結構測試與安全監控適用的新技術

結構安全監控整合多種實體感測與量測技術，搭配持續的遠端處理作業，可擷取、記錄，並持續分析即時資料。由於所監控建築的體積與結構複雜度各有不同，使用者必須相當熟悉感測技術、多重系統同步化、結構動態、資料管理與分析等多種領域。本文將討論結構測試與結構安全監控的四種關鍵技術，以及 NI 將這些技術整合到其解決方案的方式。

• 多模式感測器系統
• 可靠的精確訊號處理
• 分散式量測系統
• 軟體技術

在結構測試與監控的研究及技術發展方面，感測器技術是最活躍的領域之一。而 SHM 系統整合了多種感測器，並且能持續擴充其他感測器技術。目前多數 SHM 系統使用應變規、振動或加速規感測器、位移感測器，來追蹤結構的壓力或移動。這些系統通常還包含用於環境或天氣監控的感測器。還有幾種新興的感測器技術使用非破壞性測試 (NDT) 方式 (例如噪音測試)，直接偵測結構是否有瑕疵。另外，採用光纖技術的感測器由於發展日趨成熟，使用這類感測器的人也越來越多。部分結構工程師甚至發現，將影片內容 (一般是流量的影片) 整合到結構監控系統相當實用。

SHM 系統能夠靈活調整並包容數種類型的量測方式與感測器技術，對結構工程師來說相當有幫助。另外，系統的模組化也非常重要，如此才能在需求增加時增添新的量測方式。最後，這些系統的可擴充性越高，就能更輕鬆地在實驗室中設計解決方案、再套用至可攜式短期量測裝置，最終部署到現場。

       圖 1. 用於結構監控的感測器技術

NI 資料擷取平台除了擁有同級最佳的量測品質，還提供一系列涵蓋多種感測器與訊號的量測方式。能夠任意增減量測方式這一點相當實用，對於未來需求會變更的使用者更是如此。所有平台均使用 NI LabVIEW 軟體程式化，因此軟體能隨著實驗室到現場而擴充功能。

結構監控與測試方面最常見的量測作業是應變與振動。應變量測作業通常會以配置為全、半或 1/4 橋接設定的電阻式金屬箔應變規來進行。壓電式加速規內建電荷放大器 (通常是指 IEPE 加速規)，一般用於動態振動資料擷取作業。伺服或力平衡式加速規通常用於地震活動記錄應用。其他固定會整合到結構監控系統中的感測器，還包含用於位移量測的線性差動變壓器 (LVDT) 與弦絲電位計、傾斜與裂隙感測器、用於溫度量測的熱電偶與電阻溫度偵測器 (RTD)，以及其他用於偵測濕度與風速和風向的環境感測器。

為獲得最佳品質的量測結果，您不僅需要考量感測器量測作業所需的數種條件，也需要顧及用於儀器控制的數種類比元件，包括類比數位轉換器 (ADC)。

圖 2.   適用於感測器量測的訊號處理功能

ADC 會接收類比訊號，並將該訊號轉換成二進位數值。因此，ADC 顯示的二進位數值代表特定的電壓準位。ADC 無需檢查類比訊號實際的電壓準位，即可顯示最接近的電壓準位數值。解析度是指 ADC 可用來呈現訊號的二進位準位的數量。若要根據解析度來判斷二進位準位的數量，只需要採取 2^解析度即可。因此解析度越高，呈現訊號的準位就越多。圖 3 代表 12、16、24 位元的 ADC 以數位方式顯示訊號。現在對於靜態與動態應用程式，您可以使用 24 位元技術來進行極度準確的量測作業。

圖 3. 16 位元與 24 位元解析度比較

NI C 系列體積精巧的量測與 I/O 模組整合連接性、訊號處理與 A/D 轉換功能，可直接連接結構感測器。您可以在數種平台上運用這些模組，包括 NI CompactDAQ、CompactRIO、Wi-Fi 資料擷取 (DAQ) 與 USB。C 系列模組所提供的應變規與加速規採用準確、低噪的 24 位元 A/D 技術，擷取率最高達每個輸入通道 50 kS/s，因此能滿足各種動態量測需求。除了應變與振動量測作業之外，您還可以將這些模組應用於結構測試與監控所需的任何感測器，包括位移感測器、熱電偶與 RTD。如需完整的 C 系列 I/O 模組清單，請參閱 C 系列相容表。

圖 4. C 系列模組可直接連接結構監控與測試感測器。

在橋樑、大樓、體育場及其他大型建築物的長期維護方面，對於即時結構性能資料的持續監控日趨重要。這些應用的條件極為嚴苛，需要能夠在無人的遠端位置穩定運作，且保有高水準量測效能與多功能、堅固耐用的智慧型資料擷取系統，才能提供準確可靠的感測器資料。

NI CompactRIO 採用先進的嵌入式資料擷取與控制系統，可用於高效能與高穩定性的應用。這套系統具有開放的嵌入式架構，同時具備堅固耐用、體積輕巧與靈活等特性，即便是條件嚴苛的結構監控應用，也可以輕易客制化並部署穩定的系統。CompactRIO 採用 LabVIEW 技術，並整合廣泛的 C 系列感測器介接功能。

圖 5. CompactRIO 系統提供堅固耐用的嵌入式資料擷取與控制解決方案，可供進行長期的結構監控作業。

嵌入式智慧與資料儲存

長期的持續監控應用，需要能夠長時間穩定獨立運作的系統。要滿足這種條件，就需要能夠擷取感測器資料、將資料記錄到本機並定期傳輸資料到主機系統的即時嵌入式系統。而能夠在無人環境獨立運作的系統，才能避免重要的感測器資料受到網路中斷或 PC 系統故障所影響。CompactRIO 整合嵌入式即時處理器，提供穩定的獨立運作能力與多種本機資料儲存方案，包括內建的非揮發性快閃儲存裝置 (最高達 2 GB)、可移除式 SD 記憶卡 (透過 NI 9802 C 系列模組提供) 或 USB 隨身碟。CompactRIO 系統透過 LabVIEW 圖形化程式設計工具進行程式化，可輕鬆客制化，以便執行 SHM 應用所需的特定資料擷取、行內資料分析與處理、資料儲存或通訊等作業。

遠端通訊與連線

一般如橋樑等受監控的結構不會配置通訊或網路基礎設施，因此監控系統通常需要具備遠端通訊功能。目前最熱門的遠端通訊方式包含 Wi-Fi (如果主機電腦架設在附近的話) 或行動資料 (例如 CDMA、GSM/GPRS、EDGE 等)，其他方式還有專屬長程無線電與衛星通訊。CompactRIO 提供一整套通訊協定與功能，可以簡化與第三方通訊裝置和數據機的整合過程。針對程式化通訊，CompactRIO 也囊括了適用於 TCP/IP、UDP、Modbus/TCP 與序列協定的函式庫。此外，CompactRIO 還提供 HTTP 與 FTP 的內建伺服器，可以輕鬆存取網路瀏覽器和網際網路。

同步化的分散式量測

監控結構狀態作業很可能需要大範圍的分散式感測器。而使用多重網路資料擷取裝置且各裝置均連接一群感測器的分散式量測系統，可以大幅降低感測器接線需求，同時有效簡化安裝作業。但由於多數安全監控系統需要穩定的全系統時序參考，因此分散式系統必須能夠將整個結構的感測器時間準確穩定地同步化。雖然多數通訊網路不具備這類同步化功能，但較先進的系統可以使用 GPS 或新的精確網路連線技術，進行全系統同步化。例如，CompactRIO 就可以使用 GPS 接收儀來同步化整座橋樑、體育場或其他大型建築物的量測作業。

軟體是 SHM 系統中相當關鍵的元件。無論是針對結構執行可攜式測試，或是部署長期監控系統，在軟體應用方面，都需要考慮到行內與離線資料分析、易用性以及資料後處理與管理等方面的需求。

簡單易用又強大的圖形化程式設計

圖形化程式設計是一種新的應用開發方式，由於圖形化符號顯示設計相較於純文字的程式碼更具操作直覺性，因此能大幅縮短學習時間。您可以透過互動式面板、對話方塊、選單與數百種名為 VI (虛擬儀器) 的函式方塊，存取各種工具與函式，並且直接將這些 VI 拖曳到圖表中，即可定義應用的功能。這種點擊方式相當有效率，能讓初始設定到開發出最終解決方案的時間大幅縮短。

LabVIEW 是一種備受肯定的圖形化程式設計環境，可協助工程師與科學家開發出測試、控制與量測等應用。LabVIEW 內建支援多執行緒與平行程式設計、互動式執行與除錯，以及針對高階應用設計的工具，能讓您在 SHM 應用上達成更多目標。圖 6 顯示 LabVIEW 應用正在擷取與顯示數種波形，同時顯示同步化的影像。

圖 6. LabVIEW 圖形化開發環境提供強大的圖形與視覺化工具，能讓您快速開發專業的使用者介面。

LabVIEW 圖形化程式設計開發環境相容於數種運算平台，包括如 CompactRIO 等嵌入式控制器。因此，您可以運用 LabVIEW 豐富的功能組合，透過 LabVIEW Real-Time Module 與 CompactRIO，開發出客制化的高效能嵌入式監控系統。

此外，LabVIEW 還提供 Express VI，這些設定式步驟或精靈可簡化量測、進階分析執行與儲存資料到磁碟等作業。 

資料分析

SHM 應用的三大步驟，就是預先處理擷取的資料、針對資料分析套用數值法與演算法，以及執行開/閉迴路模擬以驗證模型與實際資料。

透過 LabVIEW 內建的 VI 來過濾、取樣與分窗，即可輕鬆預先處理資料。 有了 LabVIEW 設計的振動分析與進階訊號處理工具組，就能使用最新的數值法與演算法處理 SHM。

此外，執行更多模擬與線上僅限輸出參數評估作業的需求日益增加，加上這在以單一整合步驟即可擷取並分析準靜態與動態訊號的其他應用領域，也是一種趨勢，LabVIEW 能滿足這方面的需求。由於 LabVIEW 支援開/閉迴路模擬以及硬體迴路 (HIL) 模擬，您只要使用一種方法即可進行資料擷取與分析作業。

圖 7. NI 多種軟體組合均提供進階分析演算法。

NI 軟體還提供數百種內建的訊號處理與分析演算法，能滿足各種結構工程需求。其中幾個適用於結構與地震活動監控的分析演算法，包含下列功能：

• 快速傅利葉轉換 (FFT)、功率頻譜、變焦功率頻譜，與頻率響應
  
• 均分、過濾與分窗
  
• 完整和部分的八度音分析
  
• 雨流 (Rainflow) 分析
  
• 峰值與均方根 (RMS) 偵測

此外，NI 軟體還提供進階的視覺化技術，能快速顯示並分析進階的處理技術。

資料管理

30 多年來，工程師與科學家都使用 NI 軟硬體來生產技術資料，幾乎不太需要顧慮事後的資料處理。事實上，這類資料相當昂貴，在結構與地震活動應用上更是如此。在結構與地震活動監控領域，需要記錄的暫態活動並不容易複製 (如果有的話)，就跟地震活動一樣。為了修正此問題，NI 提供了三階段資料管理解決方案，這種解決方案具備靈活且有條理的檔案儲存方式、完整的搜尋功能，以及互動式後處理環境。

圖 8. NI Technical Data Management (TDM) 解決方案包含資料檔案、NI DataFinder 與 NI DIAdem。

為了對應這三種需求，NI Technical Data Management (TDM) 解決方案包含了以下三種元件：用於連同測試檔案儲存說明資訊的 TDM 資料模型、用於搜尋與發掘任何檔案格式的測試資料的 NI DataFinder，以及用於分析與報表製作的 NI DIAdem 軟體。 

圖 9. DIAdem 提供有助於針對大型資料集進行後處理的互動式環境，包括自動產生報表、進階分析，以及資料視覺化功能。

本文討論結構測試與安全監控領域的四種關鍵技術：多模式感測器系統、精確訊號處理、分散式量測系統，與軟體；以及 NI 將這些技術整合至解決方案的方式。