公路护栏立柱埋深无损检测系统

武义浩，马玉贤，贾志绚，蔡志宇

（太原科技大学，太原 030024）

公路护栏立柱是安全护栏的主要承载部分，其埋置深度直接影响护栏吸收碰撞能量的能力。目前采用拔桩法检测立柱埋深，该方法破坏了地基的完整性，根据相关规定，须把地基夯实后，再把立柱重新打入［1］，给检测工作带来诸多不便，而且存在二次埋深问题。本课题组的相关研究与试验证明，用基于弹性波理论的检测方法可实现立柱埋深的无损检测［2-5］，但试验中采用的是通用的检测设备和分析软件，对于本检测目标，其功能过于强大，操作复杂，且价格昂贵。为此，采用以LabVIEW为软件平台的虚拟仪器技术，结合笔记本电脑和数据采集卡，开发了便携式公路护栏立柱埋置深度检测系统，并进行了试验验证。

1 检测原理

基于弹性波的立柱埋深无损检测方法，是利用了弹性波的反射特性，即采用激振锤在立柱顶端敲击产生一个脉冲信号，信号在立柱下端面发生反射，通过拾取激振信号及反射信号，对其进行自相关分析，获取反射时间差，利用式（1）求解出立柱的总长，减去立柱地上长度，即可得出立柱的埋置深度。

式中，T为弹性波的传播时间；f为频率。

系统测试的原理如图1所示。

图1 测试原理图Fig.1 The test principle

2 虚拟仪器技术及LabVIEW

虚拟仪器（VI，Virtual Instrument）的概念是NI（National Instrument，美国国家仪器）公司于1986年首次提出的，相应的概念在美国Agilent公司称为组合仪器（Combination Instrument）［6］。其基本思想大致为:以计算机为硬件平台，尽量软件化传统仪器需要硬件实现的功能，用户通过图形化界面完成对被测量的采集、显示、分析及存储等，最大限度的降低系统成本，增强系统功能，提高系统灵活性。虚拟仪器由仪器硬件、计算机和应用软件组成，仪器硬件主要完成信号输入输出和调理的任务，数据的读取、分析、处理、显示等则由应用软件的功能来实现。虚拟仪器以软件取代了传统仪器的部分硬件，体现了“软件即是仪器”的思想。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是NI公司推出的基于图形编程语言的虚拟仪器软件开发工具。LabVIEW来源于传统设计语言的顺序特性，采用能编译成机器代码的图形框图编程［7-8］，包括数据采集、数据分析、结果显示等必需的工具包。程序设计者可以从传统编程语言纷繁复杂的编码中解放出来，直接通过鼠标拖拽的方式快速建立前面板人机交互界面和连接程序框图，为测试实验节省了大量的精力和时间。

3 系统的设计与实现

本虚拟仪器系统主要完成对激振信号及其反射信号的采集和分析。系统由硬件部分和软件部分组成，其结构原理如图2所示。

图2 系统的结构框图Fig.2 The structure of system

3.1 硬件结构

系统的硬件部分主要包括传感器、放大电路、数据采集卡、笔记本电脑等。

传感器感应模拟信号，并将其转换成数据采集系统可测量的电信号传输给数据采集卡［9］。本系统采用YD-3X系列的ICP压电式加速度传感器，它能够有效的简化测试调理模块，并具有抗干扰能力强、电压灵敏度一致性好等优点；此外同种规格的传感器可以互换，可简化测试工作。

为适合数据采集卡的输入范围，由传感器生成的电信号必须经过适当的处理。信号调理主要包括放大、隔离、多路复用、滤波、激励、线性化等环节，可以根据需要采用相应的信号调理功能。在本系统中，传感器已具备简单的调理模块，只需设计由几个集成运算放大器组成的具有高共模抑制比的放大电路对信号进行放大即可，滤波功能则通过软件编程来实现。

数据采集卡是系统的关键硬件，它将传感器传输来的模拟电信号转换为数字信号并输送给计算机进行处理。为降低成本，系统选用国产的USB5935采集卡作为数据采集设备。

国产数据采集卡要顺利的在LabVIEW的环境下工作，必须通过调用外部程序代码的形式实现驱动。本系统通过调用动态链接库（DLL）的方式实现。动态链接库是使程序在运行时装入并与库函数连接起来的技术，可以实现多个程序之间的代码和资源共享［10］。许多国产采集卡都附带了.dll形式的库函数，用户可以通过VB、VC等语言编写程序来调用它［11］。LabVIEW中提供了一个调用库函数的图标，在函数选板的互联与接口子模板下可以找到它，通过鼠标拖拽入程序框图后双击该图标，设置好各参数后，程序在运行时就可以自动与DLL连接起来，从而实现对采集卡的各种控制。

3.2 系统软件设计

软件设计是整个测试系统的核心。本测试系统的功能分为登录、参数设置、数据采集、数据分析与处理、数据保存等。

（1）登录:供实验者进入系统。

（2）参数设置:实验前对各参数进行设置，如通道设置、采样方式、采样频率、最大值、最小值、触发条件等等，本系统选用的板卡不带缓存功能，触发方式默认为软件触发，因此只需对采样频率、通道等进行设置即可。参数设置的前面板如图3所示。

图3 参数设置的前面板图Fig.3 Front panel for setting the parameters

（3）数据采集:数据采集为测试系统提供数据来源，是软件部分的核心。通过数据采集设备和采集程序，设定合适的采集参数，对被测对象的相关信号进行拾取，并把采集卡采集到的数据传输到虚拟仪器前面板进行波形显示和数据查看。本系统数据采集的部分程序框图如图4所示。

图4 数据采集的部分程序框图Fig.4 Part of program of data acquisition

（4）数据分析与处理:主要是信号的时域分析。为求出激振信号和反射信号之间的时间差，只需先对信号进行滤波，提取有用信号，而后进行自相关分析即可。由于待测信号的频率较低，应选择低通滤波器进行滤波。自相关分析可以放大有效信号、抑制噪声，有效地进行信号测量［12］。根据自相关分析对于周期信号的相关函数仍是同频周期信号［13］这一性质，对采集到的信号进行自相关分析可以使其表现出明显的周期性，从而精确的得到反射信号和激振信号之间的时间差。

（5）数据保存:LabVIEW为用户提供了多种数据保存形式，用户可根据自己的需要选择合适的格式进行存盘，如二进制、文本形式、电子表格、TDMS等。本测试系统待测信号只有一路信号，数据量不大，对读写速度要求不高，因此选用文本文件和电子表格的形式存盘均可，此种形式也便于后期读取查看和数据管理。

4 试验验证

4.1 试验方法

试验在室内进行，选取两根规格不同的立柱进行测试，立柱参数如表1所示。

试验中将传感器安装在立柱顶端，在立柱顶端激振，利用本系统完成数据采集和分析后得到反射信号和激振信号之间的时间差，利用公式（1）求出立柱的全长。

表1 立柱参数Tab.1 The pParameters of the post

4.2 试验结果

1#立柱和2#立柱的柱长测试结果如表2所示。图5所示为1#立柱的自相关波形。

通过多次测量得到:1#立柱长度最大绝对误差均小于15 mm，最大相对误差小于0.8%；2#立柱长度最大绝对误差均小于8 mm，最大相对误差小于0.8%.试验结果满足工程测量要求。

表2 检测波速为标准波速5160 m/s时柱长计算结果Tab.2 Calculation result of post length when detection velocity is 5160 m/s

图5 1#立柱的自相关波形Fig.5 Autocorrelation waveform of post 1

5 结论

（1）利用LabVIEW软件平台、数据采集卡和笔记本电脑搭建了基于虚拟仪器技术的检测系统。试验结果中最大绝对误差小于15 mm，最大相对误差小于0.8%，证明该系统能够满足工程检测要求。

（2）系统的精度和放大电路的精密程度与各硬件之间的接线有关。为降低噪声和干扰，应针对不同的传感器型号设计与之相匹配的放大电路和合适的信号调理模块，连接各硬件时应尽量采用有标准接口的接线紧密连接。

（3）传感器的安放位置以及激振方式对测试结果有较大的影响。通过夹持的方式将传感器安放在立柱顶端，并采用自激振装置，能大大提高测试精度和检测效率。

（4）整个系统通过笔记本电脑供电，克服了传统检测仪器不便捷（需用蓄电池供电）、不利于野外作业的缺点，初步实现了便携。将系统与掌上电脑（PDA）、智能手机等结合，进一步集成并优化系统，开发“傻瓜”式的便携检测设备是下阶段的研究方向。

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