基于USB2.0總線的振動信號測試新技術(shù)與應(yīng)用

摘 要 本文結(jié)合四川拓普數(shù)字設(shè)備有限公司自主研發(fā)的UBOX-20016便攜式振動信號自記儀、UDAQ系列便攜式數(shù)據(jù)采集設(shè)備等產(chǎn)品，剖析了當(dāng)今工程、科技研領(lǐng)域?qū)φ駝有盘枩y試的需求及發(fā)展趨勢，深入介紹了基于USB2.0總線的多通道并行采集、同步擴(kuò)展、實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸、分段存儲、多工作模式、多供電方式、PDA現(xiàn)場移動控制等國內(nèi)領(lǐng)先的軟、硬件新技術(shù)，并列舉了部分典型的實(shí)際工程應(yīng)用，為廣大振動測試用戶提出了一種先進(jìn)、成熟、可靠的完整解決方案。

關(guān)鍵詞：USB2.0，振動測試，實(shí)時傳輸，分段存儲，便攜式，虛擬儀器

0 引 言

在水利水電、建筑、交通、地質(zhì)、能源、水聲、機(jī)械等領(lǐng)域，經(jīng)常涉及到在工程現(xiàn)場或?qū)嶒?yàn)室對相關(guān)振動信號進(jìn)行采集和分析，以實(shí)現(xiàn)施工安全監(jiān)測、地質(zhì)條件分析、設(shè)備故障診斷等目的。

隨著科技、工業(yè)的發(fā)展，工程測振呈現(xiàn)出測點(diǎn)分散化、環(huán)境復(fù)雜化、需求多樣化等新的特點(diǎn)，同時，國家的相關(guān)法規(guī)也逐漸健全。針對這些新的行業(yè)特點(diǎn)，四川拓普數(shù)字設(shè)備有限公司在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化設(shè)計，推出了基于USB2.0總線的虛擬儀器振動測試新技術(shù)和產(chǎn)品。

USB2.0接口測振設(shè)備基于原有產(chǎn)品的優(yōu)異特性，加入了實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸、分段存儲、PDA現(xiàn)場移動控制、多種供電方式等先進(jìn)功能，并且完全符合《爆破安全規(guī)程》GB6722-2003、《機(jī)械振動與沖擊對建筑物振動影響的檢測和評價基本方法及使用導(dǎo)則》GB/T14124-1993等國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，更加適合工程現(xiàn)場測振的需求。本文將結(jié)合具體產(chǎn)品和應(yīng)用案例，對這一新技術(shù)作詳盡闡述與分析，期以為讀者提供一種嶄新的思路和選擇。

1 基于USB2.0總線的振動測試新技術(shù)

1.1 USB2.0總線便攜式多通道并行測振設(shè)備

與原有的TOPBOX-508振動測試設(shè)備相比，新一代的USB2.0總線測試設(shè)備繼承了多通道并行采集、多儀器同步擴(kuò)展的特點(diǎn)，同時在接口方式、最高采樣率、模擬通道數(shù)、功能多樣性、工作靈活性上都有了進(jìn)一步提高，可以組建多達(dá)128通道并行的測試系統(tǒng)。目前主要產(chǎn)品包括UBOX-20016便攜式振動信號自記儀和UDAQ系列便攜式數(shù)據(jù)采集器。

下面將詳細(xì)介紹USB2.0總線測振設(shè)備的實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸、分段存儲技術(shù)、多工作方式、多供電方式、PDA現(xiàn)場移動控制等典型的先進(jìn)軟、硬件特性。

1.2 數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸、實(shí)時顯示與實(shí)時分析

USB2.0總線數(shù)據(jù)傳輸速率的理論值為480Mbps，四川拓普公司的USB2.0測振設(shè)備實(shí)測數(shù)據(jù)傳輸率為256Mbps，因而實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸。

將儀器與計算機(jī)通過USB2.0總線聯(lián)機(jī)，利用USB2.0總線的高速傳輸，使得數(shù)據(jù)在采集的同時實(shí)時地存入計算機(jī)硬盤，理論上存儲空間不再受儀器緩存的限制，用戶也可同時對已存入的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測和分析，而無需將數(shù)據(jù)先存入儀器緩存，再導(dǎo)入計算機(jī)，更加高效方便。這一功能在實(shí)驗(yàn)室等測試地點(diǎn)可直接配備計算機(jī)的場合及用戶要求采集的同時實(shí)時觀測、分析波形的應(yīng)用中尤為實(shí)用，用戶可在采集數(shù)據(jù)的同時對波形、數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測、分析和輸出而不影響設(shè)備工作。

1.3 分段存儲技術(shù)

傳統(tǒng)的測試方法只能實(shí)現(xiàn)將事先設(shè)置了采樣長度的數(shù)據(jù)一次性記錄完畢。工程（比如多次爆破）中可能出現(xiàn)這種情況：整個過程中會若干次出現(xiàn)用戶所關(guān)心的大信號，而這若干次大信號之間的信號為零或者極其微弱，并且用戶也不關(guān)心，也就是說需要測試的信號存在若干段，而各段之間有一定時間間隔，按傳統(tǒng)方法用戶只能記錄完一段后取回設(shè)備導(dǎo)出數(shù)據(jù)，再將設(shè)備放置到現(xiàn)場記錄下一段數(shù)據(jù)。

由于工程中各段信號之間的時間間隔可能長達(dá)數(shù)小時，也可能短到以毫秒計，而且有時無法精確估計，因此傳統(tǒng)的操作方式無疑存在很大的效率缺陷和安全隱患，即使各段之間的時間差確定，人員可以到達(dá)，反復(fù)的搬運(yùn)、操作也使工作異常繁瑣。分段存儲技術(shù)很好地解決了這一弊端。

四川拓普公司的測振設(shè)備采用了這一技術(shù)，可通過軟件將儀器緩存空間有機(jī)設(shè)置為若干個子空間存儲各段信號，目前可以實(shí)現(xiàn)對2N（N=0、1、2、3、4）段信號的連續(xù)、自動記錄。

基本操作方式是：采集前通過軟件設(shè)置好各種采集參數(shù)和需采集的段數(shù)（圖2），儀器在現(xiàn)場可自動捕捉、自動記錄各段信號。儀器記錄完一段信號后，自動進(jìn)入等待觸發(fā)狀態(tài)，當(dāng)下一段信號來臨并滿足觸發(fā)條件后，再自動記錄下一段信號，直到將事先設(shè)置的各段信號記錄完畢。整個過程無需人工干預(yù)。

1.4 多工作模式與多供電方式技術(shù)

振動測試工程中，存在許多危險場合或信號難以傳出的場合，如爆破、高溫、高壓、深井、輻射等，人員無法到場。UBOX-20016和UDAQ系列產(chǎn)品充分考慮現(xiàn)場需求，除了充分便攜外，具備多種工作模式和多種供電方式的優(yōu)異性能。

所謂多工作模式，即該儀器具備脫離計算機(jī)或PDA獨(dú)立工作、通過USB接口與PC聯(lián)機(jī)及通過RS232接口與PDA聯(lián)機(jī)這三種工作方式，非常有效地滿足了工程中各種可能存在的操作。各種工作模式間可根據(jù)現(xiàn)場要求方便地相互轉(zhuǎn)換。在工作靈活性上，UBOX-20016與UDAQ系列設(shè)備無疑處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。

另外，在供電方式上，該儀器提供了外接直流電源、通過USB接口供電和內(nèi)置可充電鋰電池等多種供電方式，也使得設(shè)備在野外的可操作性大大增強(qiáng)。

1.5 GPS衛(wèi)星同步技術(shù)
一些特殊的測試應(yīng)用，如建立振動信號監(jiān)測網(wǎng)，有時需要實(shí)現(xiàn)GPS衛(wèi)星同步功能。四川拓普數(shù)字設(shè)備有限公司針對這一需求，在為這些用戶提供的產(chǎn)品中集成了此功能，使所有聯(lián)入網(wǎng)內(nèi)的儀器都能通過同步衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)如下功能：①判定各儀器位置；②判定數(shù)據(jù)來源（即判定數(shù)據(jù)來源于某位置上的某臺儀器）；③各儀器定時觸發(fā)、定時采集；④各儀器精確同步。

2 功能強(qiáng)大的虛擬儀器軟件技術(shù)

2.1 配套虛擬儀器應(yīng)用軟件TOPView2000

虛擬儀器是當(dāng)今測試儀器發(fā)展的總趨勢，基本思想是利用軟件使得同一硬件平臺實(shí)現(xiàn)各種不同的功能。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在方便性、靈活性和功能多樣性上有不可比擬的優(yōu)勢。

配套虛擬儀器應(yīng)用軟件TOPView2000除了具備通用測試功能外，也集成了專用功能模塊，與硬件設(shè)備一起構(gòu)成了功能強(qiáng)大、操作方便的虛擬儀器，實(shí)現(xiàn)了設(shè)置、采集、分析、輸出一體化，并且支持二次開發(fā)。

對于振動測試，用戶最關(guān)心的通常是振動速度、振動加速度、位移、振動主頻、相位等，對這些指標(biāo)的獲取可以通過配接相應(yīng)的速度傳感器、加速度傳感器和位移傳感器來實(shí)現(xiàn)。但實(shí)際操作中，后兩種傳感器的配接相對煩瑣，經(jīng)常是通過接速度傳感器得到振動速度曲線，再利用軟件的微分、積分、FFT變換等時域、頻域分析功能獲取其它曲線。

2.2 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場移動控制的PDAQ.VIEW

為更好地滿足現(xiàn)場測試的要求，拓普公司開發(fā)了手持式數(shù)據(jù)采集終端：PDAQ.VIEW。

用戶通過儀器自帶的RS232接口與掌上電腦連接，運(yùn)行PDAQ.VIEW，可實(shí)現(xiàn)對儀器的現(xiàn)場移動控制，完成各種參數(shù)設(shè)置和波形分析。同時，結(jié)合PDA自身的藍(lán)牙、紅外及無線網(wǎng)接口，數(shù)據(jù)的傳輸、交換、存儲更加靈活。與運(yùn)行于PC平臺的TOPView2000軟件相比，在PDA上運(yùn)行的PDAQ.VIEW在現(xiàn)場操作中更加方便，同時也繼承了TOPView2000的絕大部分功能，足夠滿足用戶的現(xiàn)場操作要求。

此項(xiàng)功能為目前國內(nèi)獨(dú)有，進(jìn)一步豐富了儀器的工作方式。

2.3 二次開發(fā)功能

配套軟件擁有對各種開發(fā)平臺保持統(tǒng)一的二次開發(fā)接口，通過提供TDEC API動態(tài)鏈接庫，支持使用者在C、C++、Delphi、CVI及LabVIEW等環(huán)境下進(jìn)行專用開發(fā)。

2.4 其它振動測試專用功能

在UBOX-20016振動信號自記儀和UDAQ系列便攜式數(shù)采設(shè)備的軟件設(shè)計中，包含了《振動、沖擊數(shù)據(jù)分析和表示方法》的所有算法。

以爆破測振為例，通常需要對質(zhì)點(diǎn)振動速度和振動加速度進(jìn)行分析，從而判定振動對周圍設(shè)施的影響。美國、瑞典、日本及前蘇聯(lián)的專家均提出了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，我國的《爆破安全規(guī)程》〔GB6722——86〕規(guī)定采用前蘇聯(lián)薩道夫斯基的經(jīng)驗(yàn)公式，振動速度必須以此計算并控制在規(guī)定范圍內(nèi)。薩氏公式如下：

式中：
V—質(zhì)點(diǎn)振動速度（cm/s）
K—介質(zhì)系數(shù)
Q—裝藥量（kg）
R—爆心距（m）
α—衰減系數(shù)

介質(zhì)系數(shù)K與衰減系數(shù)α是由介質(zhì)屬性、爆破方式、地質(zhì)條件而決定的固有常數(shù)，當(dāng)爆破地點(diǎn)和爆破方式確定后K與α即固定。UBOX-20016測振儀的配套軟件中集成了此公式的算法。可通過設(shè)置在測試中自動獲取數(shù)據(jù)并自動加載，也可手工打開數(shù)據(jù)文件，通過這些Q值和R值，軟件將計算出介質(zhì)系數(shù)K與衰減系數(shù)α。

除了可以在軟件中列出各質(zhì)點(diǎn)的裝藥量、距離和振速外，也直接顯示對應(yīng)的振動加速度和主頻。此外，通過各次測試數(shù)據(jù)可以得到V-ρ圖，直觀觀測V（振速）和ρ（裝藥量的3次方根與距離的比值）的關(guān)系。

通過上一步驟計算出的K值和α值，可方便地通過軟件計算出某裝藥量下某距離處的質(zhì)點(diǎn)振速，或者根據(jù)已知的最大振速計算出某裝藥量下的安全距離，通過軟件列表直觀顯示數(shù)據(jù)，無需逐一測試即可分析出振動對該質(zhì)點(diǎn)處建筑物有無影響。（圖8與圖9）

3 工程應(yīng)用分析

3.1 水利水電工程中的應(yīng)用

國內(nèi)某大型水利水電工程的施工過程中，涉及到對RCC圍堰進(jìn)行爆破拆除。由于爆破地點(diǎn)附近存在大壩、隧道、金屬結(jié)構(gòu)、發(fā)電機(jī)組等大量重要設(shè)施，必須確保振動對這些設(shè)施不造成危害，爆破難度較大，爆破數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性尤為重要。同時根據(jù)實(shí)驗(yàn)構(gòu)思，爆破中將存在若干分段的被測信號，各段信號的時間間隔無規(guī)律性，用戶由此要求測振儀應(yīng)能精確、完整地對各段信號進(jìn)行全過程自動化記錄。

專家組深入調(diào)查后認(rèn)為四川拓普公司的UBOX-20016振動自記儀技術(shù)成熟，性能優(yōu)越，并能連續(xù)、自動地記錄多段信號，完全符合實(shí)驗(yàn)要求，最終選定了這一產(chǎn)品。
在爆破實(shí)驗(yàn)中，UBOX-20016和配套傳感器被布置到各測點(diǎn)，順利完成了對各段振動信號的精確記錄。用戶對各段波形進(jìn)行分析，通過薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式的計算得到了重要數(shù)據(jù)，為全線爆破拆除提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。下圖為用戶輸出到MS-word中的實(shí)際波形（劃圈處為用戶關(guān)心的振動最大值）：

3.2 工程爆破測振中的應(yīng)用

在某建筑爆破工程中，使用了若干UBOX-20016振動自記儀和垂直向、水平向速度傳感器構(gòu)成了一個多點(diǎn)爆破測振系統(tǒng)，爆破現(xiàn)場布置示意圖如下：

各位置的測振儀（UBOX-20016）負(fù)責(zé)記錄不同方向、不同距離質(zhì)點(diǎn)的振動速度。在該工程中，用戶只進(jìn)行了簡單的參數(shù)設(shè)置后啟動采集，即撤離了現(xiàn)場，啟爆后各臺儀器自動記錄了波形并存儲，用戶事后將儀器與筆記本聯(lián)機(jī)進(jìn)行了所關(guān)心的波形分析，測試過程方便、高效、可靠。

3.3 核試驗(yàn)中的應(yīng)用

核試驗(yàn)由于現(xiàn)場環(huán)境極其惡劣，測試通常需要實(shí)現(xiàn)無人值守。

核工業(yè)部某單位的某大型野外核試驗(yàn)中，采用了多臺UDAQ-10016便攜式數(shù)據(jù)采集器和配套傳感器組成了一個大型監(jiān)測網(wǎng)，用戶按照試驗(yàn)規(guī)劃將各儀器被布置在不同測點(diǎn)，可靠實(shí)現(xiàn)了核條件下對振動、沖擊的測試。在此試驗(yàn)中，各臺測試儀均按用戶要求集成了GPS衛(wèi)星同步通訊功能，實(shí)現(xiàn)利用同步衛(wèi)星對監(jiān)測網(wǎng)內(nèi)所有儀器進(jìn)行定時、定位、同步等操作，整個試驗(yàn)高度自動化。

4 結(jié)束語

在我國，對各種振動效應(yīng)的監(jiān)測逐漸形成了自己的系統(tǒng)和手段，四川拓普數(shù)字設(shè)備有限公司的USB2.0總線振動測試技術(shù)與產(chǎn)品具有系統(tǒng)組建靈活方便、使用簡單快捷、工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)、軟/硬件件功能強(qiáng)大、數(shù)據(jù)處理迅速的特點(diǎn)，進(jìn)一步推動了振動測試儀器向智能化與小型化的發(fā)展，使測振技術(shù)發(fā)展提高到一個新的階段。目前，該系列測振設(shè)備已在國內(nèi)許多工程領(lǐng)域的大、中、小型工程項(xiàng)目中大量成功應(yīng)用，取得了顯著成效。

參 考 文 獻(xiàn)

1、爆破安全規(guī)程 GB6722-2003
2、機(jī)械振動與沖擊對建筑物振動影響的檢測和評價基本方法及使用導(dǎo)則 GB/T14124- 1993
3、爆破工程施工安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用手冊
4、劉殿中.工程爆破實(shí)用手冊
5、四川拓普數(shù)字設(shè)備有限公司產(chǎn)品型錄
6、張智宇，廟延鋼，楊旻.TOPBOX振動自記儀在爆破振動測試中的應(yīng)用
7、王育陽.漿砌石壩爆破拆除及監(jiān)測技術(shù)
8、李芳.水下爆破對施工中的防波堤的影響與防護(hù)
9、汪旭光，于亞倫.關(guān)于爆破震動安全判據(jù)的幾個問題