远程监测长岛铁路高架道路结构健康

　　在验证结构状态上，我们为客户带来了现代以太网驱动及基于网络连接，而在数据收集方面，我们能够享有坚固、可靠、低成本和可重复编程CompactRIO系统所带来的裨益。

　　背景

　　工程师使用结构振动来评估许多建筑和机器的状况，包括建筑物、桥梁、水坝、高塔、起重机和托架。 尽管多年来我们已经都使用了一定工具来监控结构振动，但是这些工具所收集到数据不是保真度高却持续时间短的波形，就是持续时间长却在频段上有功率失真的测量结果。 许多结构只有在环境力量，例如风、车辆活动，附近的建筑，或者如地震和龙卷风存在等随机事件的情况下发生振动才有意义。 因此，数据采集在这些情况下都必须保持活跃。

　　得益于存储容量、处理器速度和宽带无线通信技术上的最新进展，我们可以长期采集高保真波形。 我们还可以与汇聚了多个数据采集点的结构振动数据的主机进行通讯，从而提供永久的数据收集以及高级分析和报告功能。

　　结构完整性评估的领导者STRAAM公司和作为Select National Instruments Alliance Partner的Viewpoint Systems，合作开发了可在室外和其他较难接近的地方上运作的系统，它同时还保持了可用的基于PC的解决方案的能力。 最终，我们生产出了STRAAM SKG CMS™系统的增强版本，安装在长岛铁路桥上。

　　系统要求
　　系统需要执行下列运作：

• 从加速度计以及其他环境传感器上收集数据
• 以完全采样率在本地存储数周的数据
• 实时分析自定义数据
• 定期将统计数据发布至主机
• 按要求将波形上传至主机
• 提供坚固、重量轻、高性价比以及可靠的OEM部署
• 涵盖灵活的架构来应对未来的挑战
• 确保安全的用户访问控制

　　系统设计

　　我们选择了一个基于NI CompactRIO平台和动态信号采集(DSA)C系列模块的系统。 CompactRIO和相关C系列信号调理模块的工作温度范围为-40至70℃，是大多数安装地点的典型环境极值。 此外，CompactRIO控制器没有移动部件，增加了发生故障的平均间隔时间，并确保它可以承受在运输和安装过程中的物理操作不当。 在软件方面，我们决定采用NI LabVIEW Real-Time模块和LabVIEW FPGA模块。考虑到基本信号的采集，以及一些自定义抗混叠滤波允许低于动态信号模块(DSA)性能的采样率，我们采用了LabVIEW FPGA。　　

 

　　数据采集与过滤

　　DSA模块通过由STRAAM提供的特殊传感器获取加速度信号，输出有关倾斜和加速度的信息。 由于大型结构在低频率产生共振，因此，这些传感器具有极低的噪声、高度的动态范围和低频响应十分重要，从而可在小于1 Hz情况下收集有关结构的信息。 低频率范围和长期数据存储的特点必须结合起来，以创造每秒200个样本 (S/s)的最大的数据采集率。 由于拥有delta-sigma转换技术，NI 9239的采样速度并不慢，因此我们基于可编程门阵列(FPGA)以2000 S/s速度进行采样并使用低通数字滤波来产生速率为200S/s的抗混叠信号。通过抽取获得的简单二次抽样会违反Nyquist准则。我们使用LabVIEW 数字滤波器设计工具包生成了28抽头的无限脉冲响应(IIR)滤波器，其3dB下降节点是采样率的0.8倍，阻带衰减大于90dB.数字滤波器设计工具包包括自动生成代码的工具，可将滤波器部署至FPGA。 我们精心选择定点运算，以确保操作正确，从而避免过度使用FPGA资源。 最终的滤波器是一个带4位尾数的24位定点数解决方案。