基于USB2.0总线的振动信号测试新技术与应用

摘 要 本文结合四川拓普数字设备有限公司自主研发的UBOX-20016便携式振动信号自记仪、UDAQ系列便携式数据采集设备等产品，剖析了当今工程、科技研领域对振动信号测试的需求及发展趋势，深入介绍了基于USB2.0总线的多通道并行采集、同步扩展、实时数据传输、分段存储、多工作模式、多供电方式、PDA现场移动控制等国内领先的软、硬件新技术，并列举了部分典型的实际工程应用，为广大振动测试用户提出了一种先进、成熟、可靠的完整解决方案。

关键词：USB2.0，振动测试，实时传输，分段存储，便携式，虚拟仪器

0 引 言

在水利水电、建筑、交通、地质、能源、水声、机械等领域，经常涉及到在工程现场或实验室对相关振动信号进行采集和分析，以实现施工安全监测、地质条件分析、设备故障诊断等目的。

随着科技、工业的发展，工程测振呈现出测点分散化、环境复杂化、需求多样化等新的特点，同时，国家的相关法规也逐渐健全。针对这些新的行业特点，四川拓普数字设备有限公司在原有产品的基础上，通过优化设计，推出了基于USB2.0总线的虚拟仪器振动测试新技术和产品。

USB2.0接口测振设备基于原有产品的优异特性，加入了实时数据传输、分段存储、PDA现场移动控制、多种供电方式等先进功能，并且完全符合《爆破安全规程》GB6722-2003、《机械振动与冲击对建筑物振动影响的检测和评价基本方法及使用导则》GB/T14124-1993等国家标准和行业规范，更加适合工程现场测振的需求。本文将结合具体产品和应用案例，对这一新技术作详尽阐述与分析，期以为读者提供一种崭新的思路和选择。

1 基于USB2.0总线的振动测试新技术

1.1 USB2.0总线便携式多通道并行测振设备

与原有的TOPBOX-508振动测试设备相比，新一代的USB2.0总线测试设备继承了多通道并行采集、多仪器同步扩展的特点，同时在接口方式、最高采样率、模拟通道数、功能多样性、工作灵活性上都有了进一步提高，可以组建多达128通道并行的测试系统。目前主要产品包括UBOX-20016便携式振动信号自记仪和UDAQ系列便携式数据采集器。

下面将详细介绍USB2.0总线测振设备的实时数据传输、分段存储技术、多工作方式、多供电方式、PDA现场移动控制等典型的先进软、硬件特性。

1.2 数据的实时传输、实时显示与实时分析

USB2.0总线数据传输速率的理论值为480Mbps，四川拓普公司的USB2.0测振设备实测数据传输率为256Mbps，因而实现了采集数据的实时传输。

将仪器与计算机通过USB2.0总线联机，利用USB2.0总线的高速传输，使得数据在采集的同时实时地存入计算机硬盘，理论上存储空间不再受仪器缓存的限制，用户也可同时对已存入的数据进行观测和分析，而无需将数据先存入仪器缓存，再导入计算机，更加高效方便。这一功能在实验室等测试地点可直接配备计算机的场合及用户要求采集的同时实时观测、分析波形的应用中尤为实用，用户可在采集数据的同时对波形、数据进行观测、分析和输出而不影响设备工作。

1.3 分段存储技术

传统的测试方法只能实现将事先设置了采样长度的数据一次性记录完毕。工程（比如多次爆破）中可能出现这种情况：整个过程中会若干次出现用户所关心的大信号，而这若干次大信号之间的信号为零或者极其微弱，并且用户也不关心，也就是说需要测试的信号存在若干段，而各段之间有一定时间间隔，按传统方法用户只能记录完一段后取回设备导出数据，再将设备放置到现场记录下一段数据。

由于工程中各段信号之间的时间间隔可能长达数小时，也可能短到以毫秒计，而且有时无法精确估计，因此传统的操作方式无疑存在很大的效率缺陷和安全隐患，即使各段之间的时间差确定，人员可以到达，反复的搬运、操作也使工作异常繁琐。分段存储技术很好地解决了这一弊端。

四川拓普公司的测振设备采用了这一技术，可通过软件将仪器缓存空间有机设置为若干个子空间存储各段信号，目前可以实现对2N（N=0、1、2、3、4）段信号的连续、自动记录。

基本操作方式是：采集前通过软件设置好各种采集参数和需采集的段数（图2），仪器在现场可自动捕捉、自动记录各段信号。仪器记录完一段信号后，自动进入等待触发状态，当下一段信号来临并满足触发条件后，再自动记录下一段信号，直到将事先设置的各段信号记录完毕。整个过程无需人工干预。

1.4 多工作模式与多供电方式技术

振动测试工程中，存在许多危险场合或信号难以传出的场合，如爆破、高温、高压、深井、辐射等，人员无法到场。UBOX-20016和UDAQ系列产品充分考虑现场需求，除了充分便携外，具备多种工作模式和多种供电方式的优异性能。

所谓多工作模式，即该仪器具备脱离计算机或PDA独立工作、通过USB接口与PC联机及通过RS232接口与PDA联机这三种工作方式，非常有效地满足了工程中各种可能存在的操作。各种工作模式间可根据现场要求方便地相互转换。在工作灵活性上，UBOX-20016与UDAQ系列设备无疑处于国内领先地位。

另外，在供电方式上，该仪器提供了外接直流电源、通过USB接口供电和内置可充电锂电池等多种供电方式，也使得设备在野外的可操作性大大增强。

1.5 GPS卫星同步技术
一些特殊的测试应用，如建立振动信号监测网，有时需要实现GPS卫星同步功能。四川拓普数字设备有限公司针对这一需求，在为这些用户提供的产品中集成了此功能，使所有联入网内的仪器都能通过同步卫星实现如下功能：①判定各仪器位置；②判定数据来源（即判定数据来源于某位置上的某台仪器）；③各仪器定时触发、定时采集；④各仪器精确同步。

2 功能强大的虚拟仪器软件技术

2.1 配套虚拟仪器应用软件TOPView2000

虚拟仪器是当今测试仪器发展的总趋势，基本思想是利用软件使得同一硬件平台实现各种不同的功能。与传统仪器相比，虚拟仪器在方便性、灵活性和功能多样性上有不可比拟的优势。

配套虚拟仪器应用软件TOPView2000除了具备通用测试功能外，也集成了专用功能模块，与硬件设备一起构成了功能强大、操作方便的虚拟仪器，实现了设置、采集、分析、输出一体化，并且支持二次开发。

对于振动测试，用户最关心的通常是振动速度、振动加速度、位移、振动主频、相位等，对这些指标的获取可以通过配接相应的速度传感器、加速度传感器和位移传感器来实现。但实际操作中，后两种传感器的配接相对烦琐，经常是通过接速度传感器得到振动速度曲线，再利用软件的微分、积分、FFT变换等时域、频域分析功能获取其它曲线。

2.2 实现现场移动控制的PDAQ.VIEW

为更好地满足现场测试的要求，拓普公司开发了手持式数据采集终端：PDAQ.VIEW。

用户通过仪器自带的RS232接口与掌上电脑连接，运行PDAQ.VIEW，可实现对仪器的现场移动控制，完成各种参数设置和波形分析。同时，结合PDA自身的蓝牙、红外及无线网接口，数据的传输、交换、存储更加灵活。与运行于PC平台的TOPView2000软件相比，在PDA上运行的PDAQ.VIEW在现场操作中更加方便，同时也继承了TOPView2000的绝大部分功能，足够满足用户的现场操作要求。

此项功能为目前国内独有，进一步丰富了仪器的工作方式。

2.3 二次开发功能

配套软件拥有对各种开发平台保持统一的二次开发接口，通过提供TDEC API动态链接库，支持使用者在C、C++、Delphi、CVI及LabVIEW等环境下进行专用开发。

2.4 其它振动测试专用功能

在UBOX-20016振动信号自记仪和UDAQ系列便携式数采设备的软件设计中，包含了《振动、冲击数据分析和表示方法》的所有算法。

以爆破测振为例，通常需要对质点振动速度和振动加速度进行分析，从而判定振动对周围设施的影响。美国、瑞典、日本及前苏联的专家均提出了相关经验公式，我国的《爆破安全规程》〔GB6722——86〕规定采用前苏联萨道夫斯基的经验公式，振动速度必须以此计算并控制在规定范围内。萨氏公式如下：

式中：
V—质点振动速度（cm/s）
K—介质系数
Q—装药量（kg）
R—爆心距（m）
α—衰减系数

介质系数K与衰减系数α是由介质属性、爆破方式、地质条件而决定的固有常数，当爆破地点和爆破方式确定后K与α即固定。UBOX-20016测振仪的配套软件中集成了此公式的算法。可通过设置在测试中自动获取数据并自动加载，也可手工打开数据文件，通过这些Q值和R值，软件将计算出介质系数K与衰减系数α。

除了可以在软件中列出各质点的装药量、距离和振速外，也直接显示对应的振动加速度和主频。此外，通过各次测试数据可以得到V-ρ图，直观观测V（振速）和ρ（装药量的3次方根与距离的比值）的关系。

通过上一步骤计算出的K值和α值，可方便地通过软件计算出某装药量下某距离处的质点振速，或者根据已知的最大振速计算出某装药量下的安全距离，通过软件列表直观显示数据，无需逐一测试即可分析出振动对该质点处建筑物有无影响。（图8与图9）

3 工程应用分析

3.1 水利水电工程中的应用

国内某大型水利水电工程的施工过程中，涉及到对RCC围堰进行爆破拆除。由于爆破地点附近存在大坝、隧道、金属结构、发电机组等大量重要设施，必须确保振动对这些设施不造成危害，爆破难度较大，爆破数据准确性尤为重要。同时根据实验构思，爆破中将存在若干分段的被测信号，各段信号的时间间隔无规律性，用户由此要求测振仪应能精确、完整地对各段信号进行全过程自动化记录。

专家组深入调查后认为四川拓普公司的UBOX-20016振动自记仪技术成熟，性能优越，并能连续、自动地记录多段信号，完全符合实验要求，最终选定了这一产品。
在爆破实验中，UBOX-20016和配套传感器被布置到各测点，顺利完成了对各段振动信号的精确记录。用户对各段波形进行分析，通过萨道夫斯基经验公式的计算得到了重要数据，为全线爆破拆除提供了可靠的科学依据。下图为用户输出到MS-word中的实际波形（划圈处为用户关心的振动最大值）：

3.2 工程爆破测振中的应用

在某建筑爆破工程中，使用了若干UBOX-20016振动自记仪和垂直向、水平向速度传感器构成了一个多点爆破测振系统，爆破现场布置示意图如下：

各位置的测振仪（UBOX-20016）负责记录不同方向、不同距离质点的振动速度。在该工程中，用户只进行了简单的参数设置后启动采集，即撤离了现场，启爆后各台仪器自动记录了波形并存储，用户事后将仪器与笔记本联机进行了所关心的波形分析，测试过程方便、高效、可靠。

3.3 核试验中的应用

核试验由于现场环境极其恶劣，测试通常需要实现无人值守。

核工业部某单位的某大型野外核试验中，采用了多台UDAQ-10016便携式数据采集器和配套传感器组成了一个大型监测网，用户按照试验规划将各仪器被布置在不同测点，可靠实现了核条件下对振动、冲击的测试。在此试验中，各台测试仪均按用户要求集成了GPS卫星同步通讯功能，实现利用同步卫星对监测网内所有仪器进行定时、定位、同步等操作，整个试验高度自动化。

4 结束语

在我国，对各种振动效应的监测逐渐形成了自己的系统和手段，四川拓普数字设备有限公司的USB2.0总线振动测试技术与产品具有系统组建灵活方便、使用简单快捷、工作稳定可靠、抗干扰能力强、软/硬件件功能强大、数据处理迅速的特点，进一步推动了振动测试仪器向智能化与小型化的发展，使测振技术发展提高到一个新的阶段。目前，该系列测振设备已在国内许多工程领域的大、中、小型工程项目中大量成功应用，取得了显著成效。

参 考 文 献

1、爆破安全规程 GB6722-2003
2、机械振动与冲击对建筑物振动影响的检测和评价基本方法及使用导则 GB/T14124- 1993
3、爆破工程施工安全技术标准实用手册
4、刘殿中.工程爆破实用手册
5、四川拓普数字设备有限公司产品型录
6、张智宇，庙延钢，杨旻.TOPBOX振动自记仪在爆破振动测试中的应用
7、王育阳.浆砌石坝爆破拆除及监测技术
8、李芳.水下爆破对施工中的防波堤的影响与防护
9、汪旭光，于亚伦.关于爆破震动安全判据的几个问题