基于USB2.0總線的振動信號測試新技術與應用

摘 要 本文結合四川拓普數(shù)字設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)采集設備等產(chǎn)品，剖析了當今工程、科技研領域對振動信號測試的需求及發(fā)展趨勢，深入介紹了基于USB2.0總線的多通道并行采集、同步擴展、實時數(shù)據(jù)傳輸、分段存儲、多工作模式、多供電方式、PDA現(xiàn)場移動控制等國內領先的軟、硬件新技術，并列舉了部分典型的實際工程應用，為廣大振動測試用戶提出了一種先進、成熟、可靠的完整解決方案。

關鍵詞：USB2.0，振動測試，實時傳輸，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、能源、水聲、機械等領域，經(jīng)常涉及到在工程現(xiàn)場或實驗室對相關振動信號進行采集和分析，以實現(xiàn)施工安全監(jiān)測、地質條件分析、設備故障診斷等目的。

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

USB2.0接口測振設備基于原有產(chǎn)品的優(yōu)異特性，加入了實時數(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功能，并且完全符合《爆破安全規(guī)程》GB6722-2003、《機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則》GB/T14124-1993等國家標準和行業(yè)規(guī)范，更加適合工程現(xiàn)場測振的需求。本文將結合具體產(chǎn)品和應用案例，對這一新技術作詳盡闡述與分析，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

1.1 USB2.0總線便攜式多通道并行測振設備

與原有的TOPBOX-508振動測試設備相比，新一代的USB2.0總線測試設備繼承了多通道并行采集、多儀器同步擴展的特點，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一步提高，可以組建多達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。

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

1.2 數(shù)據(jù)的實時傳輸、實時顯示與實時分析

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測振設備實測數(shù)據(jù)傳輸率為256Mbps，因而實現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的實時傳輸。

將儀器與計算機通過USB2.0總線聯(lián)機，利用USB2.0總線的高速傳輸，使得數(shù)據(jù)在采集的同時實時地存入計算機硬盤，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)進行觀測和分析，而無需將數(shù)據(jù)先存入儀器緩存，再導入計算機，更加高效方便。這一功能在實驗室等測試地點可直接配備計算機的場合及用戶要求采集的同時實時觀測、分析波形的應用中尤為實用，用戶可在采集數(shù)據(jù)的同時對波形、數(shù)據(jù)進行觀測、分析和輸出而不影響設備工作。

1.3 分段存儲技術

傳統(tǒng)的測試方法只能實現(xiàn)將事先設置了采樣長度的數(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備導出數(shù)據(jù)，再將設備放置到現(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，反復的搬運、操作也使工作異常繁瑣。分段存儲技術很好地解決了這一弊端。

四川拓普公司的測振設備采用了這一技術，可通過軟件將儀器緩存空間有機設置為若干個子空間存儲各段信號，目前可以實現(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，自動進入等待觸發(fā)狀態(tài)，當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，直到將事先設置的各段信號記錄完畢。整個過程無需人工干預。

1.4 多工作模式與多供電方式技術

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或PDA獨立工作、通過USB接口與PC聯(lián)機及通過RS232接口與PDA聯(lián)機這三種工作方式，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換。在工作靈活性上，UBOX-20016與UDAQ系列設備無疑處于國內領先地位。

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

1.5 GPS衛(wèi)星同步技術
一些特殊的測試應用，如建立振動信號監(jiān)測網(wǎng)，有時需要實現(xiàn)GPS衛(wèi)星同步功能。四川拓普數(shù)字設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)內的儀器都能通過同步衛(wèi)星實現(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 功能強大的虛擬儀器軟件技術

2.1 配套虛擬儀器應用軟件TOPView2000

虛擬儀器是當今測試儀器發(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，與硬件設備一起構成了功能強大、操作方便的虛擬儀器，實現(xiàn)了設置、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，對這些指標的獲取可以通過配接相應的速度傳感器、加速度傳感器和位移傳感器來實現(xiàn)。但實際操作中，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，運行PDAQ.VIEW，可實現(xiàn)對儀器的現(xiàn)場移動控制，完成各種參數(shù)設置和波形分析。同時，結合PDA自身的藍牙、紅外及無線網(wǎng)接口，數(shù)據(jù)的傳輸、交換、存儲更加靈活。與運行于PC平臺的TOPView2000軟件相比，在PDA上運行的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。

此項功能為目前國內獨有，進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)采設備的軟件設計中，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，通常需要對質點振動速度和振動加速度進行分析，從而判定振動對周圍設施的影響。美國、瑞典、日本及前蘇聯(lián)的專家均提出了相關經(jīng)驗公式，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)驗公式，振動速度必須以此計算并控制在規(guī)定范圍內。薩氏公式如下：

式中：
V—質點振動速度（cm/s）
K—介質系數(shù)
Q—裝藥量（kg）
R—爆心距（m）
α—衰減系數(shù)

介質系數(shù)K與衰減系數(shù)α是由介質屬性、爆破方式、地質條件而決定的固有常數(shù)，當爆破地點和爆破方式確定后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，軟件將計算出介質系數(shù)K與衰減系數(shù)α。

除了可以在軟件中列出各質點的裝藥量、距離和振速外，也直接顯示對應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點振速，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點處建筑物有無影響。（圖8與圖9）

3 工程應用分析

3.1 水利水電工程中的應用

國內某大型水利水電工程的施工過程中，涉及到對RCC圍堰進行爆破拆除。由于爆破地點附近存在大壩、隧道、金屬結構、發(fā)電機組等大量重要設施，必須確保振動對這些設施不造成危害，爆破難度較大，爆破數(shù)據(jù)準確性尤為重要。同時根據(jù)實驗構思，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能精確、完整地對各段信號進行全過程自動化記錄。

專家組深入調查后認為四川拓普公司的UBOX-20016振動自記儀技術成熟，性能優(yōu)越，并能連續(xù)、自動地記錄多段信號，完全符合實驗要求，最終選定了這一產(chǎn)品。
在爆破實驗中，UBOX-20016和配套傳感器被布置到各測點，順利完成了對各段振動信號的精確記錄。用戶對各段波形進行分析，通過薩道夫斯基經(jīng)驗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依據(jù)。下圖為用戶輸出到MS-word中的實際波形（劃圈處為用戶關心的振動最大值）：

3.2 工程爆破測振中的應用

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成了一個多點爆破測振系統(tǒng)，爆破現(xiàn)場布置示意圖如下：

各位置的測振儀（UBOX-20016）負責記錄不同方向、不同距離質點的振動速度。在該工程中，用戶只進行了簡單的參數(shù)設置后啟動采集，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)機進行了所關心的波形分析，測試過程方便、高效、可靠。

3.3 核試驗中的應用

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

核工業(yè)部某單位的某大型野外核試驗中，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)，用戶按照試驗規(guī)劃將各儀器被布置在不同測點，可靠實現(xiàn)了核條件下對振動、沖擊的測試。在此試驗中，各臺測試儀均按用戶要求集成了GPS衛(wèi)星同步通訊功能，實現(xiàn)利用同步衛(wèi)星對監(jiān)測網(wǎng)內所有儀器進行定時、定位、同步等操作，整個試驗高度自動化。

4 結束語

在我國，對各種振動效應的監(jiān)測逐漸形成了自己的系統(tǒng)和手段，四川拓普數(shù)字設備有限公司的USB2.0總線振動測試技術與產(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、軟/硬件件功能強大、數(shù)據(jù)處理迅速的特點，進一步推動了振動測試儀器向智能化與小型化的發(fā)展，使測振技術發(fā)展提高到一個新的階段。目前，該系列測振設備已在國內許多工程領域的大、中、小型工程項目中大量成功應用，取得了顯著成效。

參 考 文 獻

1、爆破安全規(guī)程 GB6722-2003
2、機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則 GB/T14124- 1993
3、爆破工程施工安全技術標準實用手冊
4、劉殿中.工程爆破實用手冊
5、四川拓普數(shù)字設備有限公司產(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用
7、王育陽.漿砌石壩爆破拆除及監(jiān)測技術
8、李芳.水下爆破對施工中的防波堤的影響與防護
9、汪旭光，于亞倫.關于爆破震動安全判據(jù)的幾個問題