组合梁桥模型动应变测试系统的设计与应用

韩聪　黄天福　何南润　黎航帆

【摘 要】 以计算机、数据采集板为主要硬件，以编程语言DASYLab为软件开发平台，设计虚拟仪器动态应变测试系统。系统软件主要由数据采集模块、数据处理分析模块和数据库管理模块等构成，文中对各模块的功能进行了介绍。利用系统进行组合梁桥模型动态应变测试，操作简单方便，功能性强。

【关键词】 虚拟仪器；DASYLab；动态信号测试；组合梁桥

【中图分类号】G642.4 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）18-00-02

引言：

随着科学技术的发展，工程结构现代化水平的不断提高，人们对结构的性能要求也越来越高，结构的动态监测和故障诊断已成为我们关注的焦点。电阻应变测量在工程参量测试中极具典型性和代表性，而且应用广泛，采用相同的传感器就能够实现多种机械量参数的测量，完成多种不同的工程测试任务。

虚拟仪器（Virtual Instrument）技术的高度发展，为组建结构状态监测和故障诊断仪器提供了全新的技术手段。它通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，实现动态信号采集分析虚拟仪器系统，实现了“软件就是仪器”的理念。采集监测信号的特征信息是设备故障诊断的第一步，其次是通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理，最终对结构的当前工况及其发展趋势作出确切的判断。与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、处理能力、性价比、可操纵性等方面均具有明显的技术优势。

1 动态信号测试系统的总体结构

动态信号测试系统由硬件和软件两大部分组成，这里采用PC-DAQ体系结构组建虚拟仪器。其原因是因为PC-DAQ系统是以数据采集板、信号调理电路和计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器系统，它充分利用了主流和普及的PC机总线、机箱、电源以及丰富的软件，以极少的硬件就能形成功能完备的应变测试系统平台，这种实现方案的性价比最佳。基于PC-DAQ体系结构的虚拟式动态信号测试仪的硬件由传感器（电阻应变计）、信号调理电路（测量电桥、应变放大器）、数据采集卡（A/D板）和计算机及打印机等组成。其中传感器为电阻应变计，其作用是将被测应变ε的变化转换成应变计电阻的相对变化△R/R；信号调理则包括测量电桥、应变放大器，由于电阻难以测量，故需要用测量电桥将应变计电阻的相对变化△R/R转换成电信号，转换后的电信号很小，采用应变放大器对其进行放大及必要的滤波处理，使之达到数据采集卡DAQ的要求范围；数据采集卡将调理后的信号进行采样、量化和编码，将模拟信号转换成数字信号；转换后得到的数字信号通过接口送入计算机，由计算机对其进行分析处理，并在屏幕上显示信号的波形和测量值，根据需要还可以将数据或波形图进行存盘和打印输出。系统采用个人电脑系统，操作系统为Windows，编程语言为DASYLab。

基于数据采集DAQ的虚拟仪器系统将数据采集卡/板（DAQ）插入PC计算机的空槽中，可以方便快速组建虚拟仪器，而且价格低廉，携带方便。目前数据采集卡采样速度快，精度高，具有可靠性高、功能灵活、性能价格比高等特点。用数据采集卡配以计算机平台和虚拟仪器软件，便可构造各种测量和控制仪器。在PC计算机上挂接若干DAQ功能模块，配合相应的软件，就可以构成一台具有若干功能的PC仪器。

2 软件设计

系统软件主要由数据采集模块、数据处理分析模块和数据管理模块等构成。数据采集模块负责驱动仪器采集模拟信号，通过软件来控制和启动A/D转换，并实时监控数据的采集过程；数据处理分析模块对采集来的数据进行专业处理，实现对工程结构动态信息的特征提取；数据管理模块完成数据存储、查询、调用等功能。

2.1数据采集模块

数据采集部分在整个监测系统中占有重要的地位，采样数据的质量直接影响到后面的处理、分析和显示等功能能否正确实现。此模块主要对设备的采样参数进行设置，包括通道的选择、采样点数、采样间隔、采样频率的设置等。在此模块中通过调用动态连接库（DLL）来支持DaqBoo112数据采集板，通过调用在DASYLab中的Analog Input节点实现对信号的采集。

2.2数据处理与分析模块

动态信号测试系统的核心部分是数据处理模块。该模块的主要功能是将数据采集模块采集得到的应变信号进行分析与处理。数据处理模块主要包括标度变换、数字滤波、数据的二次处理等几个方面。测试信号分析与处理的基本问题，是为了获得测试结果而对信号进行检测、判别、参数分析、特征识别以及解决传输与储存问题而进行必要的数据压缩等。具体来说，包括信号的参数分析、频谱分析、滤波以及统计特征分析等。在信号的参数分析中，通常需要对信号的幅度、频率、周期、相位、时延等参量作出分析。在信号成分单一的情况下，参数分析的任务是设法提取参数，而在信号成分比较复杂的情况下，例如多种频率分量共存时，参数提取问题就不再是一个单一的问题，往往要结合频谱分析、统计处理以及建模分析等方法对信号进行综合处理。

频谱分析的主要目的是将信号分解成一系列单一的成分，以便弄清信号的组成，从中判别出有用的信号，并进一步分析出有用信号的特征，区分有用信号与无用信号之间、有用信号不同分量之间的相互关系。例如信号的带宽、有用信号的频率范围、干扰信号的范围与统计特性等。滤波则是在信号特征明显的基础上，借助滤波程序去掉信号中的无用量而保留有用信号，使后续信号的处理和存储更为有效和精确。频域分析处理包括幅值谱和功率谱密度函数分析。其中功率谱密度函数能将实测的复杂工程信号分解成简单的谐波分量来研究，描述了信号的频率结构。对信号进行频域分析，必须对采样信号进行时域截断，即进行加窗处理，然后才能进行快速傅立叶变换（FFT：Fast Fourier Transform）。加窗时，应根据信号的特点进行选择，以尽量减小泄漏信号的处理分析是测试系统的一个重要环节。目的是提取信号特征，分析信号、修正系统误差。本系统的信号分析处理主要从时域和频域两方面进行。

2.3数据库管理模块

数据库具有强大的数据存储、查询、调用等功能，可以给系统以强大的技术支持。为了更有效地实现数据存储和查询等功能，在DASYLab虚拟仪器开发中，采用数据库技术，它具有简单、实用、功能强大和标准化等特点。通过调用LabSQL模块实现对数据的存贮、添加、删除、查询等功能。基于虚拟仪器技术的应变测试仪的图形显示功能主要有：测试信号的时域波形显示；所测信号的统计特征值统计表显示；模拟液晶显示器的数字化显示。从界面可以清楚地了解所测信号的变化趋势，通过鼠标移动显示了不同时刻应变大小。利用功率谱可以求出系统的频率响应函数等。

3 应变测试系统的应用

3.1组合连续梁动态应变的测定

该实验模拟有移动荷载的连续梁桥，将组合梁设置为完全连续梁，开动小车产生动载荷。实验要求学生根据需要，利用DASYLAB软件，设计出虚拟测试仪器进行动态应变的采集。虚拟仪器中主要包括信号发生模块、信号处理与显示模块、信号存储与读取模块等。根据采集结果分析组合梁在移动荷载作用下的受力特征。该实验的目的：让学生了解动态应变仪的工作原理，学习其使用方法；熟悉计算机数据采集实验操作过程；掌握现代动态电阻应变测试技术。

3.2组合双悬臂梁二次冲击系数的测定

将组合梁设置为双悬臂梁，使两段梁上下相距一定距离，水平方向稍有重叠。在上悬臂梁上吊挂一定数量砝码，实验前通过支座下的插销使梁处于水平位置。实验开始时松开插销，使下方的悬臂梁受到二次冲击，要求根据测到的应变值推算二次冲击系数。

冲击载荷是在瞬间完成的，各被测参数的变化过程不能被直接测量。因此，要对冲击过程中的动应力、动应变进行测试，需借助动态测试技术。动态响应与系统的固有频率、阻尼系数等结构的动态固有参数有直接的联系，所以要求不仅要理解力学中的基本概念和原理，而且要掌握信号的静态、动态测试和高阶系统等知识，这些综合知识的应用有利于启发学生进一步思考，提高分析问题、解决问题和实际操作能力。另外在实验过程中，由学生自行推导该力学模型下动载荷系数的表达式，通过几个不同高度的冲击动应变的测试，验证理论分析结果，并分析计算结果与理论结果偏差的原因。

4 结束语

基于虚拟仪器的动态数据采集分析系统将计算机与硬件融为一体，把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合起来，使测试设备简化、数据处理精确、迅速。系统采用模块化结构，为以后添加新的功能模块提供了方便，另外，人机界面友好，操作简单，易于维护，大大提高了结构在线监测诊断水平，为今后结构的监测诊断提供了先进的分析工具。

参考文献：

[1]吴庆明，周小红，陈东等.基于虚拟仪器的多参数数据采集系统开发[J].中国仪器仪表，2005（2）

[2]李桥.虚拟仪器在医学信号检测分析实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2005（1）

[3]张晓东，李济顺，张江峰.基于虚拟仪器的转子动平衡测试系统[J].计量技术，2006（3）