基于虛擬儀器的振動信號采集與處理系統(tǒng)

摘要：橋梁分布在廣闊的空間范圍內，給數(shù)據的采集帶來了一定的困難。尤其對于振動信號，根據模態(tài)分析的需要，需要各采集點的時間嚴格同步。該文利用虛擬儀器開發(fā)的數(shù)據采集系統(tǒng)，可以滿足分布各點的振動信號的同步采集。同時，該文利用LabVIEW開發(fā)了數(shù)據處理系統(tǒng)，可以對信號進行存儲顯示及頻譜分析，通過對實驗平臺的振動數(shù)據采集處理結果顯示，系統(tǒng)運行正常、處理結果正確。
關鍵詞：虛擬儀器；同步數(shù)據采集；環(huán)境激勵；頻譜分析

0 引言
橋梁健康監(jiān)測通過對橋梁結構狀態(tài)的監(jiān)測與評估，為其在特殊氣候、特殊交通條件下或運營狀況嚴重異常時觸發(fā)預警信號，分析評估橋梁使用壽命，并為橋梁的養(yǎng)護、維修與管理決策等提供科學的依據。
橋梁健康監(jiān)測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，但是使用功能單一，價格昂貴，虛擬儀器已經在測量控制行業(yè)得到了迅速的發(fā)展，其綜合了計算機強大的計算功能，以及和通信網絡的技術融合，使得橋梁的遠程實時監(jiān)測成為現(xiàn)實。
LabVIEW作為一款圖形化編程平臺，它在數(shù)據采集(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)據分析和圖表顯示方面都具有強大的優(yōu)勢。
該文主要利用虛擬儀器搭建了橋梁振動信號的采集系統(tǒng)，利用LabVIEW實現(xiàn)了信號處理系統(tǒng)的設計。最后通過實驗驗證了系統(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價的重要指標，通過對橋梁在自然環(huán)境激勵下振動信號的同步采集和分析，可以得到橋梁的固有頻率。該文所設計的振動信號采集與處理系統(tǒng)屬于橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，主要包括傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據同步采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據存儲與顯示子系統(tǒng)、數(shù)據處理子系統(tǒng)。振動數(shù)據采集處理系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

2 同步采集系統(tǒng)搭建
同步采集技術根據同步基準的不同，可以分為基于信號的同步和基于時間的同步。基于信號的同步，子系統(tǒng)的時鐘和觸發(fā)信號通過物理連接分享，而對于空間距離較大的數(shù)據同步，由于信號同步最大距離的限制，使用基于時間的同步更為合適。
PXI是多通道同步采集最理想的平臺，PXI的背板提供多種基于信號的同步選項，其中包括一個系統(tǒng)定時槽位、星形觸發(fā)總線、一個10 MHz的系統(tǒng)參考時鐘、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和觸發(fā)信號并不實際可行。可以通過GPS進行基于時間的同步采集。GPS衛(wèi)星上有準確時鐘，可以同時用于定時和時間同步。GPS用戶通過GPS衛(wèi)星接收機獲取空間位置信息，同步時標和標準時間。基于上述分析，可以搭建出合理的橋梁分布式數(shù)據采集系統(tǒng)，以振動信號為例，其基于GPS時間同步的數(shù)據采集系統(tǒng)如圖2所示。其中PXI-6143同步采集卡負責采集來自加速度傳感器的測量數(shù)據，PXI-6682接收來自GPS天線的同步時間作為各采集站的時間基，并產生觸發(fā)信號。