基于PXI和SCXI的多傳感器橋梁遠程監(jiān)測系統(tǒng)

　　橋梁建設是一個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(xiàn)結構損壞和損傷積累，嚴重的甚至會導致突然倒塌。為了避免事故地發(fā)生，對橋梁進行監(jiān)測是十分有必要的。

　　近年來，在新興的虛擬儀器技術的支持下，各類橋梁監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展迅速，在實際橋梁監(jiān)測中收到了較好的效果。為了進一步研究多傳感器的虛擬橋梁監(jiān)測方法，本人利用實驗室已有的設備，搭建一個基于PXI和SCXI 的多傳感器橋梁遠程監(jiān)測系統(tǒng)，并通過對模型橋的監(jiān)測評估了該系統(tǒng)的各項性能。

二、監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)原理

　　本橋梁檢測系統(tǒng)的基本原理是：利用SCXI模塊的強大信號調(diào)理功能，連接多路傳感器，并實現(xiàn)傳感器信號的前置調(diào)理，然后將信號送入PXI模塊。PXI在LabVIEW的支持下完成數(shù)據(jù)的觀察，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(jiān)測系統(tǒng)硬件實物如圖2 所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件實物圖

圖3 模型橋傳感器布置位置示意圖

　　圖中：橋面上的長方片代表應變片，橋面及橋下的短圓柱體代表磁電式檢波器，橋下的長條圓柱體代表渦流傳感器（包括支架）

三、系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

　　本系統(tǒng)用到熱電偶1 個（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（測量模型橋撓度變化），磁電式檢波器6 個（測量模型橋速度變化情況），其位置分布如圖3 所示（圖中沒有表示熱電偶）。

　　利用SCXI-1000、SCXI-1321、SCXI-1121、SCXI-1300 和SCXI-1102B 來實現(xiàn)對傳感器輸出信號的前置調(diào)理工作。

　　本監(jiān)測系統(tǒng)一個突出的特點就是同時使用了不同種類的11 個傳感器進行數(shù)據(jù)采集。這一功能的實現(xiàn)，得益于SCXI 模塊強大的信號調(diào)理能力，例如：多路信號同時輸入、對多路信號分別進行隔離放大和濾波、為應變片提供橋路和激勵電壓等，這是本系統(tǒng)硬件部分順利達到預期目的的關鍵。

四、系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

　　軟件界面如圖4 所示。

圖4 虛擬橋梁監(jiān)測系統(tǒng)界面

本次設計的程序可分為7 個模塊：數(shù)據(jù)記錄模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、遠程數(shù)據(jù)傳送和共享模塊。其主要功能是：在用戶設定采樣頻率后，采集11 路傳感器的信號，并分別進行顯示。同時，用戶及其他部分可使用手動或自動方式，根據(jù)需要記錄相關數(shù)據(jù)。其中，自動記錄以速度信號觸發(fā)( 閾值由用戶設定)，并可記錄觸發(fā)信號前1000 個數(shù)據(jù)點。另外，用戶還可根據(jù)需要向異地用戶傳輸數(shù)據(jù)（使用DataSocket 方法）。用戶也可以隨時將已記錄數(shù)據(jù)提取出來觀察、分析。

　　NI 公司的LabVIEW 是本系統(tǒng)設計的軟件平臺，它所具有的圖形化編程特點以及簡便易行的數(shù)據(jù)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，這不但滿足了本次設計同時處理多路輸入數(shù)據(jù)的預期要求，同時還達到了方便用戶的目的。LabVIEW 自帶的多路遠程實現(xiàn)方式很好地解決了遠程傳輸多路數(shù)據(jù)的問題。

五、系統(tǒng)的模型橋試驗驗證

　　利用實驗室的模型橋，對系統(tǒng)進行試驗驗證。共進行3 個不同位置的8 組靜載試驗和不同車速不同車重3 次動載試驗，還進行了遠程數(shù)據(jù)傳輸試驗。

　　選取靜載實驗時1/2 橋跨處的信號曲線（如圖5 所示），可以看到：該信號曲線符合模型橋應力應變及撓度變化的理論分析、以及相關橋梁靜載荷分析，同時，各傳感器測量數(shù)據(jù)與各個傳感器布置位置相符，證明此系統(tǒng)可以完成橋梁的靜載監(jiān)測。

　　選取一組東在數(shù)據(jù)進行分析（如圖6 所示），可以看到：其信號曲線符合模型橋振動情況的理論分析，以及相關橋梁動載荷分析，同時，測量數(shù)據(jù)與各個傳感器分布位置相符，表明此系統(tǒng)可以完成橋梁的動載監(jiān)測。

　　利用實驗室的網(wǎng)絡條件，還進行了多次遠程數(shù)據(jù)傳輸實驗。在遠端客戶機上，均能夠接收到相關數(shù)據(jù)。證明此系統(tǒng)可以完成橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程傳輸任務。

圖5 中央橋面靜載試驗數(shù)據(jù)

　　左圖為應變曲線，由上到下分別為1/4 橋跨、1/2 橋跨、3/4 橋跨處的應變信號；右圖為撓度曲線

圖6 中央橋面靜載試驗數(shù)據(jù)

　　左圖為應變曲線，由上到下分別為1/4 橋跨、1/2 橋跨、3/4 橋跨處的應變信號；右圖為速度曲線，由上到下分別為1/4 橋跨、1/2 橋跨、3/4 橋跨處的速度信號

六、結論

　　本系統(tǒng)具有支持多傳感器信號輸入，支持數(shù)據(jù)遠程傳輸和共享，具備自動記錄、數(shù)據(jù)保密等附加功能，PXI 模塊集成度高、機械及電氣性能好等特點?？梢酝瓿蓪蛄簞虞d、靜載的監(jiān)測任務，同時能夠將監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程共享，達到了預期設計目標。同時，積累了多傳感器在橋梁監(jiān)測中運用的經(jīng)驗，可以為將來的實際橋梁監(jiān)測提供參考。另外，本系統(tǒng)在設計時有意識的增加了其可操作性，以方便一般用戶操作使用。