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一、引言 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，在經濟建設中發揮重要作用。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。為了避免事故地發生，對橋梁進行監測是十分有必要的。 近年來，在新興的虛擬儀器技術的支持下，各類橋梁監測系統發展迅速，在實際橋梁監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測系統，并通過對模型橋的監測評估了該系統的各項性能。 二、監測系統實現原理 本橋梁檢測系統的基本原理是：利用SCXI模塊的強大信號調理功能，連接多路傳感器，并實現傳感器信號的前置調理，然后將信號送入PXI模塊。PXI在LabVIEW的支持下完成數據的觀察，記錄，初步分析及遠程傳送等功能。其基本原理如圖1 所示，該監測系統硬件實物如圖2 所示。 圖2 監測系統硬件實物圖 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、系統硬件設計與實現 本系統用到熱電偶1 個（檢測環境溫度），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 來實現對傳感器輸出信號的前置調理工作。 本監測系統一個突出的特點就是同時使用了不同種類的11 個傳感器進行數據采集。這一功能的實現，得益于SCXI 模塊強大的信號調理能力，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，這是本系統硬件部分順利達到預期目的的關鍵。 四、系統軟件設計與實現 軟件界面如圖4 所示。 圖4 虛擬橋梁監測系統界面 本次設計的程序可分為7 個模塊：數據記錄模塊、數據分析模塊、遠程數據傳送和共享模塊。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，根據需要記錄相關數據。其中，自動記錄以速度信號觸發( 閾值由用戶設定)，并可記錄觸發信號前1000 個數據點。另外，用戶還可根據需要向異地用戶傳輸數據（使用DataSocket 方法）。用戶也可以隨時將已記錄數據提取出來觀察、分析。 NI 公司的LabVIEW 是本系統設計的軟件平臺，它所具有的圖形化編程特點以及簡便易行的數據顯示、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據的預期要求，同時還達到了方便用戶的目的。LabVIEW 自帶的多路遠程實現方式很好地解決了遠程傳輸多路數據的問題。 五、系統的模型橋試驗驗證 利用實驗室的模型橋，對系統進行試驗驗證。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，還進行了遠程數據傳輸試驗。 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，各傳感器測量數據與各個傳感器布置位置相符，證明此系統可以完成橋梁的靜載監測。 選取一組東在數據進行分析（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，測量數據與各個傳感器分布位置相符，表明此系統可以完成橋梁的動載監測。 利用實驗室的網絡條件，還進行了多次遠程數據傳輸實驗。在遠端客戶機上，均能夠接收到相關數據。證明此系統可以完成橋梁監測數據的遠程傳輸任務。 圖5 中央橋面靜載試驗數據 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據 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 本系統具有支持多傳感器信號輸入，支持數據遠程傳輸和共享，具備自動記錄、數據保密等附加功能，PXI 模塊集成度高、機械及電氣性能好等特點。可以完成對橋梁動載、靜載的監測任務，同時能夠將監測數據遠程共享，達到了預期設計目標。同時，積累了多傳感器在橋梁監測中運用的經驗，可以為將來的實際橋梁監測提供參考。另外，本系統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。 |
