面向结构测试和健康监测的新技术

结构健康监测将各种物理传感和测量技术与持续远程处理相结合，以捕获实时数据，将其记录到历史记录中，并持续进行分析。由于受监测结构具有一定规模和复杂性，您必须精通多门学科，包括传感技术、多系统同步、结构动力学以及数据管理和分析等。本文将探讨结构测试和结构健康监测的4项关键技术，以及NI将其纳入解决方案的方式。

• 多模式传感器系统
• 稳健、精确的信号调理
• 分布式测量系统
• 软件技术

传感器技术是结构测试和监测研究与技术进步中最活跃的领域之一。SHM系统集成了各种传感器，而且传感器技术的选择也在不断增多。当前，大多数SHM系统都使用传感器（如应变计、振动或加速度传感器和位移传感器）来跟踪结构的应力或移动。此外，这些系统通常还包含用于监测环境或天气的传感器。一些新兴的传感器技术采用声发射检测等无损检测(NDT)方法，来直接检测结构中的缺陷。随着光纤技术的不断发展和成熟，基于该技术的传感器也得到越来越多的应用。某些结构工程师甚至发现，将视频图像（通常是交通图像）整合至结构监测系统将大有成效。

从结构工程师的角度来看，SHM系统若能够适应并容纳几种此类测量类型和传感器技术，将会大有裨益。模块化对系统来说也很重要，可以随着需求的增加而添加测量功能。最后一点，这些系统的可扩展性越强，就越容易在实验室中设计出解决方案，用于可移植短期测量，并最终在现场部署。

      图1. 面向结构监测的传感器技术

NI数据采集平台不但可以提供卓越的测量质量，而且测量范围广泛，能够涵盖各种传感器和信号。能够增加和减少测量是一种巨大的优势，特别是当需求彻底发生变化时，这一优势会更加凸显。所有的平台都使用NI LabVIEW软件进行编程，因此从实验室到现场，软件都可实现扩展。

对于结构监测和测试，最常见的测量是应变和振动。应变测量通常使用全桥、半桥或1/4桥配置的箔式电阻应变计完成。带有内置电荷放大器的压电加速度计（常被称为IEPE加速度计）通常用于动态振动采集。伺服（或力平衡）加速度计通常用于地震记录应用。结构监测系统通常使用的传感器还包括用于位移、倾斜和裂缝传感器的线性电压差动变压器(LVDT)和弦丝电位器，用于温度测量的热电偶和电阻式温度检测器(RTD)，以及用于湿度、风速及风向检测的其他环境传感器。

要获得卓越的测量质量，需要考虑传感器测量所需的几种调理类型，以及仪器中使用的几种模拟组件（包括模数转换器[ADC]）类型。

图2.   针对传感器测量的信号调理

模数转换器会接收模拟信号并将其转化为二进制数字。因此，来自模数转换器的每个二进制数字都代表一定的电压电平。模数转换器在不超过模拟信号实际电压电平的情况下，返回尽可能高的电平。分辨率是指模数转换器可用于表示信号的二进制电平数。基于分辨率的可用二进制电平数等于2^分辨率。因此，分辨率越高，表示信号的电平就越多。图3所示为12位、16位和24位模数转换器对信号的数字化表示。现在，您可以在静态和动态应用中，使用支持非常精准测量的24位技术。

图3. 16位和24位分辨率对比

NI C系列紧凑型测量和I/O模块集成了连接、信号调理和A/D转换功能，可直接连接结构传感器。它们可用于多个测量平台，包括NI CompactDAQ、CompactRIO、Wi-Fi数据采集(DAQ)和USB。C系列模块采用精准、低噪声的24位A/D技术，每个输入通道的应变和加速度计采集速率高达50 kS/s，可满足动态测量的需求。除了应变和振动，您还可以将这些模块用于结构测试和监测所需的各类传感器，包括位移传感器、热电偶和RTD。请参阅C系列兼容性图表，获取有关C系列I/O模块的完整列表。

图4. C系列模块可直接连接结构监测和测试传感器。

持续监测实时结构性能数据正在成为桥梁、建筑、体育场馆和其他大型结构长期维护的关键策略。在此类应用中，需要使用坚固耐用的智能数据采集系统，这些系统可以在不影响测量性能或多功能性的前提下，在无人值守的远程位置可靠地运行，以提供可靠、精准的传感器数据。

NI CompactRIO是一款先进的嵌入式数据采集和控制系统，专为需要高性能和高可靠性的应用而设计。凭借该系统的开放、嵌入式架构，以及坚固耐用、尺寸小巧和灵活的特点，您可以为要求严苛的结构监测应用轻松自定义和部署可靠的系统。在LabVIEW的支持下，CompactRIO集成了大量的C系列传感器连接功能。

图5. CompactRIO系统可为长期结构监测提供坚固耐用的嵌入式数据采集和控制解决方案。

嵌入式智能数据存储

持续的长期监测应用需要借助能够长期、可靠地独立运行的系统。这需要通过实时嵌入式系统来实现，该系统能够采集传感器数据，将数据记录在本地，并定期将数据传输到主机系统。系统如果能够在无人值守的情况下独立运行，就可以保护有价值的传感器数据免受网络中断或PC系统故障的影响。CompactRIO中含有一个嵌入式的实时处理器，可实现可靠的独立运行，同时提供多种本地数据存储选项，包括内置的非易失性闪存（高达2 GB）、可移除的SD内存卡（通过NI 9802 C系列模块连接）或USB闪存驱动器。CompactRIO系统使用LabVIEW图形化编程工具进行编程，可以轻松进行自定义，以执行特定的数据采集、在线数据分析和处理、数据存储或SHM应用所需的通信。

远程通信和连接

由于桥梁等受监测的结构一般都不含通信或网络基础设施，监测系统通常需要具备远程通信功能。当今常用的远程通信方法为Wi-Fi（如果主机PC位于附近）或蜂窝数据（如CDMA、GSM/GPRS、EDGE等）。其他方法包括专有的远距离无线电和卫星通信。CompactRIO拥有一套通信协议和功能，能够简化与第三方通信设备和调试解调器的集成。为了实现可编程式通信，CompactRIO纳入了TCP/IP、UDP、Modbus/TCP和串行协议库。此外，CompactRIO还含有适用于HTTP和FTP的内置服务器，便于轻松访问Web浏览器和互联网。

同步的分布式测量

监测结构的健康状况可能会涉及分布在较广范围内的大量传感器。分布式测量系统使用多个联网的数据采集设备，每个设备都连接到一个传感器簇，可以很大程度上减少传感器的布线量，并大大简化安装过程。然而，由于大多数健康监测系统需要覆盖全系统的可靠时间参考，分布式系统必须能够在整个结构中准确、可靠地实现传感器测量的时间同步。虽然大多数通信网络不提供这种同步功能，但更先进的系统可以使用GPS或新的确定性网络技术来实现全系统同步。例如，CompactRIO可以使用GPS接收器来同步整个桥梁、体育场馆或其他大型结构的测量。

软件是SHM系统的重要组成部分。无论是在结构上进行可移植性测试，还是部署长期监测的系统，都要考虑软件的应用需求，包括在线和离线数据分析、易用性以及数据后处理和管理。

简单而强大的图形化编程

作为一种较新的应用程序开发方法，图形化编程显著降低了学习难度，因为图形化表达是比基于文本的代码更直观的设计符号。您可以通过交互式选板、对话框、菜单和数百个名为VI（虚拟仪器）的功能块来访问各种工具和功能。然后，您可以将这些VI拖放到程序框图上，以定义应用程序的行为。这种即点即用的方法可缩短从初始设置到最终完成解决方案所需的时间。

LabVIEW是一个经验证的图形化编程环境，专为开发测试、控制和测量应用程序的工程师和科学家而设计。凭借对多线程和并行编程、交互式执行和调试的内在支持，以及特定于应用的高级工具，LabVIEW可以帮助您在SHM应用中完成更多的工作。图6显示了LabVIEW应用程序采集并显示数个波形和同步图像的情况。

图6. LabVIEW图形化开发环境提供了强大的图形和可视化工具，可快速开发专业的用户界面。

LabVIEW图形化编程开发环境能够与多个计算平台兼容，包括CompactRIO等嵌入式控制器。因此，您可以利用LabVIEW丰富的功能，使用LabVIEW Real-Time模块和CompactRIO开发高性能的自定义嵌入式监测系统。

LabVIEW还包含Express VI（基于配置的步骤或向导），可简化测量、执行高级分析和将数据存储到磁盘的过程。 

数据分析

SHM应用有3个重要步骤：预处理采集的数据；应用数值方法和算法进行数据分析；以及执行开环和闭环仿真，用真实的数据验证模型。

使用LabVIEW中内置的VI进行滤波、采样和加窗，您可以轻松地对数据进行预处理。 借助用于振动分析和高级信号处理的工具包，LabVIEW可以帮助您使用全新的数值方法和算法进行SHM。

此外，LabVIEW还能满足实现更多仿真和在线纯输出参数估计等日益增长的需求，这也是其他应用领域的趋势，在这些应用领域中，准静态和动态信号的采集与分析是一个综合步骤。有了LabVIEW对闭环和开环仿真以及硬件在环(HIL)仿真的支持，您就拥有了一种通用的数据采集和分析方法。

图7. 各种NI软件包都提供先进的分析算法。

NI软件还具有数百种内置信号处理和分析算法，可满足不同的结构工程需求。用于结构和地震监测的少数分析算法涉及以下内容：

• 快速傅立叶变换(FFT)、功率谱、缩放功率谱和频率响应
  
• 平均值、滤波和加窗
  
• 全倍频和分数倍频分析
  
• 雨流
  
• 峰值和均方根(RMS)检测

此外，NI软件还采用先进的可视化技术，可快速显示和分析高级处理技术。

数据管理

30多年来，工程师和科学家们一直在使用NI的硬件和软件来生成技术数据，但对数据的事后处理没做过多的考虑。事实上，数据可能非常宝贵，特别是对结构和地震应用而言。结构和地震监测中需要记录的瞬态事件（如果有的话）难以复制，正如地震事件一样。为了改变这一境况，NI提出了一种3阶段数据管理解决方案，该解决方案可实现灵活且有序的文件存储、全面的搜索功能，以及交互式后处理环境。

图8. NI技术数据管理解决方案包括数据文件、NI DataFinder和NI DIAdem。

为了满足这三种需求，NI技术数据管理(TDM)解决方案包含了三个部分：用于存储带有测试文件的描述性信息的TDM模型，用于搜索和挖掘测试数据的NI DataFinder（无论文件格式如何），以及用于分析和报表生成的NI DIAdem软件。 

图9. DIAdem可为大型数据集的后处理提供交互式环境，包含自动报表生成、高级分析和数据可视化功能。

本文介绍了结构测试和健康监测的4项关键技术（多模式传感器系统、精确的信号调理、分布式测量系统和软件），以及NI将其纳入解决方案的方式。