基于PXI和SCXI的多傳感器橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

　　橋梁建設(shè)是一個(gè)國家民用基礎(chǔ)設(shè)施中不可缺少的組成部分，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮重要作用。在橋梁的使用過程中，由于菏載作用（尤其是交變菏載）、疲勞效應(yīng)、腐蝕效應(yīng)、材料老化和突發(fā)事故（如撞擊、地震）等不利因素的影響，橋梁結(jié)構(gòu)不可避免地出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞和損傷積累，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致突然倒塌。為了避免事故地發(fā)生，對(duì)橋梁進(jìn)行監(jiān)測是十分有必要的。

　　近年來，在新興的虛擬儀器技術(shù)的支持下，各類橋梁監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展迅速，在實(shí)際橋梁監(jiān)測中收到了較好的效果。為了進(jìn)一步研究多傳感器的虛擬橋梁監(jiān)測方法，本人利用實(shí)驗(yàn)室已有的設(shè)備，搭建一個(gè)基于PXI和SCXI 的多傳感器橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，并通過對(duì)模型橋的監(jiān)測評(píng)估了該系統(tǒng)的各項(xiàng)性能。

二、監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

　　本橋梁檢測系統(tǒng)的基本原理是：利用SCXI模塊的強(qiáng)大信號(hào)調(diào)理功能，連接多路傳感器，并實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的前置調(diào)理，然后將信號(hào)送入PXI模塊。PXI在LabVIEW的支持下完成數(shù)據(jù)的觀察，記錄，初步分析及遠(yuǎn)程傳送等功能。其基本原理如圖1 所示，該監(jiān)測系統(tǒng)硬件實(shí)物如圖2 所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件實(shí)物圖

圖3 模型橋傳感器布置位置示意圖

　　圖中：橋面上的長方片代表應(yīng)變片，橋面及橋下的短圓柱體代表磁電式檢波器，橋下的長條圓柱體代表渦流傳感器（包括支架）

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)用到熱電偶1 個(gè)（檢測環(huán)境溫度），應(yīng)變片3 對(duì)（測量模型橋應(yīng)變情況），渦流傳感器1 個(gè)（測量模型橋撓度變化），磁電式檢波器6 個(gè)（測量模型橋速度變化情況），其位置分布如圖3 所示（圖中沒有表示熱電偶）。

　　利用SCXI-1000、SCXI-1321、SCXI-1121、SCXI-1300 和SCXI-1102B 來實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器輸出信號(hào)的前置調(diào)理工作。

　　本監(jiān)測系統(tǒng)一個(gè)突出的特點(diǎn)就是同時(shí)使用了不同種類的11 個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這一功能的實(shí)現(xiàn)，得益于SCXI 模塊強(qiáng)大的信號(hào)調(diào)理能力，例如：多路信號(hào)同時(shí)輸入、對(duì)多路信號(hào)分別進(jìn)行隔離放大和濾波、為應(yīng)變片提供橋路和激勵(lì)電壓等，這是本系統(tǒng)硬件部分順利達(dá)到預(yù)期目的的關(guān)鍵。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　軟件界面如圖4 所示。

圖4 虛擬橋梁監(jiān)測系統(tǒng)界面

本次設(shè)計(jì)的程序可分為7 個(gè)模塊：數(shù)據(jù)記錄模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送和共享模塊。其主要功能是：在用戶設(shè)定采樣頻率后，采集11 路傳感器的信號(hào)，并分別進(jìn)行顯示。同時(shí)，用戶及其他部分可使用手動(dòng)或自動(dòng)方式，根據(jù)需要記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。其中，自動(dòng)記錄以速度信號(hào)觸發(fā)( 閾值由用戶設(shè)定)，并可記錄觸發(fā)信號(hào)前1000 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。另外，用戶還可根據(jù)需要向異地用戶傳輸數(shù)據(jù)（使用DataSocket 方法）。用戶也可以隨時(shí)將已記錄數(shù)據(jù)提取出來觀察、分析。

　　NI 公司的LabVIEW 是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)，它所具有的圖形化編程特點(diǎn)以及簡便易行的數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)方式，使多路傳感器采集的大量信息可以方便有序的在同一程序中顯示和儲(chǔ)存，這不但滿足了本次設(shè)計(jì)同時(shí)處理多路輸入數(shù)據(jù)的預(yù)期要求，同時(shí)還達(dá)到了方便用戶的目的。LabVIEW 自帶的多路遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)方式很好地解決了遠(yuǎn)程傳輸多路數(shù)據(jù)的問題。

五、系統(tǒng)的模型橋試驗(yàn)驗(yàn)證

　　利用實(shí)驗(yàn)室的模型橋，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。共進(jìn)行3 個(gè)不同位置的8 組靜載試驗(yàn)和不同車速不同車重3 次動(dòng)載試驗(yàn)，還進(jìn)行了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)。

　　選取靜載實(shí)驗(yàn)時(shí)1/2 橋跨處的信號(hào)曲線（如圖5 所示），可以看到：該信號(hào)曲線符合模型橋應(yīng)力應(yīng)變及撓度變化的理論分析、以及相關(guān)橋梁靜載荷分析，同時(shí)，各傳感器測量數(shù)據(jù)與各個(gè)傳感器布置位置相符，證明此系統(tǒng)可以完成橋梁的靜載監(jiān)測。

　　選取一組東在數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（如圖6 所示），可以看到：其信號(hào)曲線符合模型橋振動(dòng)情況的理論分析，以及相關(guān)橋梁動(dòng)載荷分析，同時(shí)，測量數(shù)據(jù)與各個(gè)傳感器分布位置相符，表明此系統(tǒng)可以完成橋梁的動(dòng)載監(jiān)測。

　　利用實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)條件，還進(jìn)行了多次遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)。在遠(yuǎn)端客戶機(jī)上，均能夠接收到相關(guān)數(shù)據(jù)。證明此系統(tǒng)可以完成橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸任務(wù)。

圖5 中央橋面靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　左圖為應(yīng)變曲線，由上到下分別為1/4 橋跨、1/2 橋跨、3/4 橋跨處的應(yīng)變信號(hào)；右圖為撓度曲線

圖6 中央橋面靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　左圖為應(yīng)變曲線，由上到下分別為1/4 橋跨、1/2 橋跨、3/4 橋跨處的應(yīng)變信號(hào)；右圖為速度曲線，由上到下分別為1/4 橋跨、1/2 橋跨、3/4 橋跨處的速度信號(hào)

六、結(jié)論

　　本系統(tǒng)具有支持多傳感器信號(hào)輸入，支持?jǐn)?shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和共享，具備自動(dòng)記錄、數(shù)據(jù)保密等附加功能，PXI 模塊集成度高、機(jī)械及電氣性能好等特點(diǎn)?？梢酝瓿蓪?duì)橋梁動(dòng)載、靜載的監(jiān)測任務(wù)，同時(shí)能夠?qū)⒈O(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程共享，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。同時(shí)，積累了多傳感器在橋梁監(jiān)測中運(yùn)用的經(jīng)驗(yàn)，可以為將來的實(shí)際橋梁監(jiān)測提供參考。另外，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)有意識(shí)的增加了其可操作性，以方便一般用戶操作使用。