[NI教程]面向结构健康监测应用的同步技术简介

[NI教程]面向结构健康监测应用的同步技术简介概览基于PC的仪器系统的进步以及灵活的软件工具，已使得大通道数同步数据采集成为可能，从而使分布在长距离或大区域的多种传感器采集的数据可以保持严格的相位关系。这些系统有助于开发一个面向结构健康监测（SHM）的集成架构。SHM集成了数据采集、数据传输和数据分析管理。本文研究了两个已经部署的仪器系统案例，它们均用于涉及数百种混合信号的桥梁持续监测。这些SHM的实践案例包括加州大学圣迭戈分校（UCSD）鲍威尔实验室的智能桥梁试验床和上海市附近的东海大桥。它们体现了为确保更安全的桥梁工作，SHM系统对损害、压力、疲劳和结构条件进行检测的先进功能。目录1.基于信号的同步技术与基于时间的同步技术简介2.基于信号的桥梁监测同步架构3.基于时间的桥梁监测同步架构4.结论1.基于信号的同步技术与基于时间的同步技术简介了解两种类型的同步技术——基于信号同步与基于时间同步——非常重要，这两者的相互差别取决于不同的定时与触发信号在不同的子系统间如何共享。在基于信号的同步中，子系统间的时钟和触发信号通过物理连接共享。一般来说，这种方式提供了最高精度的同步，UCSD的智能桥梁应用便是如此。在长度超过20英里（32.5公里）的东海大桥应用案例中，虽然认为同步采样信号的通道间相位信息非常关键，但是距离限制了定时信号的物理连接；因此采用了基于时间的同步。在基与时间的同步中，系统各部分具有一个公共的时间参考。可以基于该参考时间生成事件、触发信号和时钟。对于长距离应用，可以利用包括GPS、IEEE1588和IRIG-B等各种时间参考，借助绝对定时实现世界范围的测量结果的关联与同步，而不论测量系统间是否存在直接连接（参见图1）。图1：同步技术的比较2.基于信号的桥梁监测同步架构PXI（面向仪器系统的PCI拓展）提供多个基于信号的同步选项，其中包括一个系统定时槽位、星型触发总线、一个10MHz时钟、一个同步脉冲和一个触发总线。这些同步选项提供了抖动在数十皮秒范围内、时延低于1纳秒的触发信号。PXI平台提供了比任何其他平台都多的同步选项，因为它基于一个PC系统总线并可以方便地连接到所有其他测试与测量仪器控制总线（如VXI、GPIB、LXI、USB等）。为实现基于PC架构（如PXI）的动态信号采集（DSA）设备间的同步，通常需要提供三个定时信号。其中两个信号为触发信号：用于复位设备内部计数器和模数转换器（ADC）的同步脉冲；和用于启动采集的开始触发信号。第三个信号是一个10MHz时钟。该DSA设备将通过锁相环（PLL）将其内部时钟锁定到该10MHz信号上（参见图2）。图2：PXI总线架构UCSD利用这些同步技术，在沃伊特车道和5号州际公路的交叉点上实现了一个桥梁测试床。（Fraser等，2006年）其目标是开发一个面向过境处、国土安全和结构完整性应用的视频摄像头/传感器同步监测与决策支持系统。他们在一台运行NILabVIEW的PXI计算机上集成了图像与传感器数据采集，从而为传感器与摄像头提供了硬件同步。在此系统中，加速度数据和视频信号被连续同步地记录。所有系统通过一个高速无线互联网网络在线工作，支持实时控制与数据传输。目前的数据适合执行与车辆/结构交互相关联的动态响应系统识别。该测试床涉及一个传感器网络的布置，其中包括加速度计、应变计、光纤应变计、电阻应变计、摄像头、热电偶、热敏温度计、湿度计、磁力计以及其他运动与环境传感器等。动态运动传感器用于捕获桥梁的垂直、水平和扭转动态响应，而环境传感器用于分析动态响应特性与环境因素（如温度和相对湿度）的关联，并监测/分析传感器响应与温度的关系。3.基于时间的桥梁监测同步架构一座桥梁所占据的广阔地理区域会使得传感器间隔很长距离。许多测量的内在实时需求需要高级同步技术，以支持其在广域范围内正常工作。传统的基于信号的同步技术通过同轴电缆共享一个采样时钟信号，这对于远远超过300英尺（100米）的应用并不实际可行。对此情况，可以利用全球定位系统（GPS）时间同步，它不需要测量子系统间的直接连接。利用GPS同步，测量系统可以在最广泛的区域内实现同步测量。这归功于GPS的本质特性——它提供了一种共享定时信号的方法，而无需定时线缆与各个测量系统的连接。GPS的另一个优势在于总是依据一个全球标准时间为数据标记时间戳。这使您的数据可以高度可信地与其他系统数据（也与GPS同步）相同步。在确定需要何种同步方案时，严格的同步程度考量非常重要。利用一个有线同步解决方案，您可以实现最严格的精度，但您的系统将受限于线缆的长度。利用GPS同步方案，定时精度因GPS信号的误差而降低，但对定时线缆的长度没有任何限制，因为该方案中根本不需要线缆。任一SHM系统的主要目的在于确定结构的安全性。典型的振动测量与损害检测系统要求特定传感器（如加速度计）之间数据的严格相位与幅值同步。模态分析方法可用于反映桥梁的动态特性。在类似东海大桥或滨州黄河大桥这种建筑结构中，要尝试实现分布式的多个动态信号采集系统之间的同步时，会非常地具有挑战性。东海大桥横跨中国东海，连接上海市与洋山岛。全长超过20英里（32公里），斜拉索结构超过1300英尺（420米），使其成为亚洲最长桥梁之一。斜拉索滨州黄河大桥长度超过1英里（1698米）。两者的监测系统都具有超大的规模，并且有各种参数需要监测和传输。与UCSD的智能桥梁试验床的系统相比，每个系统包含各种与数据采集系统相连的传感器、有线与无线数据传输系统以及面向结构分析与数据库访问的软件。对于一座使用中的桥梁，有三个类别的项目需要监测：1.环境：东海大桥易遭受恶劣的环境条件的影响，如暴风、海浪和高浓度的氯离子。这些因素对于桥梁的正常工作具有相当大的影响。2.维护：从桥梁维护的角度来看，桥墩与桥塔的下陷与移位、桥孔的变形等都是应当监测的重要指示因子。3.事故：对于桥梁可能遭受的事故以及产生的影响而言，其动态特性非常重要。总而言之，应当监测的主要项目如下。环境监测大气温度风力氯离子的侵蚀海浪静态响应与动态响应监测：结构变形结构压力结构动力学线缆张力阻尼器的替换结构温度东海大桥的测量系统覆盖了整个桥体。桥梁被分解成几个部分，每个部分包含一个数据采集站点，且该站点与一个GPS接受装置相连。这些站点间的距离为几英里到数十英里。这些分布在桥体选定位置的数据采集站点组成了整个数据采集系统。每个站点都对其附近安装的传感器进行管理。单个站点有以下的功能：根据所连接传感器的类型进行信号调理，并根据信号数据的不同以相应的数据格式对信号进行采集，处理和管理，同时将数据传送给主机。仅加速计就有超过400只在被持续监测。因为其设计需要详细的分析，该系统在桥梁的建设阶段就部署完成，并已经连续24小时工作超过三年。在东海大桥的案例中，采集系统由NIPXI104518-槽机箱、NIPXI8187控制器、NIPXI6652、6602和4472B模块组成。中心部件是DSA模块——NIPXI4472B，它是输入和采样来自传感器的测量数据的单元。其它的模块用于确保NIPXI4472B正常工作。主要挑战在于广泛分布在多个站点的多块NIPXI4472B模块间的同步。PXI-6652同步模块与来自GPS接收装置的信号连接。该信号在分频后发送至PXI背板，再用作NIPXI4472B模块的过采样时钟。PXI-6602计数器在两个端口同时接收来自GPS接收装置的信号。一个端口的信号通过PXI背板用作sync脉冲，以实现所有NIPXI-4472B模块的采集信号的相位同步。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，PXI-6602再次通过PXI背板，为PXI-4472B生成采集启动触发信号以启动数据采集。由于信号都来自GPS系统，所以它们对于所有站点的所有PXI-4472B模块是完全相同的。从而，一个跨越广阔地理区域，包含多个机箱中多个PXI-4472B模块的数据采集的同步就完成了。利用上述的配置，可以实现覆盖整座桥的同步数据采集，而且可以通过基于NI的软件平台，利用专门针对PXI-6652的NI-Sync、针对PXI-4472B、PXI-6602和PXI-8187的NI-DAQmx模块方便地编程实现。图3：面向加速度计的数据采集系统对于一个通过GPS或其他基于时间的系统实现的同步分布式数据采集系统来说，一个重要的问题是该种同步能够把相位误差控制在什么水平。结果表明，有线同步方法提供了非常严格的同步，这样的同步并不因不同采集而变。然而，GPS同步结果确实存在一些变化，变化范围在20纳秒内。这样的变化是因为GPS所控制的10MHz时钟之间存在差别。这些结果呈现为时间上的失配。典型情况下，所给出的相位失配需求以“度”为单位。图4中的表格展示了一些常见的相位失配需求（单位为“度”）及其与时间失配的对应关系。±0.5◦±1◦±5◦10kHz20kHz92kHz±139ns±69ns±15ns±278ns±139ns±30ns±1.39µs±694ns±150ns图4：该表格展示了相位失配（单位为“度”）与时间失配在不同输入带宽下的相关关系。即使对于一个典型的同步失配±25纳秒，GPS同步仍足够严格以解决要求几乎最严格的同步需求。4.结论本文讨论了同步技术的两种方法：基于信号同步与基于时间同步。您的应用的通道数和地理分布需求决定了您需要使用哪一种方法。