Labview 在巖土工程測試中的應用探討

曹永生 劉裕華

(電力規劃設計總院，北京 100120)

1 虛擬機與Labview簡介

所謂虛擬儀器(Virtual Instrument)，是指以通用計算機作為系統控制器，由軟件來實現人機交互和大部分儀器功能的一種計算機儀器系統［1］。通過I/O接口設備完成信號的采集與測量。通俗的講，虛擬儀器是基于計算機的儀器。計算機和儀器的密切結合是目前儀器發展的一個重要方向。粗略地說這種結合有兩種方式，一種是將計算機裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大，目前已經出現含嵌入式系統的儀器。還有一種方式是在計算機中嵌入儀器，在計算機硬件和操作系統的基礎上實現各種儀器功能，簡而言之，是一種虛擬機的概念，其涉及數據采集以及后期信號處理的功能［2］。

Labview作為一種強大的虛擬機，正是因此而產生的，但它不僅僅作為虛擬機，同時還是一種程序開發環境，由美國國家儀器(NI)公司研制開發的，采用圖形化語言編輯，形成程序框圖。

2 Labview程序設計

Labview程序主要包括前面板、程序框圖、連接器三部分。其中前面板采用交互式圖形化用戶界面，用于設置輸入數值和觀察輸出。程序框圖定義VI功能的圖形化源代碼，利用圖形語言對前面板的控制量和指示量進行控制。連接器是把各子程序連接在一起便于調用［3］。

本文根據需要所設計的Labview程序包括三個模塊，分別是:信號采集模塊、信號處理模塊、信號記錄模塊。其中信號采集模塊需要設置觸發信號，也即設定信號強度閾值，超過此閾值后的數值將被完整記錄下來。然后進入信號處理模塊，信號處理包括頻譜分析、濾波、積分等運算，可以得到按要求處理后的結果。最后通過寫入文件記錄有效數據，得到最終結果。

以數據采集模塊為例，說明本文中所采用的Labview程序應用。圖1為數據采集模塊程序框圖，通過在采集程序設置停止按鈕來控制數據采集的起始，采集到的數據通過兩個通道輸出，其一將原始數據全部輸出，并通過表格記錄下來，另一通過觸發與門限程序，即通過此程序的數據為某時刻數值超過此閾值后的數據。觸發后所采集的數據可以寫入文件保存，或者進入信號分析模塊進行進一步信號分析與計算。

圖2為采集過程中的操作界面。界面中設有數據采集操作按鈕，數據記錄表格可實時觀測具體的數據，右上面板為所有數據隨時間的變化波形圖，右下面板為通過門限閾值觸發后數據隨時間變化的波形圖。

圖1 數據采集模塊程序框圖

圖2 數據采集程序操作面板

圖3為數據采集程序代碼。其中的外框圖為循環操作，左側可設置數據采樣的數量，右側為即時寫入文件保存的模塊。整個代碼通過圖標及連接線連接，操作簡單方便且便于檢查。

3 應用實例

本文嘗試采用Labview程序采集在標準貫入試驗中凈重為63.5 kg的沖擊錘錘擊鉆桿后在鉆桿質點上所產生的加速度。

試驗的設計思路為:首先在標準貫入試驗的鉆桿上安裝加速度傳感器，然后將加速度傳感器連接到數據采集設備模塊上，最后將數據采集模塊連接到計算機，通過計算機控制沖擊錘錘擊后鉆桿質點的加速度動態數據的變化(見圖4)。

圖3 數據采集程序代碼

圖4 鉆桿受錘擊振動后加速度的數據采集與處理

圖5 為經過沖擊錘錘擊后經觸發后記錄的原始加速度數據，由圖5可知，加速度值最大超過40 000 m/s2。

圖5 加速度原始數據歷時曲線

對加速度歷時曲線進行離散傅里葉變換(DFT)，將時域信號變為頻域信號，如圖6所示，可知頻率范圍為0 kHz～50 kHz，其中譜密度最大的頻率為0.585 94 kHz，其他的頻率或周期應該對應于彈性應力波在各鉆桿接頭的反射、橫向反射干擾以及其他干擾波。

圖6 快速傅里葉變換（FFT）后的頻譜分析圖

經數據濾波模塊，可設置不同的濾波頻率，最終的濾波結果見圖7。將濾波后的結果進行積分計算模塊，得到速度隨時間的變化，見圖8。由圖8可知，速度隨時間呈逐漸減小為零的趨勢，并在下降途中有若干個極限值。

將速度歷時曲線輸入二次積分計算模塊，可以得到位移歷時曲線，見圖9。由圖9可知，位移的最大值也即最終位移為30.88mm，這與單次標準貫入錘擊下的貫入深度有一定的吻合性，也說明了此次試驗中引入Labview可以做到數據采集的準確性及信號處理與數值計算時較高的精確度。

圖7 濾波后的加速度歷時曲線

圖8 速度歷時曲線

圖9 位移隨時間的關系

4 結語

本文仔細分析了虛擬機和Labview的優缺點以及應用領域，提出在巖土工程測試中應引入Labview的觀點。通過設計Labview程序，設定數據采集、信號分析與數值計算、數據存儲三大模塊，并且結合標準貫入試驗中鉆桿質點加速度數據測試的試驗成功應用該方法得到加速度實時動態數據，并通過信號處理與數據計算模塊對加速度數據進行了概率分析、頻譜分析、濾波處理、連續兩次積分運算，最終得到該錘擊下貫入深度的結果，且與現場試驗量測的結果較符合，說明這種方法的可用性，通過進一步大量的應用可進一步驗證Labview在巖土工程測試領域中的優越性。

［1］陳樹學，劉 萱.Labview寶典［M］.北京:電子工業出版社，2011.

［2］戴鵬飛.測試工程與Labview應用［M］.北京:電子工業出版社，2006.

［3］馬銀平，宣亮亮，彭 如.Labview的數據采集系統分析與設計［J］.電子元器件應用，2009，11(10):50-52.