概览

1 对建筑物结构的现场测试和监测，给传统的数据采集和记录设备带来了严峻的挑战。而不管是作为用于建筑物诊断研究的便携式结构测试系统，还是永久安装用于长期性能和健康状况监测，美国国家仪器公司都为开发和部署建筑物结构健康测试(SHM)解决方案的结构工程师们，提供了集性能、可靠性和多功能于一身的测量系统。

1. 长期监测与便携式测试比较

      现场结构监测和测试应用大致可以分为两类：持续监测和便携式测试。

   长期持续监测系统在一个很长的时间段内——几个月、几年或永久，收集建筑物的数据。持续监测系统在这段很长的时间内，不断提供关于建筑物的健康、状态和疲劳特性或日常运行等的信息。因为系统通常持续工作在无人且远程的环境下，所以需要进行高可靠性和远程操作方面的优化。

     便携式测试系统则是暂时安装在建筑物上，用于评估建筑物或部件当前的状态。例如，应变系统可以安装在大桥上在一天时间内测量额定负荷，或者通过振动系统采集振动的幅度和频率，用于诊断研究。对于便携式测试系统而言，快捷简单的配置及与笔记本电脑间的简单互联是非常重要的特性。

     针对这些应用类型，NI公司提供了若干种高效的解决方案。本文章将着重介绍长期持续监测的应用平台NI CompactRIO和用于便携式结构测试的高效无线解决方案NI Wi-Fi DAQ。

2. 用于结构应用的传感器和测量方法

    建筑物结构监测和测试中最常见的测量方法是应力和振动测量，应力测量通常使用箔式电阻应变片，并采用全桥、半桥或四分之一桥的配置。动态振动采集通常使用内建有电荷放大器的压电加速度计，它也称为IEPE加速度计。伺服系统、力平衡，及加速度计通常使用在地震监测应用中。

     结构监测系统中的其它传感器，包含用于测量位移的线性电压差分变换器(LVDT)和弦线电位计、倾斜和裂缝传感器、用于温度测量的热电偶和热电阻(RTD)及其它用于湿度、风速和方向的环境传感器。

    美国国家仪器公司的C系列模块是一种紧凑便携式的测量I/O模块，它具有很高的可连接性，并集成信号调理和A/D变换器，可以直接连到建筑物结构监测应用的传感器上。C系列模块可以使用在多个测量平台上，包扩CompactRIO、NI CompactDAQ、Wi-Fi DAQ和USB等。C系列模块可以满足动态测量需求，利用精确、低噪声的24位A-D技术，应力和加速度信号的采样率可以高达每通道50kS/s。实际上，除了应力和振动传感器，C系列模块还可直接连接建筑物结构测试和监测所需的任意传感器，包含位移传感器、热电偶、RTD和其它环境传感器。若需要了解C系列I/O模块的完整清单，请查阅C系列兼容设备列表。

3.  用于便携式结构测试的无线DAQ

     对于临时的或更为短期的建筑物结构测试应用，如实时路面测试和结构诊断等，快速安装和拆卸功能是非常重要的。无线DAQ系统不需要在仪器和数据采集的PC机间布线，在各种各样的结构测试应用中节省了时间和预算的花费。

   NI公司的Wi-Fi 数据采集产品将 C系列模块的数据采集功能和高性能标准无线通信技术结合起来，它通过标准的IEEE 802.11b/g无线技术，实现可靠、实时的动态应变、振动和音频/噪声传感器的数据采集。Wi-Fi DAQ设备还拥有1个10/100M的有线以太网端口(IEEE 802.3)和用于其它天线配置的可拆除天线，该设备可以使用9-30V的直流电源和电池供电。

      Wi-Fi DAQ产品可以使用NI Measurement & Automation Explorer (MAX)工具方便地配置，而且可以用标准的NI-DAQmx测量服务软件进行编程。这使得它可以很容易的集成到LabVIEW、LabVIEW Signal Express、NI LabWindows™/CVI或其它开发系统中去。

4.  用于长期持续监测的坚固耐用的嵌入式系统

     作为对桥梁、建筑物、体育馆和其他大型结构性建筑进行长期维护的关键，持续的实时监测数据至关重要。这些应用需要坚固而智能化的数据采集系统，要求可以无人值守而可靠工作，并且不牺牲测量的性能或多功能特性，最终得到可靠而准确的传感器数据。

    CompactRIO是一种高级嵌入式数据采集和控制系统，专为需要高性能和可靠性的应用而设计。它具有开放的嵌入式构架、坚固耐用、小尺寸和灵活等特性，结构工程师们可以很容易的进行定制并部署可靠的系统，用于所需的结构监测应用。CompactRIO可以被LabVIEW软件完全无缝支持，同时继承了C系列测量模块可与各种传感器连接的功能。

嵌入式智能与数据存储

   长期持续监测应用要求系统在很长的时间段内，能够独立而可靠地运行。这就需要一个实时的嵌入式系统，可以采集传感器数据、将数据在本地进行存储，并且周期性地将数据发送到主机系统。这种系统在无人情况下独立工作的能力，可以保护传感器免受网络中断或PC机系统故障的影响。

   CompactRIO包含了实时嵌入式处理器，可以进行独立、可靠的工作，并具有多种本地数据存储的方法，如内建的非易失性flash存储(高达2GB)、可移动SD存储卡(通过C系列NI9802模块)或者USBflash驱动器。通过LabVIEW图形化编程工具编程，CompactRIO系统可以方便而定制化地完成特定的数据采集、内嵌数据分析和处理、数据存储或通信等SHM应用的需求。

在恶劣环境下的耐用性和可靠性

    许多数据采集产品被设计为使用在可控的实验室环境中，而不是在桥梁、大坝等所处的恶劣环境状况下的。在这些现场环境下使用实验室级别的设备，通常需要昂贵而体积巨大的环境控制装置。

     CompactRIO等坚固耐用的系统，有着扩展的工作温度范围(-40到70 oC)和高级别的抗撞击和震动承性能，是安装在桥梁及其它户外建筑上的理想解决方案。

 远程通信和连接

    对于需要监视的建筑物如桥梁等，通常不包含通信或网络等基础设施，所以监控系统常常需要具备远程通信能力。现在，大多数流行的远程通信方法包括Wi-Fi(需要主控PC机位于附近)或者蜂窝数据(诸如CDMA、GSM/GPRS、EDGE等)。其它通信方式包含专用的远距离无线电和卫星通信。

     通过完备的通信协议和功能，CompactRIO简化了与第三方通信设备、调制解调器的集成。CompactRIO包含了TCP/IP、UDP、Modbus/TCP和串行协议等函数库，用于进行通信编程。同时，CompactRIO还含有内建的HTTP和FTP服务器，可以轻松实现Web浏览和Internet访问。

 同步化的分布式测量

   监视建筑物结构健康涉及到分布在广阔区域里的大量的传感器。分布式测量系统使用多种网络化数据采集设备，每台设备连接一组传感器，这样可以极大的减少传感器电缆的数量，简化系统安装。然而由于多数健康监测系统都需要可靠的系统级参考时钟，因此分布式系统必须能够在整个结构体内精确而可靠的进行同步地传感器测量。但是多数通信网络不能提供这种同步功能，更为高级的系统可以使用GPS或其它确定性网络技术用于整个系统的同步。

  例如，CompactRIO可以使用GPS接收器在整个桥梁、体育馆或其他大型结构体上对测量进行同步。若需了解更多信息，请查阅《实现高通道数和分布式SHM应用的同步技术简介》。

5.  软件

    软件是SHM系统中至关重要的部分。无论是在结构体上进行便携式测试，还是部署长期监视系统，都必须要考虑数据采集、数据记录、实时处理和控制、通信、数据可视化显示和报表、后端数据处理和管理等应用需求。

 应用程序开发环境和数据记录软件

    LabVIEW是工业标准的图形化设计环境和编程语言，它提供了图形化的方法对代码进行直观显示，进而提高编程效率。与传统文本编程语言相比，LabVIEW的图形化设计方法借助于并行化计算和更短的学习曲线，极大改善了程序的性能。图4显示了采集并显示多个波形和同步图像显示的LabVIEW应用程序。

图4. LabVIEW图形化开发环境提供了强大的图形和可视化工具，用于自定义的用户界面和数据显示(图像由Wiss, Janey, Elstner等同事授权使用).

   LabVIEW图形化编程开发环境兼容多种计算平台，其中包含了嵌入式控制器如CompactRIO等。因此，借助于LabVIEW丰富的功能，用户可以通过LabVIEW Real-Time软件和CompactRIO开发出个性化的高性能嵌入式监测系统。

   LabVIEW还包含了大量基于配置步骤或向导的Express VI，这些简化了测量、高级分析和将数据保存到磁盘等。同时，您还可以将本文前面章节中讨论的Wi-Fi DAQ产品与LabVIEW SignalExpress(用于LabVIEW Express VI和数据记录的交互式环境)配合使用。LabVIEW SignalExpress是单独的应用程序，它扩展了LabVIEW Express技术的使用范围，并包含在LabVIEW软件安装包中。图5显示了LabVIEW SignalExpress环境中扩展的LabVIEW Express技术。

图5.LabVIEW SignalExpress将LabVIEW Express技术扩展成易于使用并具有数据记录功能的交互式环境

6.  高级分析和信号处理

    NI公司的软件中包含了数百种内建的信号处理和分析算法，为你的应用提供了各种专用的算法。用于建筑物结构和地震监测的分析算法包括：

· 快速傅立叶变换(FFT)、功率谱、功率谱细化分析算法和频率响应

· 平均、滤波和加窗

· 完全和分数、倍频程分析

· 雨流法

· 峰值和均方根检测

    同时，NI公司的软件中还包含了高级可视化技术，用于快速显示和分析高级处理技术。图6展示了NI公司软件中的一些高级处理和可视化功能。

 强大的数据管理技术

    30多年来，工程师和科学家们一直使用NI公司的软硬件来生成技术数据，而很少考虑数据采集后如何处理。事实上，特别是在建筑物结构和地震监测应用中，这些数据是非常有价值的。如在建筑物结构和地震监测中，需要记录的瞬时事件是不容易重现的，而在地震事件中则是不能够重现的。为了改变这一现状，美国国家仪器有限公司提供了三级式数据管理解决方案，该方案拥有灵活有序的文件存储、全面的搜索功能和交互式后端数据处理环境。

    对应于三种需求，NI技术数据管理(TDM)解决方案包含了三部分：用于存储测试描述信息的TDM数据模型文件、用于搜索和挖掘测试数据(与文件格式无关)的NI DataFinder以及用于分析和报表的NI DIAdem软件。若需了解更多关于NI数据管理解决方案的信息，请访问ni.com/diadem或本电子资源包中的内容。

图7. NI DIAdem提供了交互式环境，用于海量数据的后续处理，如自动生成报表、高级分析和数据可视化功能等。

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来 源：仪器仪表商情网

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