0407应用NI技术快速构建土木工程在线监测系统解决方案2769.docx

《0407应用NI技术快速构建土木工程在线监测系统解决方案2769.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《0407应用NI技术快速构建土木工程在线监测系统解决方案2769.docx（10页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、应用NII技术快快速构建建土木工工程在线线监测系系统解决决方案作者：李李涛 职务：软软件工程程师单位：清清华大学学深圳研研究生院院应用领域域：研究究开发使用的产产品： cFPP-20020CComppactt FiielddPoiint控控制器模模块cFP-AI-1100 Coompaact FieeldPPoinnt模拟拟输入模模块cFP-TC-1200Commpacct FFielldPoointt热电偶偶输入模模块cFP-SG-1400Commpacct FFielldPoointt应变片片输入模模块PXI-10552PXXI与SSCXII复合机机箱PXI-81886 PPXI控控制器P

2、XI-62220M系系列多功功能数据据采集板板卡SCXII-15520应应变片调调理模块块SCXII-15530加加速度输输入调理理模块LabVVIEWW7.11图形化化集成开开发环境境挑战：将将众多采采集设备备集成到到一个开开放平台台下，统统一进行行数据采采集，并并需要有有一便捷捷的工具具来快速地地构建信信号计算算处理模模型。在室外外无人执执守的条条件下，要保证系统能长期稳定运行，并需要具备一定的故障自恢复能力。同时整个系统要具备很好的灵活性以及软硬件的兼容性，传统的土木工程安全监测解决方案大多是定制的方案，不利于系统本身的扩展也不利于整个方案推广到其它类似的系统上。应用方案案：应用NNI的

3、CComppactt FiielddPoiint、PPXI硬硬件，以以LabbVIEEW为软软件平台台，开发发一套桥桥梁监测测系统， 对深圳圳大学城城内某在在役桥梁梁进行了了实时的的安全监监测。这样一一套以虚虚拟仪器器技术为为核心的的方案具具有很好好的扩展展性和移移植性，同同时NII公司软软硬件的的无缝集集成更为为整个系系统的开开发提供供了很大大便利，并并且运行行实时操操作系统统的平台台提高了了系统的的实时性性和稳定定性。介绍：土木工程程监测具具有监测测点多、分分布广、环环境影响响因素复复杂等特特点。应应用NII的Coompaact FieeldPPoinnt系列列分布式式测控模模块实现现对应

4、变变、温度度等静态态参数的的精确测测量，具具体来说说，本系系统中使使用了AAI-1110、TTC-1120、SSG-1140分分别对钢钢筋锈蚀蚀传感器器、热电电偶、混混凝土应应变的信信号进行行采集。而而对于振振弦式传传感器读读数仪与与光纤光光栅解调调仪，可可以通过过cFPP-20020主主控模块块提供的的RS2232/4855接口，代代替PCC机来控控制；应应用PXXI模块块化采集集硬件实实现对振振动、加加速度等等动态参参数测量量，具体体设计上上，采用用NI PXII-10052 PXII/SCCXI组组合机箱箱，将PPXI-81886控制制器、PPXI-62220采集集卡、SSCXII-15

5、520、SSCXII-15530信信号调理理模块集集中到一一个机箱箱里，组组成一个个基于WWinddowss的测量量平台。并应用LabVIEW信号分析处理工具对采集信号进行计算处理，作为评估结构安全的依据。正文：1系统综综述土木工程程的安全全性受它本本身的材材料特性性、力学学特性以以及所处处的环境境影响。土木工程安全监测系统是一个实现包括数据采集、数据分析管理、智能决策等多种功能的庞大系统。数据采集是整个系统最基础的功能。土木结构安全监测系统的数据采集通常包括静态监测和动态测量。静态监测通常是不间断进行的；动态测试的周期可根据结构的实际状况来确定。介于以上的需求，需要一个长期稳定运行的计算机系

6、统对结构的数据进行采集、分析、管理，以此作为评定结构安全性依据。为达到此要求，采集设备必须能在野外恶劣环境下长期稳定工作，并要保证采集数据的可靠性；软件一方面能以统一模式管理从众多传感器采集来的数据，另一方面要能根据不同工程的需要迅速重新构建数据采集、分析子系统。NI 的的Commpacct FFielldPoointt 是坚坚固和可可靠的平平台，其其主控模模块运行行RT操操作系统统，确保保系统能能长期稳稳定运行行；并且且提供了了丰富的的通讯接接口，通通过LaabVIIEW RT开开发应用用，能控控制现场场的光纤纤仪、振振弦仪工工作。PXII同样是是可运行行RT系系统的牢牢固的模模块化平平台，

7、其其精确的的定时和和触发功功能确保保了大型型结构测测量时多多个测点点同步采采样，并并且有丰丰富的SSCXII信号调调理模块块供选用用。本系统以以cFPP为核心心构建静静态监测测模块，以以PXII为核心心构建动动态测试试模块，组组合成一一个桥梁梁安全监监测的数数据采集集系统，实实现采集集数据到到实时数数据库。静态监监测系统统以长期期在线的的形式运运行，主主要目的的是获取取运营的的土木结结构随时时间变化化的状态态数据；而动态态测试主主要是为为了在结结构出现现损伤后后对其损损伤进行行识别和和鉴定。系统中统一以标签来管理数据，将采集来的原始数据和经过信号处理后的计算数据分为模拟量、数字量、波(模拟量序

8、列)进行数据库存取。而在数据处理模块中则使用LabVIEW开发了多种计算分析模型用于分析结构特性。系统结构请参照图1、图2。图1 系系统物理理结构示示意图图2 系系统逻辑辑示意图图2基于CComppactt FiielddPoiint的的静态监监测在本系统统中，静静态监测测的内容容包括混混凝土的的渗透、钢钢筋锈蚀蚀、混凝凝土构件件的应力力应变及及开裂状状况。用用于土木木工程监监测的传传感器通通常分三三类：光光纤光栅栅传感器器、振弦弦式传感感器和传传统的基基于电信信号的传传感器。根根据监测测位置及及物理对对象的不不同，三三种传感感器均有有所用，而对每每种传感感器均有有其专用用的采集集仪。光纤传传

9、感器测测量精度度高，抗抗腐蚀性性强，比比较适用用于埋入入结构内内部，进进行分布布式温度度、应变变监测；振弦传传感器抗抗干扰性性强，可可重复性性好，成成本相对对较低，常用在结构监测的位移、应变测量上；而电子传感器则在测量动态信号时具有不可替代的作用，此外大部分化学传感器输出也是电信号。NI的CComppactt FiielddPoiint提提供了多多种IOO模块，本本系统中中使用了了AI-1100、TCC-1220、SSG-1140分分别对钢筋锈锈蚀传感感器、热热电偶、混混凝土应应变的信信号进行行采集。而而对于振振弦式传传感器读读数仪与与光纤光光栅解调调仪，可可以通过过cFPP-20020主主控

10、模块块提供的的RS2232/4855接口，代替PC机来控制。cFP-2020上运行了RT操作系统，应用LabVIEWVISA串口驱动，开发一个仪器的通讯程序，如此，所有采集仪的数据便汇总到cFP-2020主控模块。cFP-2020还提供了以太网接口，可以很方便地将数据传送到监控中心的计算机。cFP系统的硬件实物图如图3所示。图3 运运行RTT系统的的Commpacct FFielldPoointt模块LabVVIEWW RTT中提供供了多种种网络通通讯方式式，像DDataaSocckett、TCCP、UUDP、SSMTPP，此外外还可通通过共享享内存的的方式与与主机交交换数据据。本系系统中使使

11、了TCCP的方方式，cFPP-20020作作为TCCP客户户端，与与监控中中心主机机TCPP Seerveer建立立连接后后，将采采集到的的数据封封装成XXML文文档，通通过该TTCP连连接发送送到主机机。cFP-20220带有有一个CComppactt Fllashh槽，可可插入一一块5112M的的存储卡卡，如果果由于网网络故障障暂时不不能将数数据传到到主机，可可将数据据以文件件形式存存储在FFlassh上，网络通通讯恢复复时由将其发发送到主主机，确确保数据据不丢失失。cFFP-220200内置了了看门狗狗，设备备在发生生运行故故障时可可自行重重启，有有效提高高了系统统长期监监测的可可靠性。

12、通过安装装LabbVIEEW RRT，可可在运行行Winndowws的主主机上，LabVIEW环境下，运用开发Windows程序的方法，来开发cFP所需的实时软件，而不需要了解RT系统更多的细节。如此，通过更可靠的RT系统，实现了与PC机同样灵活的功能，而在软件开发上还是相当地容易。本系统静态监测部分的软件界面如图4所示。图4 实实时监测测数据3 基于于PXII的动态态测试土木结构构的动态态测试的的目的是是诊断结结构损伤伤的程度度和位置置。桥梁梁的动态态测试主主要包括括桥跨结结构自振振特性和和桥跨结结构在载载荷作用用下强迫振振动特性性测量。此外某些桥梁的局部构件也需进行自振特性测量，例如斜拉桥

13、的索，钢梁桥的钢桁梁等。桥梁的动态测试通常需要多个点同步进行，各点间的相位误差要控制在一个较小范围内。同时需要有相应的触发信号控制采集仪在产生激励后开始采样。PXI结结合高速速PCII总线和和专为测测量与自自动化应应用设计计的完整整的定时时和触发发功能，为为结构动动态测试试提供了了一个高高效的、易易用的平平台。NNI提供供了众多多PXII模块，来满足用户搭建自己的PXI测试系统。本系统采采用NII PXXI-110522 PXXI/SSCXII组合机机箱，将将PXII-81186控控制器、PPXI-62220采集集卡、SSCXII-15520、SSCXII-15530信信号调理理模块集集中到一

14、一个机箱箱里，组组成一个个基于WWinddowss的测量量平台。PPXI-62220是NNI新推推出的MM系列采采集卡，由由于采用用了NII-STTC2定定时控制制技术，使使得多通通道测量量能达到到一个较较好的同同步要求求，如需需更高要要求的同同步，可可采用每每通道配配置一个个ADCC的S系系列同步步数据采采集卡。硬件系统构成实物图如图5所示。图5 PPXI模模块化测测试仪系统使用用了八个速度度型低频频振动传传感器测测量桥梁梁的自振振特性，该传感器输出信号为+/-10V电压信号，测量频率范围0.35-50Hz，直接接到PXI-6220数据采集卡。采用脉动法，激励信号为随机的环境激励，不需要触发

15、，由软件启动，每次测试以200Hz的采样频率采集600s的波形。直接使用LabVIEW的DAQ Assistant 生成一个采集任务。桥梁在载载荷作用用下强迫迫振动测测试需要要测量桥桥跨的动动挠度和和应变，挠挠度测量量采用位位移型低低频振动动传感器器，连接接到PXXI-662200采集卡卡；应变变测量采采用电阻阻应变桥桥，接到到SCXXI-115200应变调调理模块块。采用用数字触触发方式式，由红红外车辆辆探测器器产生的的数字信信号控制制采集启启停。另外使用用了四支支MA221型加加速度传传感器进进行了钢钢桁梁自自振特性性测试，MMA211输出为为IEPPE工业业标准信信号，直直接接到到SCX

16、XI-115300加速度度输入模模块，测测试方法法与桥梁梁自振测测试相同同。采样样频率设设为200HHz。使用LaabVIIEW开开发一个个测试程程序，由由于有新新的设备备驱动DDAQmmx和LLabVVIEWW Exxpreess VI支支持，开开发变得得非常简简单。本本系统的的动态测测试部分分软件设设计为一一个C/S结构构，运行行于PXXI控制制器的是是一个测测试服务务程序，可可以本地地操作，也也可能由由远程的的客户端端软件控控制进行行测量。动态测试远程控制端界面如图6所示：图6 动动态测试试远程控控制端界界面4 动态态信号处处理桥梁结构构动态测测量的信信号处理理涉及到到的内容容比较广广泛

17、，在在此只作作简单陈陈述。传传统的结结构诊断断采用基基于傅利利叶变换换的频谱谱分析方方法，从从测得的的动态信信号中提提取结构构的模态态参数，如如固有频频率、振振型、阻阻尼比等等等，也也可以通通过微积积分运算算获取结结构的应应力应变变参数。不同的参数在鉴定结构损伤程度的有效性上有明显的差别。LabVIEW提供了数百个测量分析函数，能根据研究需要，迅速地建立相应的分析计算模型，验证结构诊断方法的有效性。近年来，兴兴起了基基于小波波分析的的结构健健康诊断断方法，由由于其能能从时频频两域表表征信号号的局部部特征，识识别正常常信号与与异常信信号间的的细微差差别，因因此特别别适合结结构损伤伤的诊断断。NI

18、I在Siignaal PProccesssingg Toool包包里提供供了用LLabVVIEWW实现小小波变换换的工具具。5 总结结长期无人人执守的的在线监监测需要要控制设设备运行行RT操操作系统统，Coompaact FieeldPPoinnt、PPXI、CComppactt RIIO均提提供了RRT控制制器确保保系统能能可靠运运行。PXI对对于结构构动态测测试有不不可取代代的优势势，尤其其在大型型桥梁测测试中，具具有定时时和触发发特性的的PXII系统可可提供多多达50000个个通道同同步测量量，且相相位误差差在1KKHz时时小于00.1度度。对于于在恶劣劣环境下下小型的的结构测测量，可可考虑使使用NII新推出出的Coompaact RIOO产品。LabVVIEWW在测试试测量方方面的专专长和与与PXII、cFFP的无无缝集成成，使得得整个系系统开发发变得非非常高效效，而且且此套基基于虚拟拟仪器的的解决方方案能够够很灵活活地重构构。与传统的的以硬件件为核心心的测量量仪器相相比，采采用以软软件为核核心的虚虚拟仪器器解决方方案，明显减减少系统统的开发发周期及及成本，提提高了整整个系统统的扩展展性与可可移植性性，从而而满足了了工程安安全监测测不断变变化的数数据采集集技术需需求。