基于虛擬儀器的振動(dòng)信號采集與處理系統

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

0 引言
橋梁健康監測通過(guò)對橋梁結構狀態(tài)的監測與評估，為其在特殊氣候、特殊交通條件下或運營(yíng)狀況嚴重異常時(shí)觸發(fā)預警信號，分析評估橋梁使用壽命，并為橋梁的養護、維修與管理決策等提供科學(xué)的依據。
橋梁健康監測需要大量的硬件和軟件支持，傳統儀器雖然有很多優(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(wǎng)絡(luò )的技術(shù)融合，使得橋梁的遠程實(shí)時(shí)監測成為現實(shí)。
LabVIEW作為一款圖形化編程平臺，它在數據采集(DAQ)、虛擬儀器軟件框架(VISA)、通用接口總線(xiàn)(GPIB)及串口儀器控制、圖像處理、數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(dòng)信號的采集系統，利用LabVIEW實(shí)現了信號處理系統的設計。最后通過(guò)實(shí)驗驗證了系統的性能。

1 系統整體方案
橋梁的固有頻率是橋梁健康評價(jià)的重要指標，通過(guò)對橋梁在自然環(huán)境激勵下振動(dòng)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(dòng)信號采集與處理系統屬于橋梁健康監測系統的一部分，主要包括傳感器子系統、數據同步采集與傳輸子系統、數據存儲與顯示子系統、數據處理子系統。振動(dòng)數據采集處理系統結構圖如圖1所示。

2 同步采集系統搭建
同步采集技術(shù)根據同步基準的不同，可以分為基于信號的同步和基于時(shí)間的同步?；谛盘柕耐?，子系統的時(shí)鐘和觸發(fā)信號通過(guò)物理連接分享，而對于空間距離較大的數據同步，由于信號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，PXI的背板提供多種基于信號的同步選項，其中包括一個(gè)系統定時(shí)槽位、星形觸發(fā)總線(xiàn)、一個(gè)10 MHz的系統參考時(shí)鐘、同步脈沖和觸發(fā)總線(xiàn)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(guò)電纜傳輸采樣信號和觸發(fā)信號并不實(shí)際可行?？梢酝ㄟ^(guò)GPS進(jìn)行基于時(shí)間的同步采集。GPS衛星上有準確時(shí)鐘，可以同時(shí)用于定時(shí)和時(shí)間同步。GPS用戶(hù)通過(guò)GPS衛星接收機獲取空間位置信息，同步時(shí)標和標準時(shí)間?；谏鲜龇治?，可以搭建出合理的橋梁分布式數據采集系統，以振動(dòng)信號為例，其基于GPS時(shí)間同步的數據采集系統如圖2所示。其中PXI-6143同步采集卡負責采集來(lái)自加速度傳感器的測量數據，PXI-6682接收來(lái)自GPS天線(xiàn)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。