分布式桥梁健康监测数据采集传输系统及其关键技术研究

论文摘要

近年来,桥梁安全事故频发,各种桥梁坍塌事故造成大量人员伤亡和财产损失,桥梁监测越来越受到关注。但是,在虚拟仪器已经成为主流的测试技术的今天,我国大部分桥梁健康监测还基本处于人工监测阶段,这已经无法满足现代桥梁监测需求。在未来,桥梁健康系统将成为大型桥梁安全保障体系的发展趋势。本文结合具体的工程项目对实现桥梁健康自动化监测进行了深入研究,在分析比较了各种数据采集总线仪器的优缺点基础上完成了基于NI公司PXI总线平台数据采集传输硬件系统的方案设计。在桥梁健康监测中,加速度信号能够反映桥梁在遭受撞击、地震瞬间的受损情况,这就要求对加速度信号进行高分辨高精度同步数据采集,在本项目中选用NI公司PXI-4472B动态同步信号采集卡来完成加速度信号采集。本文详细分析了PXI-4472B的特点及其多卡同步的条件,针对金沙江大桥分布式监测结构的情况,在比较了无线同步与有线同步各自特点后结合本监测系统特点提出了一种适合本系统的有线同步方法。然后本文根据这种同步思想完成了基于CPLD驱动光纤收发模块的时钟同步电路设计,并通过北京双诺公司的数据采集卡MP421对这种同步方法的有效性进行了验证。对于虚拟仪器来说,软件部分才是系统核心。本文结合金沙江桥梁监测的工程项目中无人职守自动监测的要求将软件部分分成了现场采集单元程序和监控中心程序两个部分。采集单元部分完成数据采集任务、数据分析任务、数据存储传输;而监测中心软件包含数据通信、数据分析、数据存储和用户管理与数据显示等任务。在完成任务分析后,本文选择了NI公司LabVIEW作为本系统开发语言对各部分功能进行设计。文中着重研究了数据存储以及数据传输的实现,对于数据存储主要是通过LabVIEW操作数据库软件Microsoft Access实现数据分类存储与用户数据库管理,而对于数据传输选用了DataSocket技术实现,文中使用LabVIEW软件实现了数据处理的部分功能。接着本文对监测中心的人机操作界面进行了详细设计,实现了通过人机界面进行实时数据、历史数据、数据处理结果的访问。最后,通过系统的实际开发总结了一些LabVIEW程序开发的经验,这将对其它虚拟仪器系统也能起到借鉴作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外发展状况
• 1.3 本文主要研究内容与工作
• 第二章 桥梁健康监测数据采集传输系统方案设计
• 2.1 桥梁健康监测系统介绍
• 2.1.1 桥梁健康监测概念
• 2.1.2 桥梁自动健康监测的作用
• 2.1.3 主要监测内容
• 2.1.4 桥梁健康监测系统的层次结构
• 2.1.5 桥梁健康监测系统可靠性要求
• 2.1.6 本章主要研究内容
• 2.2 传感器系统
• 2.2.1 传感器作用以及监测方法介绍
• 2.2.2 传感器布置
• 2.3 数据采集传输系统分类及其设计原则
• 2.3.1 数据采集系统的分类
• 2.3.2 采集传输系统设计原则
• 2.4 采集传输系统总体设计
• 2.4.1 仪器测量技术概述
• 2.4.2 数据采集系统总线选择
• 2.5 构建满足需求数据采集传输系统
• 2.5.1 模拟信号采集
• 2.5.2 非模拟信号采集
• 2.5.3 数据采集传输系统结构
• 2.6 本章小节
• 第三章 分布式数据同步采集技术
• 3.1 分布式桥梁监测系统同步采集问题
• 3.2 同步数据采集卡 PXI-4472B 介绍
• 3.2.1 Sigma-Delta 技术介绍
• 3.2.2 基于 PXI-4472B 采集卡的同步条件分析
• 3.3 时钟同步技术
• 3.3.1 无线同步
• 3.3.2 有线同步
• 3.4 有线时钟同步实现
• 3.4.1 硬件电路设计
• 3.4.2 CPLD 程序设计
• 3.5 同步精度测试
• 第四章 数据采集传输系统软件设计
• 4.1 软件结构设计
• 4.1.1 软件总体结构
• 4.1.2 程序工作流程
• 4.2 软件开发工具的选择
• 4.3 软件模块设计
• 4.3.1 数据采集模块
• 4.3.2 数据处理模块
• 4.3.3 数据存储模块
• 4.3.4 数据通信模块
• 4.3.5 登录控制模块
• 4.4 LabVIEW 程序优化设计
• 4.4.1 动态加载VI
• 4.4.2 合理使用全局变量和局部变量
• 4.4.3 屏幕刷新
• 4.5 本章小节
• 第五章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻硕期间取得的研究成果