公路護(hù)欄立柱埋深無損檢測(cè)系統(tǒng)

武義浩，馬玉賢，賈志絢，蔡志宇

（太原科技大學(xué)，太原 030024）

公路護(hù)欄立柱是安全護(hù)欄的主要承載部分，其埋置深度直接影響護(hù)欄吸收碰撞能量的能力。目前采用拔樁法檢測(cè)立柱埋深，該方法破壞了地基的完整性，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，須把地基夯實(shí)后，再把立柱重新打入［1］，給檢測(cè)工作帶來諸多不便，而且存在二次埋深問題。本課題組的相關(guān)研究與試驗(yàn)證明，用基于彈性波理論的檢測(cè)方法可實(shí)現(xiàn)立柱埋深的無損檢測(cè)［2-5］，但試驗(yàn)中采用的是通用的檢測(cè)設(shè)備和分析軟件，對(duì)于本檢測(cè)目標(biāo)，其功能過于強(qiáng)大，操作復(fù)雜，且價(jià)格昂貴。為此，采用以LabVIEW為軟件平臺(tái)的虛擬儀器技術(shù)，結(jié)合筆記本電腦和數(shù)據(jù)采集卡，開發(fā)了便攜式公路護(hù)欄立柱埋置深度檢測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 檢測(cè)原理

基于彈性波的立柱埋深無損檢測(cè)方法，是利用了彈性波的反射特性，即采用激振錘在立柱頂端敲擊產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，信號(hào)在立柱下端面發(fā)生反射，通過拾取激振信號(hào)及反射信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行自相關(guān)分析，獲取反射時(shí)間差，利用式（1）求解出立柱的總長(zhǎng)，減去立柱地上長(zhǎng)度，即可得出立柱的埋置深度。

式中，T為彈性波的傳播時(shí)間；f為頻率。

系統(tǒng)測(cè)試的原理如圖1所示。

圖1 測(cè)試原理圖Fig.1 The test principle

2 虛擬儀器技術(shù)及LabVIEW

虛擬儀器（VI，Virtual Instrument）的概念是NI（National Instrument，美國(guó)國(guó)家儀器）公司于1986年首次提出的，相應(yīng)的概念在美國(guó)Agilent公司稱為組合儀器（Combination Instrument）［6］。其基本思想大致為:以計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)，盡量軟件化傳統(tǒng)儀器需要硬件實(shí)現(xiàn)的功能，用戶通過圖形化界面完成對(duì)被測(cè)量的采集、顯示、分析及存儲(chǔ)等，最大限度的降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)功能，提高系統(tǒng)靈活性。虛擬儀器由儀器硬件、計(jì)算機(jī)和應(yīng)用軟件組成，儀器硬件主要完成信號(hào)輸入輸出和調(diào)理的任務(wù)，數(shù)據(jù)的讀取、分析、處理、顯示等則由應(yīng)用軟件的功能來實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器以軟件取代了傳統(tǒng)儀器的部分硬件，體現(xiàn)了“軟件即是儀器”的思想。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是NI公司推出的基于圖形編程語(yǔ)言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具。LabVIEW來源于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)語(yǔ)言的順序特性，采用能編譯成機(jī)器代碼的圖形框圖編程［7-8］，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示等必需的工具包。程序設(shè)計(jì)者可以從傳統(tǒng)編程語(yǔ)言紛繁復(fù)雜的編碼中解放出來，直接通過鼠標(biāo)拖拽的方式快速建立前面板人機(jī)交互界面和連接程序框圖，為測(cè)試實(shí)驗(yàn)節(jié)省了大量的精力和時(shí)間。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本虛擬儀器系統(tǒng)主要完成對(duì)激振信號(hào)及其反射信號(hào)的采集和分析。系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 The structure of system

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的硬件部分主要包括傳感器、放大電路、數(shù)據(jù)采集卡、筆記本電腦等。

傳感器感應(yīng)模擬信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可測(cè)量的電信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)采集卡［9］。本系統(tǒng)采用YD-3X系列的ICP壓電式加速度傳感器，它能夠有效的簡(jiǎn)化測(cè)試調(diào)理模塊，并具有抗干擾能力強(qiáng)、電壓靈敏度一致性好等優(yōu)點(diǎn)；此外同種規(guī)格的傳感器可以互換，可簡(jiǎn)化測(cè)試工作。

為適合數(shù)據(jù)采集卡的輸入范圍，由傳感器生成的電信號(hào)必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚怼Ｐ盘?hào)調(diào)理主要包括放大、隔離、多路復(fù)用、濾波、激勵(lì)、線性化等環(huán)節(jié)，可以根據(jù)需要采用相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理功能。在本系統(tǒng)中，傳感器已具備簡(jiǎn)單的調(diào)理模塊，只需設(shè)計(jì)由幾個(gè)集成運(yùn)算放大器組成的具有高共模抑制比的放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大即可，濾波功能則通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)采集卡是系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件，它將傳感器傳輸來的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并輸送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。為降低成本，系統(tǒng)選用國(guó)產(chǎn)的USB5935采集卡作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)采集卡要順利的在LabVIEW的環(huán)境下工作，必須通過調(diào)用外部程序代碼的形式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。本系統(tǒng)通過調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）的方式實(shí)現(xiàn)。動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)是使程序在運(yùn)行時(shí)裝入并與庫(kù)函數(shù)連接起來的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)程序之間的代碼和資源共享［10］。許多國(guó)產(chǎn)采集卡都附帶了.dll形式的庫(kù)函數(shù)，用戶可以通過VB、VC等語(yǔ)言編寫程序來調(diào)用它［11］。LabVIEW中提供了一個(gè)調(diào)用庫(kù)函數(shù)的圖標(biāo)，在函數(shù)選板的互聯(lián)與接口子模板下可以找到它，通過鼠標(biāo)拖拽入程序框圖后雙擊該圖標(biāo)，設(shè)置好各參數(shù)后，程序在運(yùn)行時(shí)就可以自動(dòng)與DLL連接起來，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采集卡的各種控制。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心。本測(cè)試系統(tǒng)的功能分為登錄、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析與處理、數(shù)據(jù)保存等。

（1）登錄:供實(shí)驗(yàn)者進(jìn)入系統(tǒng)。

（2）參數(shù)設(shè)置:實(shí)驗(yàn)前對(duì)各參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如通道設(shè)置、采樣方式、采樣頻率、最大值、最小值、觸發(fā)條件等等，本系統(tǒng)選用的板卡不帶緩存功能，觸發(fā)方式默認(rèn)為軟件觸發(fā)，因此只需對(duì)采樣頻率、通道等進(jìn)行設(shè)置即可。參數(shù)設(shè)置的前面板如圖3所示。

圖3 參數(shù)設(shè)置的前面板圖Fig.3 Front panel for setting the parameters

（3）數(shù)據(jù)采集:數(shù)據(jù)采集為測(cè)試系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)來源，是軟件部分的核心。通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備和采集程序，設(shè)定合適的采集參數(shù)，對(duì)被測(cè)對(duì)象的相關(guān)信號(hào)進(jìn)行拾取，并把采集卡采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M儀器前面板進(jìn)行波形顯示和數(shù)據(jù)查看。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的部分程序框圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集的部分程序框圖Fig.4 Part of program of data acquisition

（4）數(shù)據(jù)分析與處理:主要是信號(hào)的時(shí)域分析。為求出激振信號(hào)和反射信號(hào)之間的時(shí)間差，只需先對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，提取有用信號(hào)，而后進(jìn)行自相關(guān)分析即可。由于待測(cè)信號(hào)的頻率較低，應(yīng)選擇低通濾波器進(jìn)行濾波。自相關(guān)分析可以放大有效信號(hào)、抑制噪聲，有效地進(jìn)行信號(hào)測(cè)量［12］。根據(jù)自相關(guān)分析對(duì)于周期信號(hào)的相關(guān)函數(shù)仍是同頻周期信號(hào)［13］這一性質(zhì)，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行自相關(guān)分析可以使其表現(xiàn)出明顯的周期性，從而精確的得到反射信號(hào)和激振信號(hào)之間的時(shí)間差。

（5）數(shù)據(jù)保存:LabVIEW為用戶提供了多種數(shù)據(jù)保存形式，用戶可根據(jù)自己的需要選擇合適的格式進(jìn)行存盤，如二進(jìn)制、文本形式、電子表格、TDMS等。本測(cè)試系統(tǒng)待測(cè)信號(hào)只有一路信號(hào)，數(shù)據(jù)量不大，對(duì)讀寫速度要求不高，因此選用文本文件和電子表格的形式存盤均可，此種形式也便于后期讀取查看和數(shù)據(jù)管理。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，選取兩根規(guī)格不同的立柱進(jìn)行測(cè)試，立柱參數(shù)如表1所示。

試驗(yàn)中將傳感器安裝在立柱頂端，在立柱頂端激振，利用本系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集和分析后得到反射信號(hào)和激振信號(hào)之間的時(shí)間差，利用公式（1）求出立柱的全長(zhǎng)。

表1 立柱參數(shù)Tab.1 The pParameters of the post

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

1#立柱和2#立柱的柱長(zhǎng)測(cè)試結(jié)果如表2所示。圖5所示為1#立柱的自相關(guān)波形。

通過多次測(cè)量得到:1#立柱長(zhǎng)度最大絕對(duì)誤差均小于15 mm，最大相對(duì)誤差小于0.8%；2#立柱長(zhǎng)度最大絕對(duì)誤差均小于8 mm，最大相對(duì)誤差小于0.8%.試驗(yàn)結(jié)果滿足工程測(cè)量要求。

表2 檢測(cè)波速為標(biāo)準(zhǔn)波速5160 m/s時(shí)柱長(zhǎng)計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation result of post length when detection velocity is 5160 m/s

圖5 1#立柱的自相關(guān)波形Fig.5 Autocorrelation waveform of post 1

5 結(jié)論

（1）利用LabVIEW軟件平臺(tái)、數(shù)據(jù)采集卡和筆記本電腦搭建了基于虛擬儀器技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果中最大絕對(duì)誤差小于15 mm，最大相對(duì)誤差小于0.8%，證明該系統(tǒng)能夠滿足工程檢測(cè)要求。

（2）系統(tǒng)的精度和放大電路的精密程度與各硬件之間的接線有關(guān)。為降低噪聲和干擾，應(yīng)針對(duì)不同的傳感器型號(hào)設(shè)計(jì)與之相匹配的放大電路和合適的信號(hào)調(diào)理模塊，連接各硬件時(shí)應(yīng)盡量采用有標(biāo)準(zhǔn)接口的接線緊密連接。

（3）傳感器的安放位置以及激振方式對(duì)測(cè)試結(jié)果有較大的影響。通過夾持的方式將傳感器安放在立柱頂端，并采用自激振裝置，能大大提高測(cè)試精度和檢測(cè)效率。

（4）整個(gè)系統(tǒng)通過筆記本電腦供電，克服了傳統(tǒng)檢測(cè)儀器不便捷（需用蓄電池供電）、不利于野外作業(yè)的缺點(diǎn)，初步實(shí)現(xiàn)了便攜。將系統(tǒng)與掌上電腦（PDA）、智能手機(jī)等結(jié)合，進(jìn)一步集成并優(yōu)化系統(tǒng)，開發(fā)“傻瓜”式的便攜檢測(cè)設(shè)備是下階段的研究方向。

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