組合梁橋模型動應變測試系統的設計與應用

韓聰　黃天福　何南潤　黎航帆

【摘 要】 以計算機、數據采集板為主要硬件，以編程語言DASYLab為軟件開發平臺，設計虛擬儀器動態應變測試系統。系統軟件主要由數據采集模塊、數據處理分析模塊和數據庫管理模塊等構成，文中對各模塊的功能進行了介紹。利用系統進行組合梁橋模型動態應變測試，操作簡單方便，功能性強。

【關鍵詞】 虛擬儀器；DASYLab；動態信號測試；組合梁橋

【中圖分類號】G642.4 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）18-00-02

引言：

隨著科學技術的發展，工程結構現代化水平的不斷提高，人們對結構的性能要求也越來越高，結構的動態監測和故障診斷已成為我們關注的焦點。電阻應變測量在工程參量測試中極具典型性和代表性，而且應用廣泛，采用相同的傳感器就能夠實現多種機械量參數的測量，完成多種不同的工程測試任務。

虛擬儀器（Virtual Instrument）技術的高度發展，為組建結構狀態監測和故障診斷儀器提供了全新的技術手段。它通過軟件將計算機硬件資源與儀器硬件有機地融合為一體，從而把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，實現動態信號采集分析虛擬儀器系統，實現了“軟件就是儀器”的理念。采集監測信號的特征信息是設備故障診斷的第一步，其次是通過軟件實現對數據的顯示、存儲以及分析處理，最終對結構的當前工況及其發展趨勢作出確切的判斷。與傳統儀器相比，虛擬儀器在智能化程度、處理能力、性價比、可操縱性等方面均具有明顯的技術優勢。

1 動態信號測試系統的總體結構

動態信號測試系統由硬件和軟件兩大部分組成，這里采用PC-DAQ體系結構組建虛擬儀器。其原因是因為PC-DAQ系統是以數據采集板、信號調理電路和計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器系統，它充分利用了主流和普及的PC機總線、機箱、電源以及豐富的軟件，以極少的硬件就能形成功能完備的應變測試系統平臺，這種實現方案的性價比最佳。基于PC-DAQ體系結構的虛擬式動態信號測試儀的硬件由傳感器（電阻應變計）、信號調理電路（測量電橋、應變放大器）、數據采集卡（A/D板）和計算機及打印機等組成。其中傳感器為電阻應變計，其作用是將被測應變ε的變化轉換成應變計電阻的相對變化△R/R；信號調理則包括測量電橋、應變放大器，由于電阻難以測量，故需要用測量電橋將應變計電阻的相對變化△R/R轉換成電信號，轉換后的電信號很小，采用應變放大器對其進行放大及必要的濾波處理，使之達到數據采集卡DAQ的要求范圍；數據采集卡將調理后的信號進行采樣、量化和編碼，將模擬信號轉換成數字信號；轉換后得到的數字信號通過接口送入計算機，由計算機對其進行分析處理，并在屏幕上顯示信號的波形和測量值，根據需要還可以將數據或波形圖進行存盤和打印輸出。系統采用個人電腦系統，操作系統為Windows，編程語言為DASYLab。

基于數據采集DAQ的虛擬儀器系統將數據采集卡/板（DAQ）插入PC計算機的空槽中，可以方便快速組建虛擬儀器，而且價格低廉，攜帶方便。目前數據采集卡采樣速度快，精度高，具有可靠性高、功能靈活、性能價格比高等特點。用數據采集卡配以計算機平臺和虛擬儀器軟件，便可構造各種測量和控制儀器。在PC計算機上掛接若干DAQ功能模塊，配合相應的軟件，就可以構成一臺具有若干功能的PC儀器。

2 軟件設計

系統軟件主要由數據采集模塊、數據處理分析模塊和數據管理模塊等構成。數據采集模塊負責驅動儀器采集模擬信號，通過軟件來控制和啟動A/D轉換，并實時監控數據的采集過程；數據處理分析模塊對采集來的數據進行專業處理，實現對工程結構動態信息的特征提取；數據管理模塊完成數據存儲、查詢、調用等功能。

2.1數據采集模塊

數據采集部分在整個監測系統中占有重要的地位，采樣數據的質量直接影響到后面的處理、分析和顯示等功能能否正確實現。此模塊主要對設備的采樣參數進行設置，包括通道的選擇、采樣點數、采樣間隔、采樣頻率的設置等。在此模塊中通過調用動態連接庫（DLL）來支持DaqBoo112數據采集板，通過調用在DASYLab中的Analog Input節點實現對信號的采集。

2.2數據處理與分析模塊

動態信號測試系統的核心部分是數據處理模塊。該模塊的主要功能是將數據采集模塊采集得到的應變信號進行分析與處理。數據處理模塊主要包括標度變換、數字濾波、數據的二次處理等幾個方面。測試信號分析與處理的基本問題，是為了獲得測試結果而對信號進行檢測、判別、參數分析、特征識別以及解決傳輸與儲存問題而進行必要的數據壓縮等。具體來說，包括信號的參數分析、頻譜分析、濾波以及統計特征分析等。在信號的參數分析中，通常需要對信號的幅度、頻率、周期、相位、時延等參量作出分析。在信號成分單一的情況下，參數分析的任務是設法提取參數，而在信號成分比較復雜的情況下，例如多種頻率分量共存時，參數提取問題就不再是一個單一的問題，往往要結合頻譜分析、統計處理以及建模分析等方法對信號進行綜合處理。

頻譜分析的主要目的是將信號分解成一系列單一的成分，以便弄清信號的組成，從中判別出有用的信號，并進一步分析出有用信號的特征，區分有用信號與無用信號之間、有用信號不同分量之間的相互關系。例如信號的帶寬、有用信號的頻率范圍、干擾信號的范圍與統計特性等。濾波則是在信號特征明顯的基礎上，借助濾波程序去掉信號中的無用量而保留有用信號，使后續信號的處理和存儲更為有效和精確。頻域分析處理包括幅值譜和功率譜密度函數分析。其中功率譜密度函數能將實測的復雜工程信號分解成簡單的諧波分量來研究，描述了信號的頻率結構。對信號進行頻域分析，必須對采樣信號進行時域截斷，即進行加窗處理，然后才能進行快速傅立葉變換（FFT：Fast Fourier Transform）。加窗時，應根據信號的特點進行選擇，以盡量減小泄漏信號的處理分析是測試系統的一個重要環節。目的是提取信號特征，分析信號、修正系統誤差。本系統的信號分析處理主要從時域和頻域兩方面進行。

2.3數據庫管理模塊

數據庫具有強大的數據存儲、查詢、調用等功能，可以給系統以強大的技術支持。為了更有效地實現數據存儲和查詢等功能，在DASYLab虛擬儀器開發中，采用數據庫技術，它具有簡單、實用、功能強大和標準化等特點。通過調用LabSQL模塊實現對數據的存貯、添加、刪除、查詢等功能。基于虛擬儀器技術的應變測試儀的圖形顯示功能主要有：測試信號的時域波形顯示；所測信號的統計特征值統計表顯示；模擬液晶顯示器的數字化顯示。從界面可以清楚地了解所測信號的變化趨勢，通過鼠標移動顯示了不同時刻應變大小。利用功率譜可以求出系統的頻率響應函數等。

3 應變測試系統的應用

3.1組合連續梁動態應變的測定

該實驗模擬有移動荷載的連續梁橋，將組合梁設置為完全連續梁，開動小車產生動載荷。實驗要求學生根據需要，利用DASYLAB軟件，設計出虛擬測試儀器進行動態應變的采集。虛擬儀器中主要包括信號發生模塊、信號處理與顯示模塊、信號存儲與讀取模塊等。根據采集結果分析組合梁在移動荷載作用下的受力特征。該實驗的目的：讓學生了解動態應變儀的工作原理，學習其使用方法；熟悉計算機數據采集實驗操作過程；掌握現代動態電阻應變測試技術。

3.2組合雙懸臂梁二次沖擊系數的測定

將組合梁設置為雙懸臂梁，使兩段梁上下相距一定距離，水平方向稍有重疊。在上懸臂梁上吊掛一定數量砝碼，實驗前通過支座下的插銷使梁處于水平位置。實驗開始時松開插銷，使下方的懸臂梁受到二次沖擊，要求根據測到的應變值推算二次沖擊系數。

沖擊載荷是在瞬間完成的，各被測參數的變化過程不能被直接測量。因此，要對沖擊過程中的動應力、動應變進行測試，需借助動態測試技術。動態響應與系統的固有頻率、阻尼系數等結構的動態固有參數有直接的聯系，所以要求不僅要理解力學中的基本概念和原理，而且要掌握信號的靜態、動態測試和高階系統等知識，這些綜合知識的應用有利于啟發學生進一步思考，提高分析問題、解決問題和實際操作能力。另外在實驗過程中，由學生自行推導該力學模型下動載荷系數的表達式，通過幾個不同高度的沖擊動應變的測試，驗證理論分析結果，并分析計算結果與理論結果偏差的原因。

4 結束語

基于虛擬儀器的動態數據采集分析系統將計算機與硬件融為一體，把計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合起來，使測試設備簡化、數據處理精確、迅速。系統采用模塊化結構，為以后添加新的功能模塊提供了方便，另外，人機界面友好，操作簡單，易于維護，大大提高了結構在線監測診斷水平，為今后結構的監測診斷提供了先進的分析工具。

參考文獻：

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