光纤Bragg 光栅桥梁振动监测系统软件的设计与实现

0 前言

由于承受动态荷载并受周围大气、温度和湿度等因素影响, 投入使用多年后的大型桥梁结构容易发生劣化。因而, 对桥梁结构进行长期的健康检测非常必要。信号传感及采集与处理系统是大型桥梁健康检测系统中的重要组成部分。大桥所处的特殊环境给传统传感器的装置及维护带来一定困难, 使用新一代光无源器件光纤Bragg 光栅可较好解决这个问题。

1 光纤Bragg 光栅桥梁振动检测系统用紫外激光写入的光纤光栅, 可在外力作用下引起光栅微小形变, 使光栅的Bragg 中心反射波长移动, 产生应变传感效应。光纤光栅传感器以波长编码的特点,克服了强度调制传感器必须补偿光纤连接器和耦合器损耗,以及光源输出功率起伏的弱点, 在波分或时分多参数传感应用中,易于制作灵巧结构的光纤传感器网络, 其敏感部分写入在芯区,无需光纤连接器、机械装配、研磨工艺和对准工艺。除此之外,光纤光栅还具有灵敏度高、动态范围大、易于光纤耦合、插入损耗低、结构简单和体积小等优点。桥梁振动检测系统以光纤Bragg 光栅传感器进行信号的传感与传输, 利用Bragg光栅对应力和温度的敏感性和光的反射原理, 能够实时探测桥梁振动的变化。所以一些斜拉索桥梁的健康度监控系统采用了光纤Bragg 光栅传感器。整个系统的结构如图1 所示。

从图中可以看出, 现场的振动监测信号(应力信号)由光纤Bragg 光栅传感器采集, 经过调制器转换为电信号后输入A/D采集器。A/D 采集器通过USB 接口将电信号输入给计算机。本系统涉及的是在光纤Bragg 光栅桥梁健康度监控系统中计算机数据采集和频谱显示模块的设计与实现方法。

2 实时显示部分设计目前众多有关光纤光栅的文献直接采用的结果是取样光纤光栅折射率调制的包络是矩形树状函数。所以, 可采用傅立叶变换分析法对它的光谱特性进行分析。本系统除了提供采集原始数据、实时显示波形、由波形数据实时计算岀索力等功能外, 还必须对输入的原始数据进行傅立叶变换, 使其可以显示频域的波形, 也就是说波形的显示可以在时域与频域之间转换。为了便于分析对比, 系统必须根据工程需求不断地保存原始数据。2.1 信号的采集本系统采用UA302/H 型A/D 采集器, 该采集器通过USB 接口与计算机相连。模式输入端最多可支持32 通道。为达到数据采集与波形显示同步的目的采用一个线程采集数据。当用户在界面上设置好采样的频率、通道数、起始通道和程控放大倍数后, 就可以启动该线程进行数据采集。数据采集主要调用了UA302/H 型A/D 采集器自带动态链接库提供的相关函数, 由于是多通道采集, 采集线程中主要调用的函数和作用为: minit2 采集通道初始化; readdata2 数据采集; endread2 端口关闭。

2.2 利用快速傅立叶变换进行时域和频域的转换由于工程技术人员需要分析频谱特性, 所以软件必须能将信号的时域形式转换为频域形式。傅立叶分析可以完成这种转换, 但是如果利用傅立叶变换将涉及到对连续函数进行积分运算, 运算量过大, 而且不利于计算机实现。本软件采用的是快速傅立叶变换算法, 既达到频谱分析的目的, 又易于计算机实现。软件设计了一个快速傅立叶变换算法类CFftFourier。当需要进行傅立叶变换时, 实例化一个该类的对象后调用类中定义的方法ComplexFFt, 得到傅立叶变换的实部与虚部。

3 采用内存映射技术实现历史数据的保存与显示软件需要提供显示历史波形和频谱的功能,以便于分析对比。为实现这个功能需要存储定时采集的波形数据, 而且为了加快历史频谱显示, 也要存储转换后的频谱数据。但是这样会带来以下问题:A/D采集器有32 个通道, 各个通道同时采集数据, 一次分别采集8K个数据。每个通道原始数据和变换后的数据以及数据的采样时间( 精确到秒) 都要求按一定的时间间隔实时存入数据库。如果数据直接放入数据库中数据量过大而且冗余严重。所以采取以下方法对数据进行存取。

3.1 数据的存储将每个通道一次读取的数据和变换后的数据分别存入两个单独的文本文件。文件都以通道号, 存储时的年月日时分秒命名, 经过傅立叶转换后的数据的存储文件名开头加入一个英文字符“f”为标记。按采样时刻仅将文件名相对路径存入数据库中对应的通道号对应的记录。这样当读历史数据时根据文件名就可以一次性取出某一通道某一时刻采集的波形数据或频谱数据。例如第一通道在2006 年4 月16 日10 点58 分38 秒存储的文件名在数据库中存储的方式为: ..\data\120060415105838.txt, 直接读取该字段就能得知波形数据文件名为“120060415105838.txt”, 频谱数据文件名为f120060415105838.txt”。

3.2 数据写入与读取的方法由于要同时写64 个文件, 并且每个文件有8k, 如果对文件的操作耗费系统资源过大将使实时显示的波形失真, 有时甚至导致死机。保存实时性较强的数据文件, 采用内存映射的方式来加以处理比较合适。内存映射通过内存映射文件保留一个地址空间的区域, 同时将物理存储器提交给该区域, 内存文件映射的物理存储器来自一个已经存在于磁盘上的文件, 而非系统的页文件, 而且在对该文件进行操作之前必须首先对文件进行映射, 如同将整个文件从磁盘加载到内存、因此使用内存映射文件处理存储于磁盘上的文件时, 将不必再对文件执行I/O 操作。由于取消了将文件数据加载到内存, 数据从内存到文件的回写以及释放内存块等步骤, 使得内存映射文件在处理数据文件时能够保证数据的实时性。通过上述分析, 经过多次实验最后采取内存映射的方式处理文件并取得满意效果。在实践过程中, 内存映射文件实质上是将文件内容和进程虚拟地址空间的一部分联系起来, 由系统创建一个filemapping对象以保存该联系。这样只需要将一个地址范围直接映射到该文件即可。当进程访问相关内存页的时候, 操作系统将为其分配内存, 并从硬盘中读取、写入数据。在实践中使用的方法如下:HANDLE hFile_fft = CreateFile(f_name,GENERIC_WRITE |ENENRIC_READ,FILE_SHARE_READ,NULL,CREATE_ALWAYS,FILE_FLAG_SEQUENTIAL_SCAN,NULL);HANDLE hFileMapping_fft=CreateFileMapping (hFile_fft,NULL,PAGE_READWRITE,0,10*LEN,NULL);......CloseHandle(hFile_fft);hMapView_fft =(char*)::MapViewOfFile(hFileMapping_fft,FILE_MAP_WRITE,0,0,0);......for(m;m<strlen(strTemp);m++){hMapView_fft[j]=strTemp[m];}.......CloseHandle(hFileMapping_fft);通过内存映射的方法将I/O 操作交给操作系统处理, 大大提高了文件读写的速度, 在实时采集数据并显示波形的同时,数据保存时间到进行数据存储时显示波形基本没有失真的现象。

4 结论光纤光栅是一种新型光子器件, 具有良好的发展前景。用光纤光栅作为传感元件,可实现精密位移量和温度变化的测量,但其数据分析须依靠计算机来完成。本文针对系统实现中出现的存储与处理实时数据时耗费系统资源过大导致波形失真与死机问题, 提出了以文件存储数据, 采用内存映射方式进行数据处理的方法, 实现了数据实时采集, 再转换采集的数据, 实时显示波形和频谱图形。同时系统提供历史数据供查询与显示, 给工程技术人员提供了可靠, 直观的方法进行桥梁健康度的分析。