基于Lab V l EW的测量角度自动修正的位移测量系统

 周年强1,2，张高勤1

 （1．南京林业大学土木工程学院实验中心，江苏  南京  210037;2．同济大学土木工程学院结构工程与防灾研究所，上海  200092）

摘要：针对传统位移计只能测量被测面垂直位移反应，不方便应用于一些特殊场合的情况，提出了基于 Lab VIEW软件的测量角度自动修正的位移测量系统。测量系统首先利用3D角度传感器测量初始安装平面 与变形表面的空间矢量夹角，在随后正式的测量过程中根据夹角余弦值（或正弦值）对激光位移计测得的位移值进行角度修正，由此可得到被测面的准确位移值。

关键词：位移测量；测量角度自动修正；Lab VIEW系统 中图分类号：TP273

0  引言

 目前位移计或位移传感器已经发展的十分成熟，基于各种设计原理、量程和精度的位移计可满足客户的不同测试需求，大量应用于各个科研和生产领域。然而由于测试的环境因素以及测试人员操作水平的高低，测试中总是或多或少带来较大的测试误差，未能发挥位移计本身应有的精度。这其中的主要影响因素就是位移计伸缩杆未能垂直于试件变形面。本文设计了一套可以进行测量安装角度修正的位移测量系统。该系统将激光位移计、3D角度传感计和NI-USB数据采集卡进行集成整合，实现了伸缩杆与变形面为非垂直状态下位移数值的测量和精确的位移计算。

1  测量角度自动修正的位移测量系统的测量原理

 对于传统的位移测量系统，常会有一些不方便以正常姿态进行安装的情况。如图1所示，受安装空间所限，传统位移计无法垂直安装在梁正下方来测量其底部的变形。但利用测量角度自动修正的位移测量系统将位移计倾斜后就可以“斜向”测试底部变形，之后进行计算可得到精确梁底竖向位移。对于一些破坏性实验，由于结构可能在试验过程中突然发生大的位移（或变形），如果在突变发生前没能及时撤出位移计，剧烈的位移反应很可能对传感器造成损伤甚至是损坏。使用本测量系统可以有效避免此类事故的发生，只要将激光位移计斜向放置，避开位移范围，以激光束来斜向测试变形体的位移值，再结合测试角度通过测量系统分析计算，即可得到正确的位移值，且可以安全地测试到破坏现象的发生。

 图2为采用普通位移计测试梁结构受弯的试验。测试时必须将位移计垂直于梁底，受力后的梁底变形等于位移计测量值，当安装位移计出现不垂直时，梁底变形显然不等于位移计测量值，且竖向变形小于位移测量值。

 图3为采用角度位移联合测试梁结构受弯试验。由图3可知道，只要得知杆压缩量L（即位移测量值）和位移方向与伸缩杆方向的夹角θ就可以通过式(1)得到位移真实值△：

 测试过程如下：先将试件安装就位，位移计仅需就近固定，其伸缩杆（或激光束）指向变形发生点处，毋须调整垂直度，然后即可利用本系统开始进行测量工作。具体测试步骤如下：①两个空间矢量的测量与夹角θ的计算：即将角度传感器分别放置在变形表面和传感器激光束的垂直面上，得到两个空间平面矢量值，系统根据几何知识自动计算空间夹角；②杆压缩量I的测量：即由激光位移计采集位移增量；③真实位移值△的计算：即将角度的三角函数值与位移增量相乘得到真实值。随试验的进展不断重复步骤②和③，直至试验结束。

2测量角度自动修正的位移测量系统构成

 与目前大多数的自动化测试系统类似，本系统主要由硬件部分和软件部分组成。硬件部分实现数据采集，软件部分实现对数据的处理分析和显示。测量角度自动修正的位移测量系统的基本架构如图4所示。

2.1硬件设计

  硬件部分主要包括位移计、3D角度传感器、数据采集卡和PC机。其中，位移计选用基恩士公司生产的IL-300激光位移传感器，输出为土5V范围内的电压模拟量，具有高精度、高频响和方便安装等特点，但成本比较高，实际应用中，价格低廉的伸缩杆式位移传感器只需稍微修改一些程序也是合适的；3D角度传感器选用国产瑞芬科技的军工级产品DCM260B三维电子罗盘，其可实现高达0.1。的高精度三维角度测量，并且具有硬磁和软磁校准算法，即使在磁场干扰环境中也能通过校准达到最佳效果，适用于精确的导航和定位，输出为数字量，通过RS232接口直接与电脑通讯；数据采集卡选用美国国家仪器公司的NI-USB9215，该板卡具有16位分辨率，4路电压模拟量输入，使用该采集卡可以同时接入4路位移传感器，完全满足使用需求。

2.2软件设计

  软件是本系统的核心，本系统软件部分主要有：①传感器数据的采集，包括位移值和角度值（3个转角值）；②空间矢量定义和空间夹角的计算；③结构变形值（位移值）的实时计算。

2.2.1传感器数据的采集

  位移值是由激光位移计转化成电压模拟量进行表达的，其电压信号线通过差分方式直接接入NI-USB9215的BNC接口即可。9215采集卡通过高速USB数据线与PC机相连，在LabVIEW开放平台中直接调用相应采集函数（子VI）可以很方便地得到电压模拟量数据。其中“channel settings”子VI完成通道的设置，如采集卡地址及通道选择、所输入电压的范围、信号接人方式是单端还是差分；“timing setting”子vi完成对信号时钟源的定义和采样率的定义等。位移数据的采集程序框图如图5所示。

 任意空间矢量的角度数据值经由三维电子罗盘转化成数字量输出，且通过RS232接口与电脑进行通讯，在LabVIEW开发平台中有专门为RS232接口进行通讯的函数。三维角度值的获取程序框图如图6所示，通过“visa串口配置”函数指定串口地址和波特率完成对传感器的配置和调用，根据试验需求，在“vi-sa写入”函数中向缓冲区写入指定字符串，然后在“vi-sa读取”函数中，读取字节总数为14的字符串数据，该数据即是包含角度值数据的字符串。根据产品协议，在“visa写入”函数的“写入缓冲区”连线中输入“读Pitch、Roll、Heading角度”命令：6804 0004 08，运行程序则可以得到传感器应答回复的角度值，即传感器绕y轴、X轴和Z轴旋转的角度，其中绕Z轴的转角θz：为平面方位角，当θz=0时矢量在水平面上的投影指向正南。有了这3个转角值就可以确定任意空间矢量的坐标，例如，从缓冲区中得到关于传感器应答回复的数据为：“680D 0084 0022 2000 2680 0051 602A”，其

中角度数据段是“0022 2000 2680 0051 6”，即θy=22.20，θx= 26. 80，θz=51.6，此时该空间矢量按绕坐标转角的分解如图7所示。

2.2.2空间矢量定义和空间夹角的计算

  根据实际的测量情况，选择采用夹角0的正弦值或余弦值。当B为测量面的垂线时一般采用角度的余弦值；当B为测量面内的任意一矢量时，一般采用正弦值。使用Lab VIEW软件中自带的“公式节点”vi函数来实现两空间矢量夹角的计算，其计算程序框图如图9所示，直接在“公式节点”vi框中填人公式(3)即可。

2.2.3真实位移的计算

 将位移测量值与空间夹角的余弦（或者正弦）进行相乘即可得到真实位移。由于该函数值在测量中是不变化的，故每次循环改变的只是位移测量值。真实位移的计算程序框图如图10所示。

 本位移测量系统的前面板（程序用户界面）如图11所示，基于此原理的位移测量可以适用于大多数位移测试试验，只需要修改部分程序即可。

3  结束语

 经过在土木工程结构试验中的大量使用，结果表明：基于3D角度传感器和激光位移计的位移测量系统的测试结果真实可信，安装操作流程更加简化，与传统位移计相比，自动化程度高，并可以应用于狭小空间完成位移测量工作。如果在此思路的基础上将采集和计算处理功能进一步集成到传统位移计机身内部，并外接3D角度传感器，则在方便携带的同时，亦可以大大提高测量工作的效率。本装置已经获得国家发明专利，专利号：ZL2011 10429217.0。