顧憲成，續(xù)秀忠，邊蘊(yùn)宇，董 曉

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海 201306)

0 引 言

傳統(tǒng)的對(duì)起重機(jī)狀態(tài)檢測(cè)手段通過(guò)人工、定點(diǎn)、定時(shí)的方法完成，其檢測(cè)方法簡(jiǎn)單、狀態(tài)評(píng)估主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)。近年來(lái)隨著人工智能的不斷發(fā)展，可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)港口起重機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，極大提高了設(shè)備的故障排除效率，保證設(shè)備正常運(yùn)行[1-5]。

振動(dòng)測(cè)量是機(jī)械工程中分析零件的動(dòng)態(tài)特性的重要手段，PCB公司的333B32振動(dòng)傳感器測(cè)量精度高，可以獲得有效的振動(dòng)數(shù)據(jù)。應(yīng)變測(cè)量是機(jī)械工程中分析零件或結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)、評(píng)價(jià)材料力學(xué)性能的重要手段之一。應(yīng)變片是應(yīng)變測(cè)量的重要部件之一，ST350應(yīng)變傳感器是一種集成式的應(yīng)變片，這種應(yīng)變片可以不受天氣環(huán)境的影響，在幾分鐘內(nèi)固定到被測(cè)件上。其靈敏度是一般箔應(yīng)變計(jì)的3.5倍。大大提高了應(yīng)變測(cè)量的效率和準(zhǔn)確性。

本文開(kāi)發(fā)一種基于LabVIEW振動(dòng)與應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)港口起重機(jī)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。介紹了應(yīng)變與振動(dòng)的測(cè)量原理；設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路，結(jié)合應(yīng)變傳感器、振動(dòng)傳感器、模塊化信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)構(gòu)成整個(gè)硬件系統(tǒng)；通過(guò)LabVIEW編寫上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)港機(jī)振動(dòng)與應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集與處理；最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性與有效性。

1 測(cè)量原理

1.1 應(yīng)變測(cè)量原理

電阻應(yīng)變片是用來(lái)測(cè)量應(yīng)變的元件，其工作原理是根據(jù)導(dǎo)體的應(yīng)變-電阻效應(yīng)，即當(dāng)導(dǎo)體發(fā)生變形時(shí)，其電阻大小將相應(yīng)地發(fā)生改變。

由材料力學(xué)知識(shí)可知

dR/R=(1+λE+2υ)=Kε

(1)

式中：dR/R為相對(duì)電阻變化；λ為電阻系數(shù)；E為導(dǎo)體彈性模量；υ為泊松比；K為導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度系數(shù)；ε為應(yīng)變[6]。

在電阻應(yīng)變測(cè)量中，電阻的相對(duì)變化量(或稱電阻變化率ΔR/R) 通過(guò)應(yīng)變測(cè)量電橋轉(zhuǎn)換為電壓(或電流)變化量。其工作原理如圖1所示。R1，R2，R3，R4這4個(gè)電阻依次接在A,B,C,D之間，構(gòu)成電橋的4橋臂。電橋的對(duì)角AC接電源，供橋電壓為US； 對(duì)角BD為電橋的輸出端，其輸出電壓為U0。 由電工學(xué)可知電橋輸出電壓U0為

(2)

若4個(gè)橋臂由貼在構(gòu)件上的4枚電阻片組成，且R1=R2=R3=R4， 當(dāng)輸出電壓U0=0時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，當(dāng)構(gòu)件變形時(shí)，各電阻的變化量分別為ΔR1， ΔR2， ΔR3， ΔR4， 在小應(yīng)變?chǔ)/R?1的條件下，可以得出橋路輸出電壓為

(3)

圖1 電橋原理

由式(1)、式(3)兩式可以看出，只要測(cè)出電橋的輸出電壓，就可以計(jì)算出所需測(cè)量的應(yīng)變值。

1.2 振動(dòng)測(cè)量原理

本系統(tǒng)中的振動(dòng)用加速度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。加速度計(jì)是一種用于測(cè)量物體的加速度并將其轉(zhuǎn)化為電壓的傳感器。大多數(shù)的加速度計(jì)通常是基于壓電效應(yīng)，即某些類型的晶體在受到壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓。被測(cè)物體的加速度傳輸?shù)郊铀俣扔?jì)內(nèi)的質(zhì)量塊，然后再壓電晶體上生成相應(yīng)的力。這個(gè)來(lái)自外部的壓力會(huì)使晶體產(chǎn)生高阻抗電荷，電荷量與所施加力成正比，因而也與加速度成正比。

2 系統(tǒng)總體構(gòu)成

本系統(tǒng)的主要硬件包括：應(yīng)變傳感器、振動(dòng)傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、PCB模塊化信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)等。系統(tǒng)原理框架如圖2所示。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)原理框架

2.1 傳感器

本系統(tǒng)的傳感器包括振動(dòng)傳感器與應(yīng)變傳感器。其中應(yīng)變傳感器選擇美國(guó)橋梁診斷公司的ST350應(yīng)變傳感器,振動(dòng)傳感器采用PCB公司的333B32單相傳感器。

ST350是美國(guó)橋梁診斷公司設(shè)計(jì)的能快速準(zhǔn)確測(cè)量各種結(jié)構(gòu)在惡劣環(huán)境中的應(yīng)變傳感器。ST350的內(nèi)部部件由一個(gè)安裝在柔性應(yīng)力環(huán)內(nèi)的定制的350 Ω惠斯通橋式傳感器類應(yīng)變計(jì)組成。4個(gè)有源臂布置在環(huán)內(nèi)部，使得在相同的應(yīng)變水平下，總輸出大約是典型的泊應(yīng)變計(jì)的3.5倍，這很有利于測(cè)量結(jié)構(gòu)上的動(dòng)載荷應(yīng)變，而且這種應(yīng)變片方便，它能夠在所有天氣條件下于幾分鐘內(nèi)安裝到被測(cè)結(jié)構(gòu)上。這款350 Ω全橋式的應(yīng)變傳感器非常精確，堅(jiān)固、耐用、防水，且可重復(fù)使用，持續(xù)時(shí)間超過(guò)10年。

每個(gè)ST350都提供NIST(美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院)可跟蹤校準(zhǔn)因子。由于該傳感器是比值傳感器，其激勵(lì)電壓范圍為2.5 V-10 V，所以對(duì)所提供的校準(zhǔn)因子對(duì)于激勵(lì)電壓進(jìn)行歸一化。為了計(jì)算數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的適當(dāng)校準(zhǔn)因子，所使用的激勵(lì)電壓必須乘以一般規(guī)范因子(GGF)。校準(zhǔn)因子例子如下

GGF=###με/mVout/Vexc

其中，GGF為一般規(guī)范因子； ###為數(shù)值；με為微應(yīng)變；mVout為毫伏直流輸出電壓；Vexc為傳感器的直流激勵(lì)電壓。

本系統(tǒng)中選用的ST350應(yīng)變傳感器為全橋式應(yīng)變傳感器B6715、B6716、B6717、B6718。如圖3所示。

圖3 應(yīng)變傳感器

所選擇的PCB公司的333B32單相傳感器，其靈敏度為10 mv/V。這款傳感器屬于壓電式傳感器，內(nèi)部由彈簧、質(zhì)量塊、基座、壓電元件、夾持環(huán)等組成，具有高分辨率，良好的相位匹配性等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路

高精度儀表放大器AD620和濾波電路組成信號(hào)調(diào)理電路，在本系統(tǒng)中用于對(duì)應(yīng)變信號(hào)的調(diào)理與放大。AD620的功能結(jié)構(gòu)圖如圖4(a)所示。AD620具有差分輸入，單端輸出的特點(diǎn)。電阻RG確定電壓增益，增益可調(diào)且連續(xù)，同時(shí)解決了后級(jí)負(fù)載的接地問(wèn)題。A1和A2構(gòu)成同相高輸入阻抗的差分輸入，差分輸出。實(shí)現(xiàn)調(diào)理電路的放大功能。因?yàn)殡娐方Y(jié)構(gòu)對(duì)稱，故當(dāng)增益發(fā)生改變時(shí)，其輸入阻抗大小不變。電路反饋電阻R1和R2阻值為24.7 kΩ，A1和A2放大器的失調(diào)、共模增益、零漂等誤差都得到了補(bǔ)償。放大器A3的增益為1，具有較高的抗干擾能力與共模抑制比，實(shí)現(xiàn)單端輸出。

在對(duì)傳感器信號(hào)放大后，利用有源低通濾波器濾除干擾信號(hào)和集成芯片工作時(shí)所產(chǎn)生的高頻噪聲。在本設(shè)計(jì)中利用兩個(gè)兩階濾波和一個(gè)一階濾波構(gòu)成一個(gè)五階的濾波電路可以有效濾除干擾。能夠有效的提高信噪比[7,8]。電路如圖4(b)所示。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路

2.3 模塊化信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

模塊化信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)就是電荷放大模塊，在本系統(tǒng)中用于對(duì)振動(dòng)信號(hào)的調(diào)理與放大。電荷放大模塊由電源模塊、電荷變換、低通濾波、高通濾波和末級(jí)功放組成。電源模塊主要作用是為電荷放大器提供能量，其將220 V電壓經(jīng)降壓、整流、穩(wěn)壓等幾個(gè)環(huán)節(jié)最后得到電荷放大器所需的電壓；電荷變換，其輸入的是高阻抗低頻噪聲信號(hào)，運(yùn)用地漂移寬帶精密運(yùn)算放大器得到有效電容；低通濾波目的是為了濾除低頻干擾信號(hào)；高通濾波是為了濾除低頻干擾信號(hào)；末級(jí)功放主要用于完成對(duì)信號(hào)的放大。

電荷放大模塊的原理如圖5所示。其中，Q為壓電晶體在外力作用下的電荷，C1為傳感器的級(jí)間電容，C2為傳感器傳輸線纜的電容，C3為電荷放大模塊的輸入電容，C4為反饋電容，R1為輸入電纜的漏電阻，R2為電荷放大模塊的輸入電阻，R3為反饋電阻，Ui為差動(dòng)電壓，U0為輸出電壓，A為運(yùn)算放大器放大系數(shù)。

圖5 電荷放大模塊原理

由電工學(xué)知識(shí)可知

U0=-A*Q/(C1+C2+C3+(A+1)*C4)

(4)

忽略數(shù)量級(jí)較小的參數(shù)可得

U0=-Q/C4

(5)

因此，可根據(jù)傳感器的量程、電荷靈敏度、反饋電容大小來(lái)計(jì)算輸出電壓。

2.4 數(shù)據(jù)采集卡

在本測(cè)試系統(tǒng)中，選取了NI公司研發(fā)的USB6000數(shù)據(jù)采集卡。該采集卡有8個(gè)單端模擬輸入通道AI0-AI8，4個(gè)數(shù)字輸入/輸出通道P0.0-P0.4，2個(gè)32位計(jì)數(shù)器PFI0和PFI1。其功能原理如圖6所示。多路復(fù)用器(MUX)每次將一個(gè)AI信號(hào)多路復(fù)用至放大器(AMP)，放大器(AMP)對(duì)信號(hào)進(jìn)行緩沖，緩沖后的信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，使用先進(jìn)先出(FIFO)緩存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，最后通過(guò)USB2.0全速接口讀取緩存中的數(shù)據(jù)；數(shù)字輸入/輸出通道通過(guò)編程配置為輸入或輸出，采用軟件定時(shí)，經(jīng)過(guò)靜態(tài)DIO模塊實(shí)現(xiàn)與USB 2.0全速接口的通信，達(dá)到數(shù)字量輸入或輸出的目的；PFI0用作計(jì)數(shù)器源，該模式使用32位計(jì)數(shù)器對(duì)上升沿和下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸至USB 2.0全速接口，PFI1用作模擬輸入采集觸發(fā)，通過(guò)ADC控制模塊將數(shù)據(jù)傳輸至USB 2.0全速接口。

圖6 采集卡功能原理

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件采用LabVIEW，LabVIEW軟件采用圖形化編程語(yǔ)言，直觀簡(jiǎn)單，易于操作[9]。本系統(tǒng)所選用的NI USB6000數(shù)據(jù)采集卡附有一張光盤，利用這張光盤安裝NI-DAQ驅(qū)動(dòng)程序軟件，以此便可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡的通信。本系統(tǒng)的LabVIEW上位機(jī)程序主要包括振動(dòng)采集模塊和應(yīng)變采集模塊，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)LabVIEW的數(shù)據(jù)采集程序?qū)崟r(shí)傳輸并保存至計(jì)算機(jī)，當(dāng)完成數(shù)據(jù)采集后，將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器。上位機(jī)程序編程的結(jié)構(gòu)采用事件結(jié)構(gòu)，嵌套程序框架采用狀態(tài)機(jī)模型即順序結(jié)構(gòu)+While循環(huán)。其軟件流程如圖7所示。

圖7 軟件流程

3.1 應(yīng)變測(cè)量模塊

應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)中包括應(yīng)變數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)預(yù)處理、應(yīng)變數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量4部分。

數(shù)據(jù)采集部分：使用“DAQmx創(chuàng)建虛擬通道”函數(shù)設(shè)置采樣通道AI0-AI3。根據(jù)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集的需要，通過(guò)“DAQmx采樣時(shí)鐘”函數(shù)設(shè)置采樣頻率為200 Hz。利用“DAQmx讀取”函數(shù)讀取采集卡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。根據(jù)ST350應(yīng)變片B6715、B6716、B6717、B6718的參數(shù)，通過(guò)“數(shù)值輸入”控件設(shè)置AI0-AI3通道的校準(zhǔn)因子分別為498.9、507.7、506.1、508.1。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過(guò)“數(shù)值輸入”控件設(shè)置應(yīng)變現(xiàn)場(chǎng)修正值。

歷史數(shù)據(jù)查詢部分：將采集到的數(shù)據(jù)使用“寫入測(cè)量文件”函數(shù)并以TDMS格式實(shí)時(shí)保存到文件中，然后使用“讀取測(cè)量文件”函數(shù)從既定文件中讀取數(shù)據(jù)，通過(guò)“圖形顯示”控件顯示歷史數(shù)據(jù)。

應(yīng)變數(shù)據(jù)預(yù)處理部分：使用“公式節(jié)點(diǎn)”函數(shù)編寫五點(diǎn)三次法信號(hào)預(yù)處理程序，然后再使用中值濾波器進(jìn)行濾波，最后以波形圖的形式顯示。

應(yīng)變數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量部分：通過(guò)“統(tǒng)計(jì)”函數(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的峰值、谷值、峰-谷值、平均值、方差、均方根統(tǒng)計(jì)量。應(yīng)變測(cè)量界面如圖8所示。

圖8 應(yīng)變測(cè)量界面

3.2 振動(dòng)測(cè)量模塊

振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中包括振動(dòng)數(shù)據(jù)采集、振動(dòng)數(shù)據(jù)歷史查詢、振動(dòng)數(shù)據(jù)處理3個(gè)部分。

振動(dòng)數(shù)據(jù)采集部分：使用“DAQmx創(chuàng)建虛擬通道”函數(shù)設(shè)置采樣通道AI4、AI5。根據(jù)振動(dòng)數(shù)據(jù)采集的需要，通過(guò)“DAQmx采樣時(shí)鐘”函數(shù)設(shè)置采樣頻率為200 Hz。利用“DAQmx讀取”函數(shù)讀取采集卡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。根據(jù)PCB 333B32型傳感器參數(shù)，通過(guò)“數(shù)值輸入”控件設(shè)置AI4和AI5通道的靈敏度為10。

振動(dòng)數(shù)據(jù)歷史查詢部分：將采集到的數(shù)據(jù)使用“寫入測(cè)量文件”函數(shù)并以TDMS格式實(shí)時(shí)保存到文件中，然后使用“讀取測(cè)量文件”函數(shù)從既定文件中讀取數(shù)據(jù)，通過(guò)“圖形顯示”控件顯示歷史數(shù)據(jù)。

振動(dòng)數(shù)據(jù)處理部分：首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波濾波，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT變處理。使用LabVIEW的高級(jí)信號(hào)處理工具包中的小波部分，將其中的Thresholding Rules設(shè)置為SURE，Rescaling Method設(shè)置為Single Level，同時(shí)打開(kāi)Soft Threshold,Wavelet設(shè)置成db02，Level設(shè)置成2。數(shù)據(jù)處理部分使用“FFT頻譜”函數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并以“圖形顯示”控件顯示頻率-幅值譜[10,11]。振動(dòng)測(cè)量界面如圖9所示。

圖9 振動(dòng)測(cè)量界面

通過(guò)上位機(jī)軟件LabVIEW，可以監(jiān)測(cè)到各個(gè)傳感器的狀態(tài)和傳感器采集到的信息，將港機(jī)的狀態(tài)信息傳輸?shù)椒?wù)器。通過(guò)其它終端來(lái)訪問(wèn)后臺(tái)的服務(wù)器，查看港機(jī)的狀態(tài)信息。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試包括應(yīng)變和振動(dòng)兩個(gè)部分，其中應(yīng)變部分布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，振動(dòng)部分包括兩個(gè)方向。

4.1 應(yīng)變測(cè)試

為實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的連續(xù)測(cè)量，本系統(tǒng)中的軟件設(shè)計(jì)中使用了While循環(huán)，在循環(huán)體內(nèi)，將采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成應(yīng)變值。單位為微應(yīng)變。

本設(shè)計(jì)中的應(yīng)變值根據(jù)式(6)計(jì)算得到

ε=G×(X×1000÷W÷Y+F)

(6)

其中，X為數(shù)據(jù)采集卡輸出的電壓，Y為激勵(lì)電壓，G為應(yīng)變片ST350的校準(zhǔn)因子，W為信號(hào)調(diào)理電路放大倍數(shù),F為對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變片修正值(單位為mV/V)。

在本實(shí)驗(yàn)中設(shè)置采樣頻率為200 Hz，激勵(lì)電壓Y為5 V，對(duì)應(yīng)應(yīng)變片校準(zhǔn)因子G見(jiàn)表1，放大倍數(shù)F為400，現(xiàn)場(chǎng)中應(yīng)變片修正值見(jiàn)表1。

根據(jù)式(6)通過(guò)LabVIEW采集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)圖形如圖10(a)所示，通過(guò)五點(diǎn)三次法和中值濾波后得到的數(shù)據(jù)圖形如圖10(b)所示。

表1 校準(zhǔn)因子和應(yīng)變修正值

圖10 應(yīng)變測(cè)試圖形

4.2 振動(dòng)測(cè)試

設(shè)置采樣頻率為200 Hz，通過(guò)LabVIEW采集到的振動(dòng)數(shù)據(jù)圖形如圖11(a)所示，通過(guò)FFT處理后的圖形如圖11(b)所示。

圖11 振動(dòng)測(cè)試圖形

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)LabVIEW軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)的港機(jī)振動(dòng)與應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，充分利用LabVIEW強(qiáng)大的信號(hào)處理能力，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、處理與分析，達(dá)到對(duì)港機(jī)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

由于本系統(tǒng)的測(cè)量部分是通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具有操作簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性強(qiáng)、性能高、可維護(hù)性強(qiáng)等特性。通過(guò)對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)的FFT處理能夠得出有用信息，使用集成式應(yīng)變片ST350傳感器所測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)精確，靈活方便。

未來(lái)可以對(duì)港機(jī)的壽命進(jìn)行計(jì)算，使得港機(jī)的狀態(tài)信息更加完善準(zhǔn)確。將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，發(fā)布至網(wǎng)頁(yè)，通過(guò)其它終端也可以查看港機(jī)的狀態(tài)信息。