,驗證本系統(tǒng)的可靠性。分別將兩個PCB PIEZOTRONICS 333B32系列振動傳感器并排粘貼于軌底坡處和將兩個941B型振動傳感器放置在軌枕邊,如圖8和圖9所示。

圖8 縮尺軌道模型

圖9 333B32粘貼位置

表2 941B加速度傳感器參數(shù)

由于實驗室條件有限,縮尺模型上小車由人工推動行駛,行駛速度為10 km/h左右,分別用CompactRIO系統(tǒng)和DIC24數(shù)據(jù)采集儀同時采集小車行駛時產(chǎn)生的振動加速度,用PCB PIEZOTRONICS 333B32 系列產(chǎn)品和941B型傳感器采集的鋼軌軌底坡處和軌枕邊處加速度波形曲線圖如圖10和圖11所示。

圖10 333B32傳感器采集軌底坡的振動加速度

圖11 941 B型傳感器采集軌枕邊處振動加速度

對CompactRIO系統(tǒng)和DIC24數(shù)據(jù)采集儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,通過對兩種采集方法采集的加速度進(jìn)行1/3倍頻程頻譜分析和最大值、最小值及均方根值對比,表3中列出了圖10中第2、3、7、8四個輪位經(jīng)過采集點時采集到的加速度最大值、最小值及均方根值。

對圖10中兩組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行1/3倍頻程頻譜分析,對比結(jié)果如圖12所示。

表3 幅值統(tǒng)計對比表 m/s2

圖12 1/3倍頻程頻譜分析結(jié)果

從表3和圖12可以看出,采用CompactRIO系統(tǒng)采集到的加速度數(shù)據(jù)與DIC24數(shù)據(jù)采集儀采集到的加速度數(shù)據(jù)能夠吻合,驗證了本套CompactRIO系統(tǒng)采集方法的正確性與采集結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

5 儲存

為便于日后查詢歷史數(shù)據(jù),在本系統(tǒng)中設(shè)計了數(shù)據(jù)存儲記錄模塊。存儲記錄模塊采用TDMS(一種二進(jìn)制記錄文件)文件格式。TDMS文件兼顧了高速、易存取和方便等多種優(yōu)勢的二進(jìn)制記錄文件,并且在存儲數(shù)據(jù)時,可以設(shè)置文件記錄一定量的數(shù)據(jù)后自動生成一個新文件以及通道等屬性的設(shè)置。

6 結(jié)語

該鐵路環(huán)境振動實時監(jiān)測分析系統(tǒng)實現(xiàn)了對鐵路環(huán)境振動進(jìn)行實時監(jiān)測分析,并可對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行儲存和統(tǒng)計處理,人機(jī)交互界面生動美觀,操作簡單。并且通過將本套系統(tǒng)與德國DIC24數(shù)據(jù)采集儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,驗證了本套系統(tǒng)的可靠性與準(zhǔn)確性并且能夠采集到1～80 Hz范圍振動信號,供相關(guān)專業(yè)人員對鐵路引起的振動對周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響進(jìn)行研究和評價。

[1] HAO H,ANG T C,SHEN J.Building vibration to traffie-indueed ground motion[J].Building and Environment,2001,36(3):321.

[2] 守田榮.振動篇—公害防止技術(shù)[M].盧賢昭譯北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1988.

[3] 沈秋霞,姚青,陳淑敏,等.1/3倍頻程頻譜分析系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計與實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機(jī),2008,21(10):75.

[4] 康波.地鐵上方建筑物振動及二次噪聲輻射分析[D].成都:西南交通大學(xué).2011.

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Development of Real-time Monitoring and Analysis System for Railway Environmental VibrationLIU Qingjie, SUN Maotang, LEI Xiaoyan

Based on LabVIEW platform and NI hardware equipment CompactRIO 9075,NI 9234 and so on, a real-time monitoring and analysis system for rail environmental vibration is developed. This system could realize the fundamental functions like data acquisition of vibration acceleration,1/3 times octave and Z vibration level real-time analysis, data transferring, real-time display, data storage and sharing in control center. Because the 1/3 times octave spectrum and the Z vibration level analysis are important projects in the vibration testing, by using LabVIEW programs and the related acceleration collecting equipment, this system could not only monitor and display the acceleration timely, but also convert the collected acceleration data to 1/3 times octave spectrum and Z vibration level at the same time. Through comparing the collected vibration acceleration from this vibration monitoring and analysis system with German DIC24 data acquisition instrument, the reliability of the system is verified.

railway; real-time monitoring; environmental vibration; 1/3 times octave; Z vibration level

*國家自然科學(xué)基金項目(U1134107、E080704);江西省普通本科高?？萍悸涞赜媱濏椖?/p>

U 211.3； X 85

10.16037/j.1007-869x.2016.05.012

2014-11-09)