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

　　橋梁建設(shè)是一個(gè)國(guó)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(guò)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(cè)是十分有必要的。

　　近年來(lái)，在新興的虛擬儀器技術(shù)的支持下，各類(lèi)橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展迅速，在實(shí)際橋梁監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)對(duì)模型橋的監(jiān)測(cè)評(píng)估了該系統(tǒng)的各項(xiàng)性能。

二、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

　　本橋梁檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)硬件實(shí)物如圖2 所示。

圖2 監(jiān)測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)環(huán)境溫度），應(yīng)變片3 對(duì)（測(cè)量模型橋應(yīng)變情況），渦流傳感器1 個(gè)（測(cè)量模型橋撓度變化），磁電式檢波器6 個(gè)（測(cè)量模型橋速度變化情況），其位置分布如圖3 所示（圖中沒(méi)有表示熱電偶）。

　　利用SCXI-1000、SCXI-1321、SCXI-1121、SCXI-1300 和SCXI-1102B 來(lái)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(cè)系統(tǒng)一個(gè)突出的特點(diǎn)就是同時(shí)使用了不同種類(lèi)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(cè)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)還可根據(jù)需要向異地用戶(hù)傳輸數(shù)據(jù)（使用DataSocket 方法）。用戶(hù)也可以隨時(shí)將已記錄數(shù)據(jù)提取出來(lái)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(jiǎn)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(mǎn)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(hù)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(wèn)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(chē)速不同車(chē)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(cè)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(cè)。

　　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(cè)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(cè)。

　　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(hù)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(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸任務(wù)。