遠程監測長(cháng)島鐵路高架道路結構健康

　　在驗證結構狀態(tài)上，我們?yōu)榭蛻?hù)帶來(lái)了現代以太網(wǎng)驅動(dòng)及基于網(wǎng)絡(luò )連接，而在數據收集方面，我們能夠享有堅固、可靠、低成本和可重復編程CompactRIO系統所帶來(lái)的裨益。

　　背景

　　工程師使用結構振動(dòng)來(lái)評估許多建筑和機器的狀況，包括建筑物、橋梁、水壩、高塔、起重機和托架。 盡管多年來(lái)我們已經(jīng)都使用了一定工具來(lái)監控結構振動(dòng)，但是這些工具所收集到數據不是保真度高卻持續時(shí)間短的波形，就是持續時(shí)間長(cháng)卻在頻段上有功率失真的測量結果。 許多結構只有在環(huán)境力量，例如風(fēng)、車(chē)輛活動(dòng)，附近的建筑，或者如地震和龍卷風(fēng)存在等隨機事件的情況下發(fā)生振動(dòng)才有意義。 因此，數據采集在這些情況下都必須保持活躍。

　　得益于存儲容量、處理器速度和寬帶無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)上的最新進(jìn)展，我們可以長(cháng)期采集高保真波形。 我們還可以與匯聚了多個(gè)數據采集點(diǎn)的結構振動(dòng)數據的主機進(jìn)行通訊，從而提供永久的數據收集以及高級分析和報告功能。

　　結構完整性評估的領(lǐng)導者STRAAM公司和作為Select National Instruments Alliance Partner的Viewpoint Systems，合作開(kāi)發(fā)了可在室外和其他較難接近的地方上運作的系統，它同時(shí)還保持了可用的基于PC的解決方案的能力。 最終，我們生產(chǎn)出了STRAAM SKG CMS™系統的增強版本，安裝在長(cháng)島鐵路橋上。

　　系統要求
　　系統需要執行下列運作：

• 從加速度計以及其他環(huán)境傳感器上收集數據
• 以完全采樣率在本地存儲數周的數據
• 實(shí)時(shí)分析自定義數據
• 定期將統計數據發(fā)布至主機
• 按要求將波形上傳至主機
• 提供堅固、重量輕、高性?xún)r(jià)比以及可靠的OEM部署
• 涵蓋靈活的架構來(lái)應對未來(lái)的挑戰
• 確保安全的用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)控制

　　系統設計

　　我們選擇了一個(gè)基于NI CompactRIO平臺和動(dòng)態(tài)信號采集(DSA)C系列模塊的系統。 CompactRIO和相關(guān)C系列信號調理模塊的工作溫度范圍為-40至70℃，是大多數安裝地點(diǎn)的典型環(huán)境極值。 此外，CompactRIO控制器沒(méi)有移動(dòng)部件，增加了發(fā)生故障的平均間隔時(shí)間，并確保它可以承受在運輸和安裝過(guò)程中的物理操作不當。 在軟件方面，我們決定采用NI LabVIEW Real-Time模塊和LabVIEW FPGA模塊?？紤]到基本信號的采集，以及一些自定義抗混疊濾波允許低于動(dòng)態(tài)信號模塊(DSA)性能的采樣率，我們采用了LabVIEW FPGA?！　?/p>

 

　　數據采集與過(guò)濾

　　DSA模塊通過(guò)由STRAAM提供的特殊傳感器獲取加速度信號，輸出有關(guān)傾斜和加速度的信息。 由于大型結構在低頻率產(chǎn)生共振，因此，這些傳感器具有極低的噪聲、高度的動(dòng)態(tài)范圍和低頻響應十分重要，從而可在小于1 Hz情況下收集有關(guān)結構的信息。 低頻率范圍和長(cháng)期數據存儲的特點(diǎn)必須結合起來(lái)，以創(chuàng )造每秒200個(gè)樣本 (S/s)的最大的數據采集率。 由于擁有delta-sigma轉換技術(shù)，NI 9239的采樣速度并不慢，因此我們基于可編程門(mén)陣列(FPGA)以2000 S/s速度進(jìn)行采樣并使用低通數字濾波來(lái)產(chǎn)生速率為200S/s的抗混疊信號。通過(guò)抽取獲得的簡(jiǎn)單二次抽樣會(huì )違反Nyquist準則。我們使用LabVIEW 數字濾波器設計工具包生成了28抽頭的無(wú)限脈沖響應(IIR)濾波器，其3dB下降節點(diǎn)是采樣率的0.8倍，阻帶衰減大于90dB.數字濾波器設計工具包包括自動(dòng)生成代碼的工具，可將濾波器部署至FPGA。 我們精心選擇定點(diǎn)運算，以確保操作正確，從而避免過(guò)度使用FPGA資源。 最終的濾波器是一個(gè)帶4位尾數的24位定點(diǎn)數解決方案?！　?/p>