面向数据采集的同步技术 - 基于NI软硬件平台的桥梁健康监测系统

　　该范例中的采集系统由NI PXI 1045 18-插槽机箱、NI PXI 8187控制器、NI PXI 6652、6602和4472B模块组成。图3所示为该采集系统的示意框图。

　　图3 GPS PPS同步原理图

　　中心部件是动态信号采集(DSA)模块NI PXI 4472B，它是输入和采集传感器信号的实际单元。其它模块用于确保NI PXI 4472B正常工作。该系统的主要挑战在于如何将广泛分布在多个站点的NI PXI 4472B模块同步起来。

　　NI PXI 6652同步模块与来自GPS接收装置的10M PPS信号连接。该信号在分频后发送至PXI背板，再用作NI PXI 4472B模块的过采样时钟。

　　NI PXI 6602计数器在两个端口同时接收来自GPS接收装置的1 PPS信号。一个端口的信号通过PXI背板用作SYNC脉冲，以实现所有NI PXI 4472B模块采集信号时的相位同步。另一个端口的信号用作定时器，并与预先设定的采集时间相比较。当达到采集时间时，NI PXI 6602再次通过PXI背板，生成开始触发信号，以启动NI PXI 4472B的数据采集操作。NI PXI 8187控制器从GPS接收装置读入IRIG-B信号，并可从IRIG-B信号获得绝对时间。然后，该绝对时间可用作被采集数据的时间标记。

　　由于PPS信号都来自GPS系统，它们对于所有站点的所有NI PXI 4472B模块是完全相同的，从而完成跨越广阔地理区域内多机箱系统中多个NI PXI 4472B模块的同步数据采集。

　　实现整座桥同步数据采集系统的配置，可方便快捷地通过编程实现。

　　监测过程中的分析

　　数据采集的意义在于从所采集的海量数据中挖掘有用信息。因此，除记录通过数据采集板卡获得的原始数据(就其自身而言，它显然是非常重要的)之外，还需要从不同方面对这些数据进行分析处理。

　　桥梁测量数据的离线分析

　　离线分析包括频谱分析和模态分析。对多通道信号频谱分析，除了提供FFT方法，LabVIEW与LabVIEW工具包还提供了标准的多元信号处理算法。例如，高级信号处理工具包提供了TSA MUSIC VI，可用它来获得多通道信号的频谱。图4所示为东海大桥的频谱图实例。

　　图4 MUSIC所提供的东海大桥频谱

　　模态分析方法可反映桥梁的动态特性。实际上，模态分析是现今SHM的一项标准工程实践，通过模态分析，可获得模态参数——共振频率、阻尼系数和模态。传统情况下，这些模态参数是从测试人员施加的激励信号以及对应的响应信号中获得的。

　　为处理类似桥梁的大型结构的模态分析，出现了一种相对新颖的模态分析方法。这种方法能够在大型结构工作时处理所收集的数据，这就是工作模态分析。在此方法中，没有明确的激励信号应用于该结构，而是由环境的自然力和作用于该结构的工作负载充当激励。这样的激励是随机和未知的，仅仅可利用布置在该结构上的传感器来获知所测得的信号——响应信号。因而，工作模态分析也被称作“只有输出”的方法，非常适合桥梁模态分析。

　　在工作模态分析领域，有一类方法采用仅输出的系统辨识(也称时序分析)技术，即随机子空间辨识(SSI)。该类方法利用系统的输出数据(在此是桥梁的传感器测量数据)来辨识一个线性状态空间模型，能很好地描述所观测到的输出数据。然后，在工作模态分析环境中，由该线性模型的状态转移矩阵来获得模态参数。