基于PXI和SCXI的多傳感器橋梁遠程監測系統

　　橋梁建設是一個(gè)國家民用基礎設施中不可缺少的組成部分，在經(jīng)濟建設中發(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、腐蝕效應、材料老化和突發(fā)事故（如撞擊、地震）等不利因素的影響，橋梁結構不可避免地出現結構損壞和損傷積累，嚴重的甚至會(huì )導致突然倒塌。為了避免事故地發(fā)生，對橋梁進(jìn)行監測是十分有必要的。

　　近年來(lái)，在新興的虛擬儀器技術(shù)的支持下，各類(lèi)橋梁監測系統發(fā)展迅速，在實(shí)際橋梁監測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測方法，本人利用實(shí)驗室已有的設備，搭建一個(gè)基于PXI和SCXI 的多傳感器橋梁遠程監測系統，并通過(guò)對模型橋的監測評估了該系統的各項性能。

二、監測系統實(shí)現原理

　　本橋梁檢測系統的基本原理是：利用SCXI模塊的強大信號調理功能，連接多路傳感器，并實(shí)現傳感器信號的前置調理，然后將信號送入PXI模塊。PXI在LabVIEW的支持下完成數據的觀(guān)察，記錄，初步分析及遠程傳送等功能。其基本原理如圖1 所示，該監測系統硬件實(shí)物如圖2 所示。

圖2 監測系統硬件實(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(cháng)方片代表應變片，橋面及橋下的短圓柱體代表磁電式檢波器，橋下的長(cháng)條圓柱體代表渦流傳感器（包括支架）

三、系統硬件設計與實(shí)現

　　本系統用到熱電偶1 個(gè)（檢測環(huán)境溫度），應變片3 對（測量模型橋應變情況），渦流傳感器1 個(gè)（測量模型橋撓度變化），磁電式檢波器6 個(gè)（測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)現對傳感器輸出信號的前置調理工作。

　　本監測系統一個(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)行數據采集。這一功能的實(shí)現，得益于SCXI 模塊強大的信號調理能力，例如：多路信號同時(shí)輸入、對多路信號分別進(jìn)行隔離放大和濾波、為應變片提供橋路和激勵電壓等，這是本系統硬件部分順利達到預期目的的關(guān)鍵。

四、系統軟件設計與實(shí)現

　　軟件界面如圖4 所示。

圖4 虛擬橋梁監測系統界面

本次設計的程序可分為7 個(gè)模塊：數據記錄模塊、數據分析模塊、遠程數據傳送和共享模塊。其主要功能是：在用戶(hù)設定采樣頻率后，采集11 路傳感器的信號，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，根據需要記錄相關(guān)數據。其中，自動(dòng)記錄以速度信號觸發(fā)( 閾值由用戶(hù)設定)，并可記錄觸發(fā)信號前1000 個(gè)數據點(diǎn)。另外，用戶(hù)還可根據需要向異地用戶(hù)傳輸數據（使用DataSocket 方法）。用戶(hù)也可以隨時(shí)將已記錄數據提取出來(lái)觀(guān)察、分析。

　　NI 公司的LabVIEW 是本系統設計的軟件平臺，它所具有的圖形化編程特點(diǎn)以及簡(jiǎn)便易行的數據顯示、存儲方式，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存，這不但滿(mǎn)足了本次設計同時(shí)處理多路輸入數據的預期要求，同時(shí)還達到了方便用戶(hù)的目的。LabVIEW 自帶的多路遠程實(shí)現方式很好地解決了遠程傳輸多路數據的問(wèn)題。

五、系統的模型橋試驗驗證

　　利用實(shí)驗室的模型橋，對系統進(jìn)行試驗驗證。共進(jìn)行3 個(gè)不同位置的8 組靜載試驗和不同車(chē)速不同車(chē)重3 次動(dòng)載試驗，還進(jìn)行了遠程數據傳輸試驗。

　　選取靜載實(shí)驗時(shí)1/2 橋跨處的信號曲線(xiàn)（如圖5 所示），可以看到：該信號曲線(xiàn)符合模型橋應力應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)，各傳感器測量數據與各個(gè)傳感器布置位置相符，證明此系統可以完成橋梁的靜載監測。

　　選取一組東在數據進(jìn)行分析（如圖6 所示），可以看到：其信號曲線(xiàn)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)，測量數據與各個(gè)傳感器分布位置相符，表明此系統可以完成橋梁的動(dòng)載監測。

　　利用實(shí)驗室的網(wǎng)絡(luò )條件，還進(jìn)行了多次遠程數據傳輸實(shí)驗。在遠端客戶(hù)機上，均能夠接收到相關(guān)數據。證明此系統可以完成橋梁監測數據的遠程傳輸任務(wù)。