模型基础动力参数变扰力自动化测试的实现

陈小峰 谈荣玮 余 健 易秋田

（1.河北中核岩土工程有限责任公司，河北石家庄 050021；2.四川安泰工程质量检测有限公司，四川成都 610041）

0 引言

模型基础动力参数测试用于测试地基（或桩基础）对动力机器基础在动荷载作用下的响应，为动力机器基础设计提供地基或桩基础的抗压、抗剪、抗弯和抗扭刚度（或刚度系数）以及各振向的阻尼比、参振总质量等动力参数。周期性振动机器基础一般采用强迫振动测试方法。

根据振源种类的不同，强迫振动测试分为变扰力强迫振动和常扰力强迫振动。变扰力强迫振动测试通常使用固定在模型基础上的机械式振源提供激振力，变频器为机械式振源电动机供电。人工操作变频器面板键盘，设定输出频率，变频器将50 Hz、380 V 交流电变频为设定频率的交流电，输送给三相异步交流电动机，驱动机械式振源中的振动模块转动，产生固定方向的振动，激励模型基础，在模型基础振动稳定后，使用测振仪器接收并存储布置在模型基础顶面上的拾振器的振动波形信号。在设定频率范围内以一定的频率间隔重复激励与采样操作，直至达到预定的最大频率。外业工作完成后，再转至室内读取振动波形信号，处理后绘制幅频响应曲线，计算地基（或桩基础）的动力参数。

目前常规的人工测试方式测试步骤繁琐，测试过程与资料整理紧张且耗时，测试人员易疲劳，整体效率低下。为克服人工测试方式的缺点，工程技术人员进行了多种形式的创新，傅茂朝等[1]利用Delphi编程技术，开发了一种对新采集的波形信号实时显示、分析的数据处理系统，人工采样与电脑实时处理数据结合，提高了工作效率。李友鹏等[2]开发了CUR401多功能工程测试仪配备块体基础强迫振动测试与分析专业程序，采用Z 变换高精度频谱分析技术和曲线拟合技术，自动完成信号采集，实时更新块体基础强迫振动幅频响应曲线。

基于NI LabVIEW 的虚拟仪器技术，利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用，具有性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成四大优势。在模型基础动力参数测试工作中应用该技术，根据测试规范要求编制测试控制和数据采集程序，将测试控制功能及测振仪功能进行整合，使测试过程自动化、数据处理实时化，提高生产效率和测试精度。

1 机械式激振器

模型基础动力参数变扰力强迫振动测试采用机械式激振器作为振源。振源内有一组或两组振动模块，每一组振动模块含有两个相同规格尺寸、相互啮合的齿轮，分别固定在主动轴和从动轴上，当主动轴转动时，两个齿轮产生等速、反向的转动。两个齿轮上各固定有一组质量相同、偏心距相等的偏心块，当齿轮转动时，因偏心质量的存在，会产生周期性的离心力，从而使激振器产生激振作用。适当设定偏心块的位置，可使设备产生某方向的正弦激振力，而其他方向上的力自行抵消，激振力F的大小为两个离心力的合力，见式（1）。

式中：m为偏心块的质量；e为偏心距；ω 为旋转角速度。

改变偏心块的相对位置，激振方向可以调整为竖向和水平向（见图1、图2），如果机械式激振器包含两组振动模块，由一套动力同时驱动两组振动模块同步转动，通过改变两组振动模块中偏心块的相对位置，可以实现扭转向激振（见图3）[2—3]。

图1 竖向振动测试偏心块的相对位置

图2 水平回转向振动测试偏心块的相对位置

图3 扭转向振动测试偏心块的相对位置

机械式激振器一般以变频器+三相异步交流电动机作为动力，变频器用以调整交流电动机的转速，使激振器振动模块产生不同频率的转动，从而使激振器产生不同幅值和频率的激振力。

2 模型基础动力参数变扰力强迫振动测试常规方法

2.1 测试装置布置及测试方法

模型基础动力参数变扰力强迫振动测试常规装置布置如图4 所示。模型基础位于被测地基（或桩基础）上，机械式激振器通过地脚螺栓与模型基础相连，模型基础在机械式激振器激励作用下的响应由粘贴于模型基础顶面指定位置的拾振器（加速度计或速度计）测量，由测振仪记录并存储振动波形信号。通常使用的测振仪器为基桩动测仪、波速测试仪或振动监测仪，测试前测振仪及拾振器需进行标定，确定灵敏度系数。

图4 变扰力动力参数测试装置示意图

正式测试前先通过试测确定测试频率范围，在测试频率范围内按由低到高顺序及一定的频率间隔，人工操作变频器面板上的键盘，使变频器产生设定频率的正弦交流电，输入至三相异步交流电动机，驱动机械式激振器偏心装置旋转，产生激振力，对模型基础进行激励；模型基础振动稳定后，由人工操作测振仪器记录各拾振器的振动信号，进行数字步进正弦激励测试。根据相关规范要求，测试频率间隔共振区外不宜大于2 Hz，共振区内不应大于1 Hz，通常采用共振区外1 Hz，共振区内0.5 Hz 的测试频率间隔[4]。

2.2 资料处理

外业测试结束后，需及时进行室内资料处理，人工读取每个频率点、每个拾振器记录波形的电压峰值，通过灵敏度系数转换为振动加速度或速度值，进而计算振动线位移，绘制幅频响应曲线，计算地基（或桩基）动力参数。

使用常规方法，测试人员劳动强度大，工作效率低，测试精度相对较低。

3 自动化测试技术路线

为了提高测试精度和工作效率，降低测试技术人员劳动强度，实现模型基础动力参数变扰力测试自动化，遵循以下技术路线进行技术创新。

（1）仪器功能专业化

由通用笔记本电脑、USB 总线结构的数据采集卡和NI LabVIEW 软件即可构成一套结构简单、低成本、高性能的虚拟仪器，通过灵活、高效的编程，创建自己的应用以及友好的人机交互界面，实现专业化的仪器功能。

数据采集卡主要技术参数有通道数、采样频率、缓存、分辨率、精度、量程、增益、触发方式等，根据测试要求选择合适的数据采集卡，通过有针对性的编程，实现测试过程自动控制、振动信号自动采集分析，便可形成一台具有模型基础动力参数变扰力自动化测试功能的专业仪器。

（2）测试过程自动化

典型的数据采集卡具有模拟输入、模拟输出、数字I/O、计数器/计时器等功能，模拟输入功能可以实现模拟信号的数据采集，模拟输出功能可以通过输出模拟电信号对测试过程进行控制。根据模型基础动力参数测试的规范方法，通过编程控制数据采集卡的模拟输出、模拟输入模块，进而控制测试过程按规范自动进行、自动采集分析振动信号，实时显示测试结果，实现测试的自动化。

（3）测试数据实时处理

在一个频点的测试完成，记录下模型基础顶面上所有测点拾振器的振动信号后，自动对振动信号进行频谱分析、峰值测量及灵敏度系数转换，计算振动线位移，并实时生成幅频响应曲线。简谐振动的位移、速度、加速度的幅值之间的关系见式（2）。

式中：am为加速度，mm/s2；vm为速度，mm/s；xm为位移的幅值，mm；ω为角频率，又称圆频率[5]。

随着测试由低频向高频的进行，幅频响应曲线逐渐延伸并出现共振区和共振峰。在完成设定频率段内所有频点的测试后，程序自动结束测试。

4 自动化测试的实现

4.1 模型基础动力参数变扰力自动化测试系统

按上述技术路线开发的模型基础动力参数变扰力自动化测试系统采用基于NI LabVIEW 的虚拟仪器方案，包括上位机和下位机两部分（见图5）。上位机为通用笔计本电脑，下位机为数据采集卡，二者通过USB 口进行通讯。下位机包含模拟输入模块、模拟输出模块，其主要性能指标见表1。

表1 数据采集卡规格参数

图5 模型基础动力参数自动化测试仪器设计框图

模拟输入模块有16 个单端或8 个差分输入通道，具有16 位精度的A/D 转换器，支持多种采样方式，最大采集速率250 ksps，用于接收拾振器的振动波形信号，其功能相当于常规人工测试方式的测振仪。

模拟输出模块有2 个输出通道，具有16 位精度的D/A 转换器，最大采集速率100 ksps，可以生成幅值±10 V 以内的直流或各种交流电信号，用于产生设定参数值的模拟电信号，控制变频器产生设定频率的交流电，输送至三相异步交流电动机，驱动激振器产生对应频率的振动，该功能可以实现激振器振动频率的程序控制，从而取代人工调节变频器的测试方式。

上位机用于设定测试工作参数，控制模拟输入、模拟输出模块,实时显示采集的振动波形信号以及随测试进程变化的幅频曲线。主要工作参数及其功能见表2。

表2 测试工作参数表

4.2 变频器的控制

变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备，能将固定频率的交流电转换为可变频率、可变电压的交流电源。在模型基础动力参数变扰力强迫振动测试中，应用变频器为三相异步交流电动机提供可变频率的交流电，驱动激振器产生相应的可变频率的激振力。变频器输出频率范围为0～600 Hz或更高，完全满足模型基础动力参数测试的需要。

变频器的频率给定方式主要有：操作器键盘给定、接点信号给定、模拟信号给定、脉冲信号给定和通讯方式给定等。本自动化测试系统采用模拟信号给定方式，由上位机控制下位机模拟输出模块产生直流电信号，以电信号的电压控制变频器的输出频率，实现测试过程仪器自动化控制。

通过变频器面板键盘设定如表3 所示工作参数，变频器运行频率范围：0～100 Hz,对应控制信号FV的电压为0～10 V，运行频率由控制信号FV 的电压决定，故上位机控制下位机模拟输出模块生成0～10 V 的直流电信号，送至变频器相应控制端子，控制变频器输出0～100 Hz 的交流电，下位机的控制信号电压与变频器输出电流的频率一一对应。模型基础动力参数自动化测试仪器下位机的模拟输出模块具有16 位的分辨率，理论上可以以设定峰值的1/65536的间隔调整输出信号的电压，分辨力达到0.153 mV，对应的调频精度为0.00153 Hz，从而有能力实现变频器输出频率的精确调节和控制。

表3 变频器工作参数设定表

4.3 软件实现

通过软件编程实现程序控制是模型基础动力参数变扰力自动化测试的核心。该软件从程序结构分析，主要通过一个While 循环实现以下功能。

（1）数据采集卡参数设置

数据采集卡参数设置在While 循环开始之前进行，主要根据测试要求设置触发源、触发方式、触发电平、采样道数、通道配置、采样模式、采样速率、采样长度等参数。

（2）测试控制

在While 循环内，通过数据采集卡的模拟输出功能，根据变频器预输出的正弦交流电的频率给定控制电压，使机械式激振器产生对应频率的激振，每一次循环维持的时间即是该频率振动的维持时间，以振动达到稳定，激振力恒定一段时间为准。当达到设定的循环维持时间后，结束本次循环，进入下一次循环，同时按设定的测试频率间隔，通过模拟输出模块给定对应一下个频率点的控制电压，使激振器产生下一个频率的激振，如此循环，直至测试频率足够高，生成完整的幅频响应曲线为止。

（3）数据采集

在每一次循环内，通过数据采集卡的模拟输入模块，按设定的时间间隔采集模型基础的振动信号。

（4）数据分析处理及幅频曲线显示

每一次采集振动信号后，随即对信号进行频谱分析，提取该信号的频率和振幅，存入数组中，并以XY 图的形式显示数组中的数据，随着测试的进行，激振频率按设定间隔不断增加，XY 图即展现出实时的幅频响应曲线。当激振频率足够高、幅频曲线出现峰值，视情况可以结束循环，终止程序。

（5）数据保存

每次振动数据采集后以文件的形式进行保存，以方便后期的资料再处理。

4.4 自动化测试方法

使用自动化测试系统进行变扰力动力参数测试时，块状模型基础放置于地基上，机械式激振器通过地脚螺栓或其他方式固定在基础上，拾振器布置在模型基础顶面的设定位置。拾振器通过屏蔽信号线与仪器下位机模拟输入模块连接，变频器控制信号线与仪器下位机模拟输出模块连接。

测试前，上位机通过测试程序对测试参数进行设定。设定的参数包括测试的起始频率、终止频率、测试频率间隔、每个测试频率点的振动维持时间、拾振器的灵敏度、采样频率、每通道采样点数、波形文件保存路径等。

参数设定完成后即可进行测试，首先由下位机的模拟输出模块按照设定的测试起始频率，产生对应起始频率的模拟电信号，并发送至变频器，变频器随即将电源380 V、50 Hz 交流电变频至对应于起始频率的交流电，输出至三相异步交流电动机，带动机械式激振器的振动模块旋转，驱动机械式激振器产生相应频率的激振力，激励模型基础。机械式激振器的偏振质量和偏心距是固定的，因此激振力大小只与旋转频率有关。

在振动维持设定的时间后，认为已稳定，由下位机的模拟输入模块采集拾振器振动信号，并传送至上位机保存，上位机随即对该频率点振动波形信号进行频谱分析及峰值测量，得到实测振动频率及电压峰值，并通过灵敏度系数将电压峰值转换为振动加速度或速度峰值，进而计算振动线位移峰值，实时绘制幅频响应曲线。该频率点的测试完成后，下位机模拟输出模块随即按照设定的频率间隔产生对应下一个频率点的模拟电信号，传送给变频器，按照以上相同的程序进行该频率点的测试，如此循环，直到完成设定的最大频率的测试。

上位机程序界面实时显示模型基础振动波形及幅频响应曲线，随着测试的进展，实时绘制的幅频响应曲线逐渐呈现并趋于完整，测试完成的同时，完整的幅频响应曲线也随即产生，在测试达到终止频率后，程序自动结束测试。

4.5 工程实例

埃克森美孚惠州乙烯一期项目位于广东省惠州市大亚湾石化园区内，根据设计总平面布置图，作为试桩工作的一部分，在乙烯装置区域布置了6 组地基动力特性测试工作，其中桩基动力特性参数测试2 组，天然地基动力特性参数测试4 组，要求通过在乙烯装置区域进行模型基础动力参数测试，提供压缩机等动力机器基础的桩基动力参数和天然地基动力参数。应用本套自动化测试系统完成了上述模型基础动力参数测试工作，测试现场场景见图6，实测主要工作参数设置如表4 所示。

表4 测试工作参数设定表

图6 模型基础动力参数测试场景

测试得到的各振向幅频曲线如图7—图9 所示。

图7 竖向强迫振动幅频曲线

图8 水平回转向强迫振动幅频曲线

测试设定0.2～0.5 Hz 的测试频率间隔，得益于密集的测试频点，幅频曲线整体表现细腻而圆滑，起伏自然、细节彰显；共振区曲线自然而挺拔，共振峰尖锐且不失圆润，起伏转换自然。设定每频点振动维持时间2 s，即每2 s 完成一个频率点的激励及数据采集，按0.5 Hz 的测试频率间隔，一个5～65 Hz、共计120 个频率点的动力参数测试仅需要240 s（4 min）即可完成，测试频率间隔加密到0.2 Hz，也仅需要10 min。

4.6 自动化测试的优点

与传统人工测试方式相比，自动化测试的优势在于如下几个方面。

（1）减轻测试人员的工作压力

使用仪器全自动控制变扰力动力参数测试过程并实时处理各频率点数据、显示幅频响应曲线，将技术人员从繁重的外业测试的体力劳动及资料处理的脑力劳动中解放出来，减轻了测试技术人员的身体和精神压力，降低了工作强度。

（2）提高测试工作效率

自动化测试可以按照设定的程序自动输出模拟信号，控制变频器的输出频率，快速完成激振频率及激振力的自动调整、更新，自动记录振动波形，完成每一个频率点的测试，并实时显示幅频响应曲线。完成一组完整测试的时间通常只需要人工方式的1/4左右，提高了工作效率，降低了工作强度。

（3）提高测试工作的精度和可靠性

使用专业仪器进行自动化测试，通过设定更小的测试频率间隔，如0.2 Hz 甚至更小，可以在不增加测试人员劳动强度的情况下，大幅度加密测点，使得幅频响应曲线更圆滑、更能体现细节，从而使得测试精度更高、测试结果更准确。

自动化测试过程中，程序自动实时显示已测试频率点的幅频响应曲线，测试过程中就能清晰地呈现测试阶段，测试人员可以很方便地判断幅频响应曲线是否完整、测试过程到了什么阶段、是否可以结束，从而避免出现因为测试过程不完整而造成的测试误差。

（4）测试装置更简单

自动化测试仪器的功能包含了变扰力动力参数测试的所有测试控制和信号采集的功能需求，不需要额外的仪器配合，减少了线路连接的复杂程度，减少了测试过程中出现问题的环节，使得测试过程更简单、顺利。

5 结论

（1）使用由通用笔记本电脑、USB 总线结构的数据采集卡和NI LabVIEW 软件构成的低成本、高性能的虚拟仪器，通过程序控制测试过程，自动记录分析振动数据，实时显示幅频响应曲线，能够实现模型基础动力参数变扰力测试的自动化。

（2）基于虚拟仪器技术的模型基础动力参数变扰力自动化测试系统装置简单、测试工作效率高、测试精度高、可靠性好，可显著减轻测试人员的工作压力。