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 周年強(qiáng)1,2，張高勤1

 （1．南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心，江蘇  南京  210037;2．同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海  200092）

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)位移計(jì)只能測(cè)量被測(cè)面垂直位移反應(yīng)，不方便應(yīng)用于一些特殊場(chǎng)合的情況，提出了基于 Lab VIEW軟件的測(cè)量角度自動(dòng)修正的位移測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)首先利用3D角度傳感器測(cè)量初始安裝平面 與變形表面的空間矢量夾角，在隨后正式的測(cè)量過程中根據(jù)夾角余弦值（或正弦值）對(duì)激光位移計(jì)測(cè)得的位移值進(jìn)行角度修正，由此可得到被測(cè)面的準(zhǔn)確位移值。

關(guān)鍵詞：位移測(cè)量；測(cè)量角度自動(dòng)修正；Lab VIEW系統(tǒng) 中圖分類號(hào)：TP273

0  引言

 目前位移計(jì)或位移傳感器已經(jīng)發(fā)展的十分成熟，基于各種設(shè)計(jì)原理、量程和精度的位移計(jì)可滿足客戶的不同測(cè)試需求，大量應(yīng)用于各個(gè)科研和生產(chǎn)領(lǐng)域。然而由于測(cè)試的環(huán)境因素以及測(cè)試人員操作水平的高低，測(cè)試中總是或多或少帶來較大的測(cè)試誤差，未能發(fā)揮位移計(jì)本身應(yīng)有的精度。這其中的主要影響因素就是位移計(jì)伸縮桿未能垂直于試件變形面。本文設(shè)計(jì)了一套可以進(jìn)行測(cè)量安裝角度修正的位移測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)將激光位移計(jì)、3D角度傳感計(jì)和NI-USB數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行集成整合，實(shí)現(xiàn)了伸縮桿與變形面為非垂直狀態(tài)下位移數(shù)值的測(cè)量和精確的位移計(jì)算。

1  測(cè)量角度自動(dòng)修正的位移測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量原理

 對(duì)于傳統(tǒng)的位移測(cè)量系統(tǒng)，常會(huì)有一些不方便以正常姿態(tài)進(jìn)行安裝的情況。如圖1所示，受安裝空間所限，傳統(tǒng)位移計(jì)無法垂直安裝在梁正下方來測(cè)量其底部的變形。但利用測(cè)量角度自動(dòng)修正的位移測(cè)量系統(tǒng)將位移計(jì)傾斜后就可以“斜向”測(cè)試底部變形，之后進(jìn)行計(jì)算可得到精確梁底豎向位移。對(duì)于一些破壞性實(shí)驗(yàn)，由于結(jié)構(gòu)可能在試驗(yàn)過程中突然發(fā)生大的位移（或變形），如果在突變發(fā)生前沒能及時(shí)撤出位移計(jì)，劇烈的位移反應(yīng)很可能對(duì)傳感器造成損傷甚至是損壞。使用本測(cè)量系統(tǒng)可以有效避免此類事故的發(fā)生，只要將激光位移計(jì)斜向放置，避開位移范圍，以激光束來斜向測(cè)試變形體的位移值，再結(jié)合測(cè)試角度通過測(cè)量系統(tǒng)分析計(jì)算，即可得到正確的位移值，且可以安全地測(cè)試到破壞現(xiàn)象的發(fā)生。

 圖2為采用普通位移計(jì)測(cè)試梁結(jié)構(gòu)受彎的試驗(yàn)。測(cè)試時(shí)必須將位移計(jì)垂直于梁底，受力后的梁底變形等于位移計(jì)測(cè)量值，當(dāng)安裝位移計(jì)出現(xiàn)不垂直時(shí)，梁底變形顯然不等于位移計(jì)測(cè)量值，且豎向變形小于位移測(cè)量值。

 圖3為采用角度位移聯(lián)合測(cè)試梁結(jié)構(gòu)受彎試驗(yàn)。由圖3可知道，只要得知桿壓縮量L（即位移測(cè)量值）和位移方向與伸縮桿方向的夾角θ就可以通過式(1)得到位移真實(shí)值△：

 測(cè)試過程如下：先將試件安裝就位，位移計(jì)僅需就近固定，其伸縮桿（或激光束）指向變形發(fā)生點(diǎn)處，毋須調(diào)整垂直度，然后即可利用本系統(tǒng)開始進(jìn)行測(cè)量工作。具體測(cè)試步驟如下：①兩個(gè)空間矢量的測(cè)量與夾角θ的計(jì)算：即將角度傳感器分別放置在變形表面和傳感器激光束的垂直面上，得到兩個(gè)空間平面矢量值，系統(tǒng)根據(jù)幾何知識(shí)自動(dòng)計(jì)算空間夾角；②桿壓縮量I的測(cè)量：即由激光位移計(jì)采集位移增量；③真實(shí)位移值△的計(jì)算：即將角度的三角函數(shù)值與位移增量相乘得到真實(shí)值。隨試驗(yàn)的進(jìn)展不斷重復(fù)步驟②和③，直至試驗(yàn)結(jié)束。

2測(cè)量角度自動(dòng)修正的位移測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

 與目前大多數(shù)的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)類似，本系統(tǒng)主要由硬件部分和軟件部分組成。硬件部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，軟件部分實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理分析和顯示。測(cè)量角度自動(dòng)修正的位移測(cè)量系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖4所示。

2.1硬件設(shè)計(jì)

  硬件部分主要包括位移計(jì)、3D角度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和PC機(jī)。其中，位移計(jì)選用基恩士公司生產(chǎn)的IL-300激光位移傳感器，輸出為土5V范圍內(nèi)的電壓模擬量，具有高精度、高頻響和方便安裝等特點(diǎn)，但成本比較高，實(shí)際應(yīng)用中，價(jià)格低廉的伸縮桿式位移傳感器只需稍微修改一些程序也是合適的；3D角度傳感器選用國產(chǎn)瑞芬科技的軍工級(jí)產(chǎn)品DCM260B三維電子羅盤，其可實(shí)現(xiàn)高達(dá)0.1。的高精度三維角度測(cè)量，并且具有硬磁和軟磁校準(zhǔn)算法，即使在磁場(chǎng)干擾環(huán)境中也能通過校準(zhǔn)達(dá)到最佳效果，適用于精確的導(dǎo)航和定位，輸出為數(shù)字量，通過RS232接口直接與電腦通訊；數(shù)據(jù)采集卡選用美國國家儀器公司的NI-USB9215，該板卡具有16位分辨率，4路電壓模擬量輸入，使用該采集卡可以同時(shí)接入4路位移傳感器，完全滿足使用需求。

2.2軟件設(shè)計(jì)

  軟件是本系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)軟件部分主要有：①傳感器數(shù)據(jù)的采集，包括位移值和角度值（3個(gè)轉(zhuǎn)角值）；②空間矢量定義和空間夾角的計(jì)算；③結(jié)構(gòu)變形值（位移值）的實(shí)時(shí)計(jì)算。

2.2.1傳感器數(shù)據(jù)的采集

  位移值是由激光位移計(jì)轉(zhuǎn)化成電壓模擬量進(jìn)行表達(dá)的，其電壓信號(hào)線通過差分方式直接接入NI-USB9215的BNC接口即可。9215采集卡通過高速USB數(shù)據(jù)線與PC機(jī)相連，在LabVIEW開放平臺(tái)中直接調(diào)用相應(yīng)采集函數(shù)（子VI）可以很方便地得到電壓模擬量數(shù)據(jù)。其中“channel settings”子VI完成通道的設(shè)置，如采集卡地址及通道選擇、所輸入電壓的范圍、信號(hào)接人方式是單端還是差分；“timing setting”子vi完成對(duì)信號(hào)時(shí)鐘源的定義和采樣率的定義等。位移數(shù)據(jù)的采集程序框圖如圖5所示。

 任意空間矢量的角度數(shù)據(jù)值經(jīng)由三維電子羅盤轉(zhuǎn)化成數(shù)字量輸出，且通過RS232接口與電腦進(jìn)行通訊，在LabVIEW開發(fā)平臺(tái)中有專門為RS232接口進(jìn)行通訊的函數(shù)。三維角度值的獲取程序框圖如圖6所示，通過“visa串口配置”函數(shù)指定串口地址和波特率完成對(duì)傳感器的配置和調(diào)用，根據(jù)試驗(yàn)需求，在“vi-sa寫入”函數(shù)中向緩沖區(qū)寫入指定字符串，然后在“vi-sa讀取”函數(shù)中，讀取字節(jié)總數(shù)為14的字符串?dāng)?shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)即是包含角度值數(shù)據(jù)的字符串。根據(jù)產(chǎn)品協(xié)議，在“visa寫入”函數(shù)的“寫入緩沖區(qū)”連線中輸入“讀Pitch、Roll、Heading角度”命令：6804 0004 08，運(yùn)行程序則可以得到傳感器應(yīng)答回復(fù)的角度值，即傳感器繞y軸、X軸和Z軸旋轉(zhuǎn)的角度，其中繞Z軸的轉(zhuǎn)角θz：為平面方位角，當(dāng)θz=0時(shí)矢量在水平面上的投影指向正南。有了這3個(gè)轉(zhuǎn)角值就可以確定任意空間矢量的坐標(biāo)，例如，從緩沖區(qū)中得到關(guān)于傳感器應(yīng)答回復(fù)的數(shù)據(jù)為：“680D 0084 0022 2000 2680 0051 602A”，其

中角度數(shù)據(jù)段是“0022 2000 2680 0051 6”，即θy=22.20，θx= 26. 80，θz=51.6，此時(shí)該空間矢量按繞坐標(biāo)轉(zhuǎn)角的分解如圖7所示。

2.2.2空間矢量定義和空間夾角的計(jì)算

  根據(jù)實(shí)際的測(cè)量情況，選擇采用夾角0的正弦值或余弦值。當(dāng)B為測(cè)量面的垂線時(shí)一般采用角度的余弦值；當(dāng)B為測(cè)量面內(nèi)的任意一矢量時(shí)，一般采用正弦值。使用Lab VIEW軟件中自帶的“公式節(jié)點(diǎn)”vi函數(shù)來實(shí)現(xiàn)兩空間矢量夾角的計(jì)算，其計(jì)算程序框圖如圖9所示，直接在“公式節(jié)點(diǎn)”vi框中填人公式(3)即可。

2.2.3真實(shí)位移的計(jì)算

 將位移測(cè)量值與空間夾角的余弦（或者正弦）進(jìn)行相乘即可得到真實(shí)位移。由于該函數(shù)值在測(cè)量中是不變化的，故每次循環(huán)改變的只是位移測(cè)量值。真實(shí)位移的計(jì)算程序框圖如圖10所示。

 本位移測(cè)量系統(tǒng)的前面板（程序用戶界面）如圖11所示，基于此原理的位移測(cè)量可以適用于大多數(shù)位移測(cè)試試驗(yàn)，只需要修改部分程序即可。

3  結(jié)束語

 經(jīng)過在土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中的大量使用，結(jié)果表明：基于3D角度傳感器和激光位移計(jì)的位移測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果真實(shí)可信，安裝操作流程更加簡化，與傳統(tǒng)位移計(jì)相比，自動(dòng)化程度高，并可以應(yīng)用于狹小空間完成位移測(cè)量工作。如果在此思路的基礎(chǔ)上將采集和計(jì)算處理功能進(jìn)一步集成到傳統(tǒng)位移計(jì)機(jī)身內(nèi)部，并外接3D角度傳感器，則在方便攜帶的同時(shí)，亦可以大大提高測(cè)量工作的效率。本裝置已經(jīng)獲得國家發(fā)明專利，專利號(hào)：ZL2011 10429217.0。