圖1. 結(jié)構(gòu)測(cè)試與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控

國(guó)家儀器的軟硬件工具幫助用戶快速開發(fā)和自定義結(jié)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)，包括靜態(tài)、疲勞、空氣動(dòng)力、振動(dòng)、沖擊、爆破和彈道測(cè)試。NI將其儀器和工業(yè)控制專業(yè)經(jīng)驗(yàn)與NI LabVIEW可視化編程環(huán)境合而為一，提供了業(yè)界最易于使用、性能最佳的結(jié)構(gòu)測(cè)試解決方案。NI工具和測(cè)量技術(shù)使多個(gè)領(lǐng)域從中獲益，包括軍事、航空、航海、汽車、可再生能源等。

特點(diǎn)

模塊化、靈活、精確測(cè)量?jī)x器

國(guó)家儀器推出的PXI平臺(tái)是一個(gè)基于PC機(jī)的堅(jiān)固平臺(tái)，為高性能儀器提供了一種模塊化方法。模塊化實(shí)現(xiàn)了測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)變化使用市售零件進(jìn)行調(diào)整的靈活性。PXI架構(gòu)具有業(yè)界最高的帶寬和最短的等待時(shí)間，包括集成的定時(shí)和同步總線。憑借來(lái)自70多家廠商的1500余件產(chǎn)品，PXI平臺(tái)為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)測(cè)試應(yīng)用提供了一種完整的、高性能、大通道數(shù)系統(tǒng)。

圖2. PXI結(jié)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)例

結(jié)構(gòu)測(cè)試充分利用了PXI的模塊化和靈活性，因?yàn)檫@些測(cè)試要求使用多種類型的傳感器 - 最常見(jiàn)的是應(yīng)變和振動(dòng)測(cè)量。通常，應(yīng)變測(cè)量使用全橋、半橋或季橋配置的箔式電阻應(yīng)變計(jì)。動(dòng)態(tài)振動(dòng)采集常常使用內(nèi)置電荷放大器的壓電式加速度計(jì)。NI PXI平臺(tái)使得為大通道數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)變和振動(dòng)模塊達(dá)到每個(gè)通道204.8 kS/s的采樣速率、24位分辨率和0.02%精度。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中經(jīng)常集成的其他傳感器包含了位移或傾斜測(cè)量以及載荷和力矩傳感器所用的線性電壓差動(dòng)變壓器(LVDT)以及弦絲電位計(jì)。在結(jié)構(gòu)測(cè)試應(yīng)用中，這些測(cè)量類型一般用作反饋，以控制輸入刺激。

動(dòng)態(tài)測(cè)試，例如空氣動(dòng)力和沖擊測(cè)試，要求使用高采樣速率和高分辨率測(cè)量硬件來(lái)捕獲快速事件。此方法要求將大量數(shù)據(jù)同時(shí)存儲(chǔ)到磁盤中。動(dòng)態(tài)事件很難復(fù)制，因?yàn)樗齻儼袑氋F的信息。每臺(tái)設(shè)備的專用帶寬和短等待時(shí)間確?？煽康夭杉袛?shù)據(jù)，然后再進(jìn)行離線處理。使用具有專用吞吐量的PXI Express等高性能平臺(tái)確保了用戶動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的保真度。

與此相反，靜態(tài)測(cè)試一般有低于1 kHz的采樣速率即已足夠，但是精度要求增加。承載結(jié)構(gòu)的絕對(duì)強(qiáng)度和疲勞壽命必須進(jìn)行測(cè)試。這兩種測(cè)試要求進(jìn)行精密的測(cè)量，以確保材料發(fā)生了正確的應(yīng)力/應(yīng)變。一般來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)工程師會(huì)用稍微不同的載荷進(jìn)行多次測(cè)試。這些測(cè)試從除去了滯后的高精度系統(tǒng)中明顯獲益。這對(duì)于理解復(fù)雜的機(jī)械交互作用，以及受控刺激對(duì)機(jī)構(gòu)的影響，是至關(guān)重要的。疲勞載荷循環(huán)極少超過(guò)每秒數(shù)百個(gè)循環(huán)，并且超過(guò)此速率10倍的采樣很好地說(shuō)明了材料的動(dòng)作。國(guó)家儀器提供的工具能夠測(cè)量多種傳感器類型，并且滿足了各種結(jié)構(gòu)測(cè)試的具體要求。

同步性能最佳的可擴(kuò)縮平臺(tái)

PXI平臺(tái)提供了多種具有4～18個(gè)插槽的3U和6U機(jī)箱。機(jī)箱包含了高性能PXI背板，這些背板包含有PCI總線以及定時(shí)和觸發(fā)總線。PXI Express提供了附加定時(shí)和同步功能，如100 MHz微分系統(tǒng)時(shí)鐘、微分信令、微分星形觸發(fā)等。通過(guò)采用微分計(jì)時(shí)和同步，PXI Express系統(tǒng)從噪聲抗擾性能增強(qiáng)和高頻傳輸中獲益。最后，這導(dǎo)致長(zhǎng)距離情況時(shí)的同步比較緊張。利用這些定時(shí)和觸發(fā)總線，用戶能夠?yàn)橐笤谝粋€(gè)機(jī)箱內(nèi)以及大通道數(shù)系統(tǒng)的多個(gè)底盤之間實(shí)現(xiàn)精密同步的應(yīng)用開發(fā)結(jié)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)。

靜態(tài)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)測(cè)試需要利用PXI同步功能的各個(gè)方面。靜態(tài)測(cè)試通常需要許多通道來(lái)確定結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)變，因?yàn)閺?fù)雜的材料特性使其難以預(yù)測(cè)。另外，在測(cè)試全量程結(jié)構(gòu)時(shí)，通常采用分布式系統(tǒng)，因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)的尺寸非常大，例如航空和國(guó)防工業(yè)。由于電纜復(fù)雜度、安裝和維護(hù)成本等原因，常常無(wú)法將傳感器連接到集中式測(cè)量系統(tǒng)上。能夠輕松地、透明地?cái)U(kuò)展到多個(gè)分布式系統(tǒng)的平臺(tái)能夠節(jié)約時(shí)間和成本。利用PXI平臺(tái)，可以用使用現(xiàn)有以太網(wǎng)中樞鏈路甚至GPS的基于信號(hào)或時(shí)間的同步方法來(lái)部署測(cè)量硬件。

圖3. 大通道數(shù)多機(jī)箱PXI系統(tǒng)

對(duì)于沖擊、爆破、彈道測(cè)試等動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)測(cè)試，定時(shí)和觸發(fā)能力是至關(guān)重要的。在這些測(cè)試中，需要用大量數(shù)據(jù)來(lái)捕獲如此快速的事件。減輕此負(fù)擔(dān)的一種方法是僅僅在特定事件發(fā)生之后才開始觸發(fā)數(shù)據(jù)采集。動(dòng)態(tài)測(cè)試一般按照此方式啟動(dòng)，通過(guò)觸發(fā)DAQ模塊來(lái)啟動(dòng)采集。PXI Express橋梁和振動(dòng)模塊可以由模擬或數(shù)字信號(hào)，采用快速、可靠、內(nèi)置觸發(fā)功能來(lái)完成觸發(fā)。

隨著采樣速率增加，通道差異開始導(dǎo)致更多錯(cuò)誤，因?yàn)閿?shù)據(jù)變化非常之快。國(guó)家儀器使用PXI Express實(shí)現(xiàn)一個(gè)機(jī)箱或多個(gè)機(jī)箱中的設(shè)備之間的緊密同步。例如，NI PXIe-4330橋梁傳感器輸入模塊的通道差異為單個(gè)模塊或者單個(gè)底盤的不同模塊之間低于100 ns。國(guó)家儀器提供功能強(qiáng)大的靈活解決方案，實(shí)現(xiàn)各個(gè)通道、模塊和底盤之間的同步，以滿足結(jié)構(gòu)應(yīng)用的要求。