模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)變擾力自動(dòng)化測(cè)試的實(shí)現(xiàn)

陳小峰 談榮瑋 余 健 易秋田

（1.河北中核巖土工程有限責(zé)任公司，河北石家莊 050021；2.四川安泰工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，四川成都 610041）

0 引言

模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)測(cè)試用于測(cè)試地基（或樁基礎(chǔ)）對(duì)動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)在動(dòng)荷載作用下的響應(yīng)，為動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供地基或樁基礎(chǔ)的抗壓、抗剪、抗彎和抗扭剛度（或剛度系數(shù)）以及各振向的阻尼比、參振總質(zhì)量等動(dòng)力參數(shù)。周期性振動(dòng)機(jī)器基礎(chǔ)一般采用強(qiáng)迫振動(dòng)測(cè)試方法。

根據(jù)振源種類的不同，強(qiáng)迫振動(dòng)測(cè)試分為變擾力強(qiáng)迫振動(dòng)和常擾力強(qiáng)迫振動(dòng)。變擾力強(qiáng)迫振動(dòng)測(cè)試通常使用固定在模型基礎(chǔ)上的機(jī)械式振源提供激振力，變頻器為機(jī)械式振源電動(dòng)機(jī)供電。人工操作變頻器面板鍵盤(pán)，設(shè)定輸出頻率，變頻器將50 Hz、380 V 交流電變頻為設(shè)定頻率的交流電，輸送給三相異步交流電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械式振源中的振動(dòng)模塊轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生固定方向的振動(dòng)，激勵(lì)模型基礎(chǔ)，在模型基礎(chǔ)振動(dòng)穩(wěn)定后，使用測(cè)振儀器接收并存儲(chǔ)布置在模型基礎(chǔ)頂面上的拾振器的振動(dòng)波形信號(hào)。在設(shè)定頻率范圍內(nèi)以一定的頻率間隔重復(fù)激勵(lì)與采樣操作，直至達(dá)到預(yù)定的最大頻率。外業(yè)工作完成后，再轉(zhuǎn)至室內(nèi)讀取振動(dòng)波形信號(hào)，處理后繪制幅頻響應(yīng)曲線，計(jì)算地基（或樁基礎(chǔ)）的動(dòng)力參數(shù)。

目前常規(guī)的人工測(cè)試方式測(cè)試步驟繁瑣，測(cè)試過(guò)程與資料整理緊張且耗時(shí)，測(cè)試人員易疲勞，整體效率低下。為克服人工測(cè)試方式的缺點(diǎn)，工程技術(shù)人員進(jìn)行了多種形式的創(chuàng)新，傅茂朝等[1]利用Delphi編程技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一種對(duì)新采集的波形信號(hào)實(shí)時(shí)顯示、分析的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，人工采樣與電腦實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)結(jié)合，提高了工作效率。李友鵬等[2]開(kāi)發(fā)了CUR401多功能工程測(cè)試儀配備塊體基礎(chǔ)強(qiáng)迫振動(dòng)測(cè)試與分析專業(yè)程序，采用Z 變換高精度頻譜分析技術(shù)和曲線擬合技術(shù)，自動(dòng)完成信號(hào)采集，實(shí)時(shí)更新塊體基礎(chǔ)強(qiáng)迫振動(dòng)幅頻響應(yīng)曲線。

基于NI LabVIEW 的虛擬儀器技術(shù)，利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用，具有性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)時(shí)間少，以及出色的集成四大優(yōu)勢(shì)。在模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)測(cè)試工作中應(yīng)用該技術(shù)，根據(jù)測(cè)試規(guī)范要求編制測(cè)試控制和數(shù)據(jù)采集程序，將測(cè)試控制功能及測(cè)振儀功能進(jìn)行整合，使測(cè)試過(guò)程自動(dòng)化、數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)化，提高生產(chǎn)效率和測(cè)試精度。

1 機(jī)械式激振器

模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)變擾力強(qiáng)迫振動(dòng)測(cè)試采用機(jī)械式激振器作為振源。振源內(nèi)有一組或兩組振動(dòng)模塊，每一組振動(dòng)模塊含有兩個(gè)相同規(guī)格尺寸、相互嚙合的齒輪，分別固定在主動(dòng)軸和從動(dòng)軸上，當(dāng)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩個(gè)齒輪產(chǎn)生等速、反向的轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)齒輪上各固定有一組質(zhì)量相同、偏心距相等的偏心塊，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，因偏心質(zhì)量的存在，會(huì)產(chǎn)生周期性的離心力，從而使激振器產(chǎn)生激振作用。適當(dāng)設(shè)定偏心塊的位置，可使設(shè)備產(chǎn)生某方向的正弦激振力，而其他方向上的力自行抵消，激振力F的大小為兩個(gè)離心力的合力，見(jiàn)式（1）。

式中：m為偏心塊的質(zhì)量；e為偏心距；ω 為旋轉(zhuǎn)角速度。

改變偏心塊的相對(duì)位置，激振方向可以調(diào)整為豎向和水平向（見(jiàn)圖1、圖2），如果機(jī)械式激振器包含兩組振動(dòng)模塊，由一套動(dòng)力同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩組振動(dòng)模塊同步轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)改變兩組振動(dòng)模塊中偏心塊的相對(duì)位置，可以實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)向激振（見(jiàn)圖3）[2—3]。

圖1 豎向振動(dòng)測(cè)試偏心塊的相對(duì)位置

圖2 水平回轉(zhuǎn)向振動(dòng)測(cè)試偏心塊的相對(duì)位置

圖3 扭轉(zhuǎn)向振動(dòng)測(cè)試偏心塊的相對(duì)位置

機(jī)械式激振器一般以變頻器+三相異步交流電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，變頻器用以調(diào)整交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使激振器振動(dòng)模塊產(chǎn)生不同頻率的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使激振器產(chǎn)生不同幅值和頻率的激振力。

2 模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)變擾力強(qiáng)迫振動(dòng)測(cè)試常規(guī)方法

2.1 測(cè)試裝置布置及測(cè)試方法

模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)變擾力強(qiáng)迫振動(dòng)測(cè)試常規(guī)裝置布置如圖4 所示。模型基礎(chǔ)位于被測(cè)地基（或樁基礎(chǔ)）上，機(jī)械式激振器通過(guò)地腳螺栓與模型基礎(chǔ)相連，模型基礎(chǔ)在機(jī)械式激振器激勵(lì)作用下的響應(yīng)由粘貼于模型基礎(chǔ)頂面指定位置的拾振器（加速度計(jì)或速度計(jì)）測(cè)量，由測(cè)振儀記錄并存儲(chǔ)振動(dòng)波形信號(hào)。通常使用的測(cè)振儀器為基樁動(dòng)測(cè)儀、波速測(cè)試儀或振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，測(cè)試前測(cè)振儀及拾振器需進(jìn)行標(biāo)定，確定靈敏度系數(shù)。

圖4 變擾力動(dòng)力參數(shù)測(cè)試裝置示意圖

正式測(cè)試前先通過(guò)試測(cè)確定測(cè)試頻率范圍，在測(cè)試頻率范圍內(nèi)按由低到高順序及一定的頻率間隔，人工操作變頻器面板上的鍵盤(pán)，使變頻器產(chǎn)生設(shè)定頻率的正弦交流電，輸入至三相異步交流電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械式激振器偏心裝置旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生激振力，對(duì)模型基礎(chǔ)進(jìn)行激勵(lì)；模型基礎(chǔ)振動(dòng)穩(wěn)定后，由人工操作測(cè)振儀器記錄各拾振器的振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行數(shù)字步進(jìn)正弦激勵(lì)測(cè)試。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，測(cè)試頻率間隔共振區(qū)外不宜大于2 Hz，共振區(qū)內(nèi)不應(yīng)大于1 Hz，通常采用共振區(qū)外1 Hz，共振區(qū)內(nèi)0.5 Hz 的測(cè)試頻率間隔[4]。

2.2 資料處理

外業(yè)測(cè)試結(jié)束后，需及時(shí)進(jìn)行室內(nèi)資料處理，人工讀取每個(gè)頻率點(diǎn)、每個(gè)拾振器記錄波形的電壓峰值，通過(guò)靈敏度系數(shù)轉(zhuǎn)換為振動(dòng)加速度或速度值，進(jìn)而計(jì)算振動(dòng)線位移，繪制幅頻響應(yīng)曲線，計(jì)算地基（或樁基）動(dòng)力參數(shù)。

使用常規(guī)方法，測(cè)試人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，測(cè)試精度相對(duì)較低。

3 自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)路線

為了提高測(cè)試精度和工作效率，降低測(cè)試技術(shù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)變擾力測(cè)試自動(dòng)化，遵循以下技術(shù)路線進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。

（1）儀器功能專業(yè)化

由通用筆記本電腦、USB 總線結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集卡和NI LabVIEW 軟件即可構(gòu)成一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本、高性能的虛擬儀器，通過(guò)靈活、高效的編程，創(chuàng)建自己的應(yīng)用以及友好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)專業(yè)化的儀器功能。

數(shù)據(jù)采集卡主要技術(shù)參數(shù)有通道數(shù)、采樣頻率、緩存、分辨率、精度、量程、增益、觸發(fā)方式等，根據(jù)測(cè)試要求選擇合適的數(shù)據(jù)采集卡，通過(guò)有針對(duì)性的編程，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程自動(dòng)控制、振動(dòng)信號(hào)自動(dòng)采集分析，便可形成一臺(tái)具有模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)變擾力自動(dòng)化測(cè)試功能的專業(yè)儀器。

（2）測(cè)試過(guò)程自動(dòng)化

典型的數(shù)據(jù)采集卡具有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I/O、計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器等功能，模擬輸入功能可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，模擬輸出功能可以通過(guò)輸出模擬電信號(hào)對(duì)測(cè)試過(guò)程進(jìn)行控制。根據(jù)模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)測(cè)試的規(guī)范方法，通過(guò)編程控制數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出、模擬輸入模塊，進(jìn)而控制測(cè)試過(guò)程按規(guī)范自動(dòng)進(jìn)行、自動(dòng)采集分析振動(dòng)信號(hào)，實(shí)時(shí)顯示測(cè)試結(jié)果，實(shí)現(xiàn)測(cè)試的自動(dòng)化。

（3）測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理

在一個(gè)頻點(diǎn)的測(cè)試完成，記錄下模型基礎(chǔ)頂面上所有測(cè)點(diǎn)拾振器的振動(dòng)信號(hào)后，自動(dòng)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析、峰值測(cè)量及靈敏度系數(shù)轉(zhuǎn)換，計(jì)算振動(dòng)線位移，并實(shí)時(shí)生成幅頻響應(yīng)曲線。簡(jiǎn)諧振動(dòng)的位移、速度、加速度的幅值之間的關(guān)系見(jiàn)式（2）。

式中：am為加速度，mm/s2；vm為速度，mm/s；xm為位移的幅值，mm；ω為角頻率，又稱圓頻率[5]。

隨著測(cè)試由低頻向高頻的進(jìn)行，幅頻響應(yīng)曲線逐漸延伸并出現(xiàn)共振區(qū)和共振峰。在完成設(shè)定頻率段內(nèi)所有頻點(diǎn)的測(cè)試后，程序自動(dòng)結(jié)束測(cè)試。

4 自動(dòng)化測(cè)試的實(shí)現(xiàn)

4.1 模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)變擾力自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)

按上述技術(shù)路線開(kāi)發(fā)的模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)變擾力自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)采用基于NI LabVIEW 的虛擬儀器方案，包括上位機(jī)和下位機(jī)兩部分（見(jiàn)圖5）。上位機(jī)為通用筆計(jì)本電腦，下位機(jī)為數(shù)據(jù)采集卡，二者通過(guò)USB 口進(jìn)行通訊。下位機(jī)包含模擬輸入模塊、模擬輸出模塊，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)采集卡規(guī)格參數(shù)

圖5 模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)自動(dòng)化測(cè)試儀器設(shè)計(jì)框圖

模擬輸入模塊有16 個(gè)單端或8 個(gè)差分輸入通道，具有16 位精度的A/D 轉(zhuǎn)換器，支持多種采樣方式，最大采集速率250 ksps，用于接收拾振器的振動(dòng)波形信號(hào)，其功能相當(dāng)于常規(guī)人工測(cè)試方式的測(cè)振儀。

模擬輸出模塊有2 個(gè)輸出通道，具有16 位精度的D/A 轉(zhuǎn)換器，最大采集速率100 ksps，可以生成幅值±10 V 以內(nèi)的直流或各種交流電信號(hào)，用于產(chǎn)生設(shè)定參數(shù)值的模擬電信號(hào)，控制變頻器產(chǎn)生設(shè)定頻率的交流電，輸送至三相異步交流電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)激振器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的振動(dòng)，該功能可以實(shí)現(xiàn)激振器振動(dòng)頻率的程序控制，從而取代人工調(diào)節(jié)變頻器的測(cè)試方式。

上位機(jī)用于設(shè)定測(cè)試工作參數(shù)，控制模擬輸入、模擬輸出模塊,實(shí)時(shí)顯示采集的振動(dòng)波形信號(hào)以及隨測(cè)試進(jìn)程變化的幅頻曲線。主要工作參數(shù)及其功能見(jiàn)表2。

表2 測(cè)試工作參數(shù)表

4.2 變頻器的控制

變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備，能將固定頻率的交流電轉(zhuǎn)換為可變頻率、可變電壓的交流電源。在模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)變擾力強(qiáng)迫振動(dòng)測(cè)試中，應(yīng)用變頻器為三相異步交流電動(dòng)機(jī)提供可變頻率的交流電，驅(qū)動(dòng)激振器產(chǎn)生相應(yīng)的可變頻率的激振力。變頻器輸出頻率范圍為0～600 Hz或更高，完全滿足模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)測(cè)試的需要。

變頻器的頻率給定方式主要有：操作器鍵盤(pán)給定、接點(diǎn)信號(hào)給定、模擬信號(hào)給定、脈沖信號(hào)給定和通訊方式給定等。本自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)采用模擬信號(hào)給定方式，由上位機(jī)控制下位機(jī)模擬輸出模塊產(chǎn)生直流電信號(hào)，以電信號(hào)的電壓控制變頻器的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程儀器自動(dòng)化控制。

通過(guò)變頻器面板鍵盤(pán)設(shè)定如表3 所示工作參數(shù)，變頻器運(yùn)行頻率范圍：0～100 Hz,對(duì)應(yīng)控制信號(hào)FV的電壓為0～10 V，運(yùn)行頻率由控制信號(hào)FV 的電壓決定，故上位機(jī)控制下位機(jī)模擬輸出模塊生成0～10 V 的直流電信號(hào)，送至變頻器相應(yīng)控制端子，控制變頻器輸出0～100 Hz 的交流電，下位機(jī)的控制信號(hào)電壓與變頻器輸出電流的頻率一一對(duì)應(yīng)。模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)自動(dòng)化測(cè)試儀器下位機(jī)的模擬輸出模塊具有16 位的分辨率，理論上可以以設(shè)定峰值的1/65536的間隔調(diào)整輸出信號(hào)的電壓，分辨力達(dá)到0.153 mV，對(duì)應(yīng)的調(diào)頻精度為0.00153 Hz，從而有能力實(shí)現(xiàn)變頻器輸出頻率的精確調(diào)節(jié)和控制。

表3 變頻器工作參數(shù)設(shè)定表

4.3 軟件實(shí)現(xiàn)

通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)程序控制是模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)變擾力自動(dòng)化測(cè)試的核心。該軟件從程序結(jié)構(gòu)分析，主要通過(guò)一個(gè)While 循環(huán)實(shí)現(xiàn)以下功能。

（1）數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)設(shè)置

數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)設(shè)置在While 循環(huán)開(kāi)始之前進(jìn)行，主要根據(jù)測(cè)試要求設(shè)置觸發(fā)源、觸發(fā)方式、觸發(fā)電平、采樣道數(shù)、通道配置、采樣模式、采樣速率、采樣長(zhǎng)度等參數(shù)。

（2）測(cè)試控制

在While 循環(huán)內(nèi)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出功能，根據(jù)變頻器預(yù)輸出的正弦交流電的頻率給定控制電壓，使機(jī)械式激振器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的激振，每一次循環(huán)維持的時(shí)間即是該頻率振動(dòng)的維持時(shí)間，以振動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定，激振力恒定一段時(shí)間為準(zhǔn)。當(dāng)達(dá)到設(shè)定的循環(huán)維持時(shí)間后，結(jié)束本次循環(huán)，進(jìn)入下一次循環(huán)，同時(shí)按設(shè)定的測(cè)試頻率間隔，通過(guò)模擬輸出模塊給定對(duì)應(yīng)一下個(gè)頻率點(diǎn)的控制電壓，使激振器產(chǎn)生下一個(gè)頻率的激振，如此循環(huán)，直至測(cè)試頻率足夠高，生成完整的幅頻響應(yīng)曲線為止。

（3）數(shù)據(jù)采集

在每一次循環(huán)內(nèi)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入模塊，按設(shè)定的時(shí)間間隔采集模型基礎(chǔ)的振動(dòng)信號(hào)。

（4）數(shù)據(jù)分析處理及幅頻曲線顯示

每一次采集振動(dòng)信號(hào)后，隨即對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，提取該信號(hào)的頻率和振幅，存入數(shù)組中，并以XY 圖的形式顯示數(shù)組中的數(shù)據(jù)，隨著測(cè)試的進(jìn)行，激振頻率按設(shè)定間隔不斷增加，XY 圖即展現(xiàn)出實(shí)時(shí)的幅頻響應(yīng)曲線。當(dāng)激振頻率足夠高、幅頻曲線出現(xiàn)峰值，視情況可以結(jié)束循環(huán)，終止程序。

（5）數(shù)據(jù)保存

每次振動(dòng)數(shù)據(jù)采集后以文件的形式進(jìn)行保存，以方便后期的資料再處理。

4.4 自動(dòng)化測(cè)試方法

使用自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行變擾力動(dòng)力參數(shù)測(cè)試時(shí)，塊狀模型基礎(chǔ)放置于地基上，機(jī)械式激振器通過(guò)地腳螺栓或其他方式固定在基礎(chǔ)上，拾振器布置在模型基礎(chǔ)頂面的設(shè)定位置。拾振器通過(guò)屏蔽信號(hào)線與儀器下位機(jī)模擬輸入模塊連接，變頻器控制信號(hào)線與儀器下位機(jī)模擬輸出模塊連接。

測(cè)試前，上位機(jī)通過(guò)測(cè)試程序?qū)y(cè)試參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。設(shè)定的參數(shù)包括測(cè)試的起始頻率、終止頻率、測(cè)試頻率間隔、每個(gè)測(cè)試頻率點(diǎn)的振動(dòng)維持時(shí)間、拾振器的靈敏度、采樣頻率、每通道采樣點(diǎn)數(shù)、波形文件保存路徑等。

參數(shù)設(shè)定完成后即可進(jìn)行測(cè)試，首先由下位機(jī)的模擬輸出模塊按照設(shè)定的測(cè)試起始頻率，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)起始頻率的模擬電信號(hào)，并發(fā)送至變頻器，變頻器隨即將電源380 V、50 Hz 交流電變頻至對(duì)應(yīng)于起始頻率的交流電，輸出至三相異步交流電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)機(jī)械式激振器的振動(dòng)模塊旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械式激振器產(chǎn)生相應(yīng)頻率的激振力，激勵(lì)模型基礎(chǔ)。機(jī)械式激振器的偏振質(zhì)量和偏心距是固定的，因此激振力大小只與旋轉(zhuǎn)頻率有關(guān)。

在振動(dòng)維持設(shè)定的時(shí)間后，認(rèn)為已穩(wěn)定，由下位機(jī)的模擬輸入模塊采集拾振器振動(dòng)信號(hào)，并傳送至上位機(jī)保存，上位機(jī)隨即對(duì)該頻率點(diǎn)振動(dòng)波形信號(hào)進(jìn)行頻譜分析及峰值測(cè)量，得到實(shí)測(cè)振動(dòng)頻率及電壓峰值，并通過(guò)靈敏度系數(shù)將電壓峰值轉(zhuǎn)換為振動(dòng)加速度或速度峰值，進(jìn)而計(jì)算振動(dòng)線位移峰值，實(shí)時(shí)繪制幅頻響應(yīng)曲線。該頻率點(diǎn)的測(cè)試完成后，下位機(jī)模擬輸出模塊隨即按照設(shè)定的頻率間隔產(chǎn)生對(duì)應(yīng)下一個(gè)頻率點(diǎn)的模擬電信號(hào)，傳送給變頻器，按照以上相同的程序進(jìn)行該頻率點(diǎn)的測(cè)試，如此循環(huán)，直到完成設(shè)定的最大頻率的測(cè)試。

上位機(jī)程序界面實(shí)時(shí)顯示模型基礎(chǔ)振動(dòng)波形及幅頻響應(yīng)曲線，隨著測(cè)試的進(jìn)展，實(shí)時(shí)繪制的幅頻響應(yīng)曲線逐漸呈現(xiàn)并趨于完整，測(cè)試完成的同時(shí)，完整的幅頻響應(yīng)曲線也隨即產(chǎn)生，在測(cè)試達(dá)到終止頻率后，程序自動(dòng)結(jié)束測(cè)試。

4.5 工程實(shí)例

?？松梨诨葜菀蚁┮黄陧?xiàng)目位于廣東省惠州市大亞灣石化園區(qū)內(nèi)，根據(jù)設(shè)計(jì)總平面布置圖，作為試樁工作的一部分，在乙烯裝置區(qū)域布置了6 組地基動(dòng)力特性測(cè)試工作，其中樁基動(dòng)力特性參數(shù)測(cè)試2 組，天然地基動(dòng)力特性參數(shù)測(cè)試4 組，要求通過(guò)在乙烯裝置區(qū)域進(jìn)行模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)測(cè)試，提供壓縮機(jī)等動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)的樁基動(dòng)力參數(shù)和天然地基動(dòng)力參數(shù)。應(yīng)用本套自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)完成了上述模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)測(cè)試工作，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景見(jiàn)圖6，實(shí)測(cè)主要工作參數(shù)設(shè)置如表4 所示。

表4 測(cè)試工作參數(shù)設(shè)定表

圖6 模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)測(cè)試場(chǎng)景

測(cè)試得到的各振向幅頻曲線如圖7—圖9 所示。

圖7 豎向強(qiáng)迫振動(dòng)幅頻曲線

圖8 水平回轉(zhuǎn)向強(qiáng)迫振動(dòng)幅頻曲線

測(cè)試設(shè)定0.2～0.5 Hz 的測(cè)試頻率間隔，得益于密集的測(cè)試頻點(diǎn)，幅頻曲線整體表現(xiàn)細(xì)膩而圓滑，起伏自然、細(xì)節(jié)彰顯；共振區(qū)曲線自然而挺拔，共振峰尖銳且不失圓潤(rùn)，起伏轉(zhuǎn)換自然。設(shè)定每頻點(diǎn)振動(dòng)維持時(shí)間2 s，即每2 s 完成一個(gè)頻率點(diǎn)的激勵(lì)及數(shù)據(jù)采集，按0.5 Hz 的測(cè)試頻率間隔，一個(gè)5～65 Hz、共計(jì)120 個(gè)頻率點(diǎn)的動(dòng)力參數(shù)測(cè)試僅需要240 s（4 min）即可完成，測(cè)試頻率間隔加密到0.2 Hz，也僅需要10 min。

4.6 自動(dòng)化測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)

與傳統(tǒng)人工測(cè)試方式相比，自動(dòng)化測(cè)試的優(yōu)勢(shì)在于如下幾個(gè)方面。

（1）減輕測(cè)試人員的工作壓力

使用儀器全自動(dòng)控制變擾力動(dòng)力參數(shù)測(cè)試過(guò)程并實(shí)時(shí)處理各頻率點(diǎn)數(shù)據(jù)、顯示幅頻響應(yīng)曲線，將技術(shù)人員從繁重的外業(yè)測(cè)試的體力勞動(dòng)及資料處理的腦力勞動(dòng)中解放出來(lái)，減輕了測(cè)試技術(shù)人員的身體和精神壓力，降低了工作強(qiáng)度。

（2）提高測(cè)試工作效率

自動(dòng)化測(cè)試可以按照設(shè)定的程序自動(dòng)輸出模擬信號(hào)，控制變頻器的輸出頻率，快速完成激振頻率及激振力的自動(dòng)調(diào)整、更新，自動(dòng)記錄振動(dòng)波形，完成每一個(gè)頻率點(diǎn)的測(cè)試，并實(shí)時(shí)顯示幅頻響應(yīng)曲線。完成一組完整測(cè)試的時(shí)間通常只需要人工方式的1/4左右，提高了工作效率，降低了工作強(qiáng)度。

（3）提高測(cè)試工作的精度和可靠性

使用專業(yè)儀器進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試，通過(guò)設(shè)定更小的測(cè)試頻率間隔，如0.2 Hz 甚至更小，可以在不增加測(cè)試人員勞動(dòng)強(qiáng)度的情況下，大幅度加密測(cè)點(diǎn)，使得幅頻響應(yīng)曲線更圓滑、更能體現(xiàn)細(xì)節(jié)，從而使得測(cè)試精度更高、測(cè)試結(jié)果更準(zhǔn)確。

自動(dòng)化測(cè)試過(guò)程中，程序自動(dòng)實(shí)時(shí)顯示已測(cè)試頻率點(diǎn)的幅頻響應(yīng)曲線，測(cè)試過(guò)程中就能清晰地呈現(xiàn)測(cè)試階段，測(cè)試人員可以很方便地判斷幅頻響應(yīng)曲線是否完整、測(cè)試過(guò)程到了什么階段、是否可以結(jié)束，從而避免出現(xiàn)因?yàn)闇y(cè)試過(guò)程不完整而造成的測(cè)試誤差。

（4）測(cè)試裝置更簡(jiǎn)單

自動(dòng)化測(cè)試儀器的功能包含了變擾力動(dòng)力參數(shù)測(cè)試的所有測(cè)試控制和信號(hào)采集的功能需求，不需要額外的儀器配合，減少了線路連接的復(fù)雜程度，減少了測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題的環(huán)節(jié)，使得測(cè)試過(guò)程更簡(jiǎn)單、順利。

5 結(jié)論

（1）使用由通用筆記本電腦、USB 總線結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集卡和NI LabVIEW 軟件構(gòu)成的低成本、高性能的虛擬儀器，通過(guò)程序控制測(cè)試過(guò)程，自動(dòng)記錄分析振動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示幅頻響應(yīng)曲線，能夠?qū)崿F(xiàn)模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)變擾力測(cè)試的自動(dòng)化。

（2）基于虛擬儀器技術(shù)的模型基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)變擾力自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)裝置簡(jiǎn)單、測(cè)試工作效率高、測(cè)試精度高、可靠性好，可顯著減輕測(cè)試人員的工作壓力。