組合梁橋模型動應(yīng)變測試系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

韓聰　黃天福　何南潤　黎航帆

【摘 要】 以計算機、數(shù)據(jù)采集板為主要硬件，以編程語言DASYLab為軟件開發(fā)平臺，設(shè)計虛擬儀器動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理分析模塊和數(shù)據(jù)庫管理模塊等構(gòu)成，文中對各模塊的功能進行了介紹。利用系統(tǒng)進行組合梁橋模型動態(tài)應(yīng)變測試，操作簡單方便，功能性強。

【關(guān)鍵詞】 虛擬儀器；DASYLab；動態(tài)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，工程結(jié)構(gòu)現(xiàn)代化水平的不斷提高，人們對結(jié)構(gòu)的性能要求也越來越高，結(jié)構(gòu)的動態(tài)監(jiān)測和故障診斷已成為我們關(guān)注的焦點。電阻應(yīng)變測量在工程參量測試中極具典型性和代表性，而且應(yīng)用廣泛，采用相同的傳感器就能夠?qū)崿F(xiàn)多種機械量參數(shù)的測量，完成多種不同的工程測試任務(wù)。

虛擬儀器（Virtual Instrument）技術(shù)的高度發(fā)展，為組建結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷儀器提供了全新的技術(shù)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(jié)合在一起，實現(xiàn)動態(tài)信號采集分析虛擬儀器系統(tǒng)，實現(xiàn)了“軟件就是儀器”的理念。采集監(jiān)測信號的特征信息是設(shè)備故障診斷的第一步，其次是通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理，最終對結(jié)構(gòu)的當前工況及其發(fā)展趨勢作出確切的判斷。與傳統(tǒng)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(shù)優(yōu)勢。

1 動態(tài)信號測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

動態(tài)信號測試系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成，這里采用PC-DAQ體系結(jié)構(gòu)組建虛擬儀器。其原因是因為PC-DAQ系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集板、信號調(diào)理電路和計算機為儀器硬件平臺組成的虛擬儀器系統(tǒng)，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(yīng)變測試系統(tǒng)平臺，這種實現(xiàn)方案的性價比最佳?；赑C-DAQ體系結(jié)構(gòu)的虛擬式動態(tài)信號測試儀的硬件由傳感器（電阻應(yīng)變計）、信號調(diào)理電路（測量電橋、應(yīng)變放大器）、數(shù)據(jù)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(yīng)變計，其作用是將被測應(yīng)變ε的變化轉(zhuǎn)換成應(yīng)變計電阻的相對變化△R/R；信號調(diào)理則包括測量電橋、應(yīng)變放大器，由于電阻難以測量，故需要用測量電橋?qū)?yīng)變計電阻的相對變化△R/R轉(zhuǎn)換成電信號，轉(zhuǎn)換后的電信號很小，采用應(yīng)變放大器對其進行放大及必要的濾波處理，使之達到數(shù)據(jù)采集卡DAQ的要求范圍；數(shù)據(jù)采集卡將調(diào)理后的信號進行采樣、量化和編碼，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)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(jù)需要還可以將數(shù)據(jù)或波形圖進行存盤和打印輸出。系統(tǒng)采用個人電腦系統(tǒng)，操作系統(tǒng)為Windows，編程語言為DASYLab。

基于數(shù)據(jù)采集DAQ的虛擬儀器系統(tǒng)將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集卡配以計算機平臺和虛擬儀器軟件，便可構(gòu)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(yīng)的軟件，就可以構(gòu)成一臺具有若干功能的PC儀器。

2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理分析模塊和數(shù)據(jù)管理模塊等構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集模塊負責(zé)驅(qū)動儀器采集模擬信號，通過軟件來控制和啟動A/D轉(zhuǎn)換，并實時監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集過程；數(shù)據(jù)處理分析模塊對采集來的數(shù)據(jù)進行專業(yè)處理，實現(xiàn)對工程結(jié)構(gòu)動態(tài)信息的特征提??；數(shù)據(jù)管理模塊完成數(shù)據(jù)存儲、查詢、調(diào)用等功能。

2.1數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集部分在整個監(jiān)測系統(tǒng)中占有重要的地位，采樣數(shù)據(jù)的質(zhì)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(xiàn)。此模塊主要對設(shè)備的采樣參數(shù)進行設(shè)置，包括通道的選擇、采樣點數(shù)、采樣間隔、采樣頻率的設(shè)置等。在此模塊中通過調(diào)用動態(tài)連接庫（DLL）來支持DaqBoo112數(shù)據(jù)采集板，通過調(diào)用在DASYLab中的Analog Input節(jié)點實現(xiàn)對信號的采集。

2.2數(shù)據(jù)處理與分析模塊

動態(tài)信號測試系統(tǒng)的核心部分是數(shù)據(jù)處理模塊。該模塊的主要功能是將數(shù)據(jù)采集模塊采集得到的應(yīng)變信號進行分析與處理。數(shù)據(jù)處理模塊主要包括標度變換、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)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(jié)果而對信號進行檢測、判別、參數(shù)分析、特征識別以及解決傳輸與儲存問題而進行必要的數(shù)據(jù)壓縮等。具體來說，包括信號的參數(shù)分析、頻譜分析、濾波以及統(tǒng)計特征分析等。在信號的參數(shù)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(shù)分析的任務(wù)是設(shè)法提取參數(shù)，而在信號成分比較復(fù)雜的情況下，例如多種頻率分量共存時，參數(shù)提取問題就不再是一個單一的問題，往往要結(jié)合頻譜分析、統(tǒng)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(qū)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(guān)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(tǒng)計特性等。濾波則是在信號特征明顯的基礎(chǔ)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(xù)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(shù)分析。其中功率譜密度函數(shù)能將實測的復(fù)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(jié)構(gòu)。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(yīng)根據(jù)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(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)。目的是提取信號特征，分析信號、修正系統(tǒng)誤差。本系統(tǒng)的信號分析處理主要從時域和頻域兩方面進行。

2.3數(shù)據(jù)庫管理模塊

數(shù)據(jù)庫具有強大的數(shù)據(jù)存儲、查詢、調(diào)用等功能，可以給系統(tǒng)以強大的技術(shù)支持。為了更有效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和查詢等功能，在DASYLab虛擬儀器開發(fā)中，采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，它具有簡單、實用、功能強大和標準化等特點。通過調(diào)用LabSQL模塊實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存貯、添加、刪除、查詢等功能?；谔摂M儀器技術(shù)的應(yīng)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(tǒng)計特征值統(tǒng)計表顯示；模擬液晶顯示器的數(shù)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(yīng)變大小。利用功率譜可以求出系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)等。

3 應(yīng)變測試系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1組合連續(xù)梁動態(tài)應(yīng)變的測定

該實驗?zāi)M有移動荷載的連續(xù)梁橋，將組合梁設(shè)置為完全連續(xù)梁，開動小車產(chǎn)生動載荷。實驗要求學(xué)生根據(jù)需要，利用DASYLAB軟件，設(shè)計出虛擬測試儀器進行動態(tài)應(yīng)變的采集。虛擬儀器中主要包括信號發(fā)生模塊、信號處理與顯示模塊、信號存儲與讀取模塊等。根據(jù)采集結(jié)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(xué)生了解動態(tài)應(yīng)變儀的工作原理，學(xué)習(xí)其使用方法；熟悉計算機數(shù)據(jù)采集實驗操作過程；掌握現(xiàn)代動態(tài)電阻應(yīng)變測試技術(shù)。

3.2組合雙懸臂梁二次沖擊系數(shù)的測定

將組合梁設(shè)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(shù)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(jù)測到的應(yīng)變值推算二次沖擊系數(shù)。

沖擊載荷是在瞬間完成的，各被測參數(shù)的變化過程不能被直接測量。因此，要對沖擊過程中的動應(yīng)力、動應(yīng)變進行測試，需借助動態(tài)測試技術(shù)。動態(tài)響應(yīng)與系統(tǒng)的固有頻率、阻尼系數(shù)等結(jié)構(gòu)的動態(tài)固有參數(shù)有直接的聯(lián)系，所以要求不僅要理解力學(xué)中的基本概念和原理，而且要掌握信號的靜態(tài)、動態(tài)測試和高階系統(tǒng)等知識，這些綜合知識的應(yīng)用有利于啟發(fā)學(xué)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(xué)生自行推導(dǎo)該力學(xué)模型下動載荷系數(shù)的表達式，通過幾個不同高度的沖擊動應(yīng)變的測試，驗證理論分析結(jié)果，并分析計算結(jié)果與理論結(jié)果偏差的原因。

4 結(jié)束語

基于虛擬儀器的動態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)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(jié)合起來，使測試設(shè)備簡化、數(shù)據(jù)處理精確、迅速。系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)在線監(jiān)測診斷水平，為今后結(jié)構(gòu)的監(jiān)測診斷提供了先進的分析工具。

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