遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)長(zhǎng)島鐵路高架道路結(jié)構(gòu)健康

　　在驗(yàn)證結(jié)構(gòu)狀態(tài)上，我們?yōu)榭蛻魩砹爽F(xiàn)代以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)及基于網(wǎng)絡(luò)連接，而在數(shù)據(jù)收集方面，我們能夠享有堅(jiān)固、可靠、低成本和可重復(fù)編程CompactRIO系統(tǒng)所帶來的裨益。

　　背景

　　工程師使用結(jié)構(gòu)振動(dòng)來評(píng)估許多建筑和機(jī)器的狀況，包括建筑物、橋梁、水壩、高塔、起重機(jī)和托架。 盡管多年來我們已經(jīng)都使用了一定工具來監(jiān)控結(jié)構(gòu)振動(dòng)，但是這些工具所收集到數(shù)據(jù)不是保真度高卻持續(xù)時(shí)間短的波形，就是持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)卻在頻段上有功率失真的測(cè)量結(jié)果。 許多結(jié)構(gòu)只有在環(huán)境力量，例如風(fēng)、車輛活動(dòng)，附近的建筑，或者如地震和龍卷風(fēng)存在等隨機(jī)事件的情況下發(fā)生振動(dòng)才有意義。 因此，數(shù)據(jù)采集在這些情況下都必須保持活躍。

　　得益于存儲(chǔ)容量、處理器速度和寬帶無線通信技術(shù)上的最新進(jìn)展，我們可以長(zhǎng)期采集高保真波形。 我們還可以與匯聚了多個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)數(shù)據(jù)的主機(jī)進(jìn)行通訊，從而提供永久的數(shù)據(jù)收集以及高級(jí)分析和報(bào)告功能。

　　結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估的領(lǐng)導(dǎo)者STRAAM公司和作為Select National Instruments Alliance Partner的Viewpoint Systems，合作開發(fā)了可在室外和其他較難接近的地方上運(yùn)作的系統(tǒng)，它同時(shí)還保持了可用的基于PC的解決方案的能力。 最終，我們生產(chǎn)出了STRAAM SKG CMS™系統(tǒng)的增強(qiáng)版本，安裝在長(zhǎng)島鐵路橋上。

　　系統(tǒng)要求
　　系統(tǒng)需要執(zhí)行下列運(yùn)作：

• 從加速度計(jì)以及其他環(huán)境傳感器上收集數(shù)據(jù)
• 以完全采樣率在本地存儲(chǔ)數(shù)周的數(shù)據(jù)
• 實(shí)時(shí)分析自定義數(shù)據(jù)
• 定期將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)布至主機(jī)
• 按要求將波形上傳至主機(jī)
• 提供堅(jiān)固、重量輕、高性價(jià)比以及可靠的OEM部署
• 涵蓋靈活的架構(gòu)來應(yīng)對(duì)未來的挑戰(zhàn)
• 確保安全的用戶訪問控制

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　我們選擇了一個(gè)基于NI CompactRIO平臺(tái)和動(dòng)態(tài)信號(hào)采集(DSA)C系列模塊的系統(tǒng)。 CompactRIO和相關(guān)C系列信號(hào)調(diào)理模塊的工作溫度范圍為-40至70℃，是大多數(shù)安裝地點(diǎn)的典型環(huán)境極值。 此外，CompactRIO控制器沒有移動(dòng)部件，增加了發(fā)生故障的平均間隔時(shí)間，并確保它可以承受在運(yùn)輸和安裝過程中的物理操作不當(dāng)。 在軟件方面，我們決定采用NI LabVIEW Real-Time模塊和LabVIEW FPGA模塊?？紤]到基本信號(hào)的采集，以及一些自定義抗混疊濾波允許低于動(dòng)態(tài)信號(hào)模塊(DSA)性能的采樣率，我們采用了LabVIEW FPGA?！　?/p>

 

　　數(shù)據(jù)采集與過濾

　　DSA模塊通過由STRAAM提供的特殊傳感器獲取加速度信號(hào)，輸出有關(guān)傾斜和加速度的信息。 由于大型結(jié)構(gòu)在低頻率產(chǎn)生共振，因此，這些傳感器具有極低的噪聲、高度的動(dòng)態(tài)范圍和低頻響應(yīng)十分重要，從而可在小于1 Hz情況下收集有關(guān)結(jié)構(gòu)的信息。 低頻率范圍和長(zhǎng)期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的特點(diǎn)必須結(jié)合起來，以創(chuàng)造每秒200個(gè)樣本 (S/s)的最大的數(shù)據(jù)采集率。 由于擁有delta-sigma轉(zhuǎn)換技術(shù)，NI 9239的采樣速度并不慢，因此我們基于可編程門陣列(FPGA)以2000 S/s速度進(jìn)行采樣并使用低通數(shù)字濾波來產(chǎn)生速率為200S/s的抗混疊信號(hào)。通過抽取獲得的簡(jiǎn)單二次抽樣會(huì)違反Nyquist準(zhǔn)則。我們使用LabVIEW 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具包生成了28抽頭的無限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器，其3dB下降節(jié)點(diǎn)是采樣率的0.8倍，阻帶衰減大于90dB.數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具包包括自動(dòng)生成代碼的工具，可將濾波器部署至FPGA。 我們精心選擇定點(diǎn)運(yùn)算，以確保操作正確，從而避免過度使用FPGA資源。 最終的濾波器是一個(gè)帶4位尾數(shù)的24位定點(diǎn)數(shù)解決方案?！　?/p>