基于PXI和SCXI的多传感器桥梁远程监测系统

一、引言

桥梁建设是一个国家民用基础设施中不可缺少的组成部分，在经济建设中发挥重要作用。在桥梁的使用过程中，由于菏载作用（尤其是交变菏载）、疲劳效应、腐蚀效应、材料老化和突发事故（如撞击、地震）等不利因素的影响，桥梁结构不可避免地出现结构损坏和损伤积累，严重的甚至会导致突然倒塌。为了避免事故地发生，对桥梁进行监测是十分有必要的。

近年来，在新兴的虚拟仪器技术的支持下，各类桥梁监测系统发展迅速，在实际桥梁监测中收到了较好的效果。为了进一步研究多传感器的虚拟桥梁监测方法，本人利用实验室已有的设备，搭建一个基于 PXI 和SCXI 的多传感器桥梁远程监测系统，并通过对模型桥的监测评估了该系统的各项性能。

二、监测系统实现原理

本桥梁检测系统的基本原理是：利用SCXI模块的强大信号调理功能，连接多路传感器，并实现传感器信号的前置调理，然后将信号送入PXI模块。PXI在LabVIEW的支持下完成数据的观察，记录，初步分析及远程传送等功能。其基本原理如图1 所示，该监测系统硬件实物如图2 所示。

图2 监测系统硬件实物图

图3 模型桥传感器布置位置示意图

图中：桥面上的长方片代表应变片，桥面及桥下的短圆柱体代表磁电式检波器，桥下的长条圆柱体代表涡流传感器（包括支架）

三、系统硬件设计与实现

本系统用到热电偶1 个（检测环境温度），应变片3 对（测量模型桥应变情况），涡流传感器1 个（测量模型桥挠度变化），磁电式检波器6 个（测量模型桥速度变化情况），其位置分布如图3 所示（图中没有表示热电偶）。

利用SCXI-1000、SCXI-1321、SCXI-1121、SCXI-1300 和SCXI-1102B 来实现对传感器输出信号的前置调理工作。

本监测系统一个突出的特点就是同时使用了不同种类的11 个传感器进行数据采集。这一功能的实现，得益于SCXI 模块强大的信号调理能力，例如：多路信号同时输入、对多路信号分别进行隔离放大和滤波、为应变片提供桥路和激励电压等，这是本系统硬件部分顺利达到预期目的的关键。

四、系统软件设计与实现

器软件界面如图4 所示。

图4 虚拟桥梁监测系统界面

本次设计的程序可分为7 个模块：数据记录模块、数据分析模块、远程数据传送和共享模块。其主要功能是：在用户设定采样频率后，采集11 路传感器的信号，并分别进行显示。同时，用户及其他部分可使用手动或自动方式，根据需要记录相关数据。其中，自动记录以速度信号触发( 阈值由用户设定)，并可记录触发信号前1000 个数据点。另外，用户还可根据需要向异地用户传输数据（使用DataSocket 方法）。用户也可以随时将已记录数据提取出来观察、分析。

NI 公司的LabVIEW 是本系统设计的软件平台，它所具有的图形化编程特点以及简便易行的数据显示、存储方式，使多路传感器采集的大量信息可以方便有序的在同一程序中显示和储存，这不但满足了本次设计同时处理多路输入数据的预期要求，同时还达到了方便用户的目的。LabVIEW 自带的多路远程实现方式很好地解决了远程传输多路数据的问题。

五、系统的模型桥试验验证

利用实验室的模型桥，对系统进行试验验证。共进行3 个不同位置的8 组静载试验和不同车速不同车重3 次动载试验，还进行了远程数据传输试验。

选取静载实验时1/2 桥跨处的信号曲线（如图5 所示），可以看到：该信号曲线符合模型桥应力应变及挠度变化的理论分析、以及相关桥梁静载荷分析，同时，各传感器测量数据与各个传感器布置位置相符，证明此系统可以完成桥梁的静载监测。

选取一组东在数据进行分析（如图6 所示），可以看到：其信号曲线符合模型桥振动情况的理论分析，以及相关桥梁动载荷分析，同时，测量数据与各个传感器分布位置相符，表明此系统可以完成桥梁的动载监测。

利用实验室的网络条件，还进行了多次远程数据传输实验。在远端客户机上，均能够接收到相关数据。证明此系统可以完成桥梁监测数据的远程传输任务。

图5 中央桥面静载试验数据

左图为应变曲线，由上到下分别为1/4 桥跨、1/2 桥跨、3/4 桥跨处的应变信号；右图为挠度曲线

图6 中央桥面静载试验数据

左图为应变曲线，由上到下分别为1/4 桥跨、1/2 桥跨、3/4 桥跨处的应变信号；右图为速度曲线，由上到下分别为1/4 桥跨、1/2 桥跨、3/4 桥跨处的速度信号

六、结论

本系统具有支持多传感器信号输入，支持数据远程传输和共享，具备自动记录、数据保密等附加功能，PXI 模块集成度高、机械及电气性能好等特点。可以完成对桥梁动载、静载的监测任务，同时能够将监测数据远程共享，达到了预期设计目标。同时，积累了多传感器在桥梁监测中运用的经验，可以为将来的实际桥梁监测提供参考。另外，本系统在设计时有意识的增加了其可操作性，以方便一般用户操作使用。