基于虛擬儀器的振動(dòng)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)

摘要：橋梁分布在廣闊的空間范圍內(nèi)，給數(shù)據(jù)的采集帶來了一定的困難。尤其對(duì)于振動(dòng)信號(hào)，根據(jù)模態(tài)分析的需要，需要各采集點(diǎn)的時(shí)間嚴(yán)格同步。該文利用虛擬儀器開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以滿足分布各點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)的同步采集。同時(shí)，該文利用LabVIEW開發(fā)了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)顯示及頻譜分析，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集處理結(jié)果顯示，系統(tǒng)運(yùn)行正常、處理結(jié)果正確。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；同步數(shù)據(jù)采集；環(huán)境激勵(lì)；頻譜分析

0 引言
    橋梁健康監(jiān)測(cè)通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與評(píng)估，為其在特殊氣候、特殊交通條件下或運(yùn)營(yíng)狀況嚴(yán)重異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，分析評(píng)估橋梁使用壽命，并為橋梁的養(yǎng)護(hù)、維修與管理決策等提供科學(xué)的依據(jù)。
    橋梁健康監(jiān)測(cè)需要大量的硬件和軟件支持，傳統(tǒng)儀器雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但是使用功能單一，價(jià)格昂貴，虛擬儀器已經(jīng)在測(cè)量控制行業(yè)得到了迅速的發(fā)展，其綜合了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能，以及和通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)融合，使得橋梁的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為現(xiàn)實(shí)。
    LabVIEW作為一款圖形化編程平臺(tái)，它在數(shù)據(jù)采集(DAQ)、虛擬儀器軟件框架(VISA)、通用接口總線(GPIB)及串口儀器控制、圖像處理、數(shù)據(jù)分析和圖表顯示方面都具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。
    該文主要利用虛擬儀器搭建了橋梁振動(dòng)信號(hào)的采集系統(tǒng)，利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)了信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能。

1 系統(tǒng)整體方案
    橋梁的固有頻率是橋梁健康評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，通過對(duì)橋梁在自然環(huán)境激勵(lì)下振動(dòng)信號(hào)的同步采集和分析，可以得到橋梁的固有頻率。該文所設(shè)計(jì)的振動(dòng)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)屬于橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一部分，主要包括傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)同步采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。振動(dòng)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 同步采集系統(tǒng)搭建
    同步采集技術(shù)根據(jù)同步基準(zhǔn)的不同，可以分為基于信號(hào)的同步和基于時(shí)間的同步?；谛盘?hào)的同步，子系統(tǒng)的時(shí)鐘和觸發(fā)信號(hào)通過物理連接分享，而對(duì)于空間距離較大的數(shù)據(jù)同步，由于信號(hào)同步最大距離的限制，使用基于時(shí)間的同步更為合適。
    PXI是多通道同步采集最理想的平臺(tái)，PXI的背板提供多種基于信號(hào)的同步選項(xiàng)，其中包括一個(gè)系統(tǒng)定時(shí)槽位、星形觸發(fā)總線、一個(gè)10 MHz的系統(tǒng)參考時(shí)鐘、同步脈沖和觸發(fā)總線等。一座橋梁分布在廣闊的地理空間中，致使傳感器之間的距離較大，這樣通過電纜傳輸采樣信號(hào)和觸發(fā)信號(hào)并不實(shí)際可行?？梢酝ㄟ^GPS進(jìn)行基于時(shí)間的同步采集。GPS衛(wèi)星上有準(zhǔn)確時(shí)鐘，可以同時(shí)用于定時(shí)和時(shí)間同步。GPS用戶通過GPS衛(wèi)星接收機(jī)獲取空間位置信息，同步時(shí)標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間?；谏鲜龇治?，可以搭建出合理的橋梁分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以振動(dòng)信號(hào)為例，其基于GPS時(shí)間同步的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖2所示。其中PXI-6143同步采集卡負(fù)責(zé)采集來自加速度傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，PXI-6682接收來自GPS天線的同步時(shí)間作為各采集站的時(shí)間基，并產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    采集站采用的是LabVIEW RT實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，LabVIEW RT系統(tǒng)是NI公司在LabVIEW開發(fā)環(huán)境上加上了RT模塊，配合必要的硬件平臺(tái)，為實(shí)時(shí)系統(tǒng)開發(fā)提供的一個(gè)易用的高性能平臺(tái)。采集站軟件主要采用NI-DAQmx開發(fā)，利用其子VI實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的采集，其中振動(dòng)信號(hào)的采集需要使用GPS時(shí)間作為觸發(fā)條件。如圖3所示，為振動(dòng)信號(hào)的采集程序，首先對(duì)振動(dòng)信號(hào)的通道參數(shù)、采集范圍、采樣率等進(jìn)行配置，同時(shí)將GPS的同步時(shí)間作為采集的觸發(fā)信號(hào)。上位機(jī)采用Windows XP系統(tǒng)和LabVIEW軟件進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)顯示與處理。

4 數(shù)據(jù)處理的理論分析
    環(huán)境振動(dòng)法是橋梁結(jié)構(gòu)測(cè)試的使用方法。采用這種方法交通可以不被中斷，利用地面環(huán)境振動(dòng)和自然界的脈動(dòng)風(fēng)力等作為振源，激起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，然后采集振動(dòng)信號(hào)，通過分析，獲得模態(tài)信息。峰值拾取法是橋梁模態(tài)參數(shù)識(shí)別的常用方法。該文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)正是基于該方法，通過分析采集數(shù)據(jù)的自功率譜和互功率譜來識(shí)別固有頻率。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的頻率辨識(shí)，需要對(duì)采集的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域，然后建立頻譜函數(shù)、自功率譜、互功率譜、相干函數(shù)等頻域分析函數(shù)。
    設(shè)x(n)是長(zhǎng)度為N點(diǎn)的有限長(zhǎng)信號(hào)(注意這個(gè)前提)，即信號(hào)僅僅分布在[0，N-1]區(qū)間，其余時(shí)間均為0，那么，該信號(hào)的離散傅里葉變換(DFT)定義如下：
   
    對(duì)于N點(diǎn)離散傅里葉變換，f為頻率，則f與k的關(guān)系式為：
   
    式中：fs為采樣頻率；△t為總時(shí)長(zhǎng)。
    在頻譜分析中，傅氏變換X(f)稱為x(t)的頻譜函數(shù)，而頻譜函數(shù)的模|X(f)|稱為x(t)的振幅頻譜。離散傅里葉變換(DFT)在實(shí)際計(jì)算中采用快速算法，也即眾所周知的快速傅里葉變換(FFT)。如果噪聲中含有某種頻率信號(hào)，則可以從自功率譜中看出來，它可以顯示振動(dòng)信號(hào)各頻率處能量的分布情況。自功率譜公式為：

    相干函數(shù)可以反映測(cè)試信號(hào)受噪聲污染的情況，相干函數(shù)值越大，說明噪聲污染越小。通常相干函數(shù)用表示，其定義為：
   
    對(duì)于長(zhǎng)度為N的有限長(zhǎng)信號(hào)，計(jì)算其相干函數(shù)時(shí)，通常將數(shù)據(jù)分段，每一組數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為nfft(nfft≤N／2)，共分r段(其中r=int(N／nfft))，然后計(jì)算其相干函數(shù)，采用如下公式：
   

5 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證
5．1 LabVIEW編程方法
    這一節(jié)主要介紹用LabVlEW編程實(shí)現(xiàn)頻譜分析及相干函數(shù)分析的實(shí)現(xiàn)方法。首先，將以固定格式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)讀取出來，選擇需要顯示的信號(hào)，并通過時(shí)間控制顯示信號(hào)的長(zhǎng)度，得到固定長(zhǎng)度的原始信號(hào)。如圖4所示，為振動(dòng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)前界面。

    使用Auto Power Spectrum．vi計(jì)算時(shí)域信號(hào)單邊且已縮放的自功率譜，同時(shí)需要計(jì)算時(shí)域信號(hào)采樣周期，利用公式dt=1／fs進(jìn)行計(jì)算，式中fs為信號(hào)的采樣頻率，在該VI中，df為功率譜的頻率間隔，通過公式df=1／(Ndt)計(jì)算得到，其現(xiàn)實(shí)將df作為橫軸顯示間隔，即可顯示各頻率處的能量分布情況。使用Cross Spectrum(Mag-phase)VI可得到兩個(gè)通道信號(hào)的互功率譜幅度和相位。在使用該VI前，先將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄐ涡问?，t0可采用數(shù)據(jù)庫(kù)的采集開始時(shí)間或者設(shè)置為0，在這里不影響處理的結(jié)果，dt=1／fs。在LabVIEW中沒有相干函數(shù)這個(gè)VI，可以通過調(diào)用Matlab script node公式節(jié)點(diǎn)VI，通過Matlab函數(shù)實(shí)現(xiàn)該功能。
5．2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建
    采用1 000mm×100mm×10mm的鋼板搭建簡(jiǎn)支梁，在上面布置4支加速度傳感器，采用力錘作為激振源，進(jìn)行多點(diǎn)激勵(lì)。PXI采集的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)后存入數(shù)據(jù)庫(kù)。采樣速率設(shè)置為2 560 Hz。通過讀取數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)程序?qū)y(cè)試數(shù)據(jù)顯示在前界面上，讀取的原始數(shù)據(jù)如圖4所示。
5．3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果顯示
    通過對(duì)自功率譜和互功率譜幅頻圖的分析(如圖5和圖6所示)，可以大概得到簡(jiǎn)支梁的前4階振動(dòng)頻率為396．719Hz，551．016Hz，77 2．109Hz，950．937 Hz。

    通過對(duì)互功率譜相頻圖的分析，在這幾個(gè)頻率處相位均在0°或±180°附近(如圖7所示)，相干函數(shù)在這幾個(gè)頻率處的值均大于0．95，從而可以確定以上4個(gè)頻率即為簡(jiǎn)支梁的前4階振動(dòng)頻率，相干分析如圖8所示。

6 結(jié)語
    本文對(duì)橋梁振動(dòng)信號(hào)同步采集理論進(jìn)行了論述，搭建了基于GPS同步時(shí)間的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。對(duì)峰值拾取法進(jìn)行了理論分析，闡述了利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)頻譜分析的過程。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)的采集及分析結(jié)果顯示，該系統(tǒng)運(yùn)行正常，分析結(jié)果正確，可以運(yùn)用于橋梁健康監(jiān)測(cè)中。