Labview 在岩土工程测试中的应用探讨

曹永生 刘裕华

(电力规划设计总院，北京 100120)

1 虚拟机与Labview简介

所谓虚拟仪器(Virtual Instrument)，是指以通用计算机作为系统控制器，由软件来实现人机交互和大部分仪器功能的一种计算机仪器系统［1］。通过I/O接口设备完成信号的采集与测量。通俗的讲，虚拟仪器是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。还有一种方式是在计算机中嵌入仪器，在计算机硬件和操作系统的基础上实现各种仪器功能，简而言之，是一种虚拟机的概念，其涉及数据采集以及后期信号处理的功能［2］。

Labview作为一种强大的虚拟机，正是因此而产生的，但它不仅仅作为虚拟机，同时还是一种程序开发环境，由美国国家仪器(NI)公司研制开发的，采用图形化语言编辑，形成程序框图。

2 Labview程序设计

Labview程序主要包括前面板、程序框图、连接器三部分。其中前面板采用交互式图形化用户界面，用于设置输入数值和观察输出。程序框图定义VI功能的图形化源代码，利用图形语言对前面板的控制量和指示量进行控制。连接器是把各子程序连接在一起便于调用［3］。

本文根据需要所设计的Labview程序包括三个模块，分别是:信号采集模块、信号处理模块、信号记录模块。其中信号采集模块需要设置触发信号，也即设定信号强度阈值，超过此阈值后的数值将被完整记录下来。然后进入信号处理模块，信号处理包括频谱分析、滤波、积分等运算，可以得到按要求处理后的结果。最后通过写入文件记录有效数据，得到最终结果。

以数据采集模块为例，说明本文中所采用的Labview程序应用。图1为数据采集模块程序框图，通过在采集程序设置停止按钮来控制数据采集的起始，采集到的数据通过两个通道输出，其一将原始数据全部输出，并通过表格记录下来，另一通过触发与门限程序，即通过此程序的数据为某时刻数值超过此阈值后的数据。触发后所采集的数据可以写入文件保存，或者进入信号分析模块进行进一步信号分析与计算。

图2为采集过程中的操作界面。界面中设有数据采集操作按钮，数据记录表格可实时观测具体的数据，右上面板为所有数据随时间的变化波形图，右下面板为通过门限阈值触发后数据随时间变化的波形图。

图1 数据采集模块程序框图

图2 数据采集程序操作面板

图3为数据采集程序代码。其中的外框图为循环操作，左侧可设置数据采样的数量，右侧为即时写入文件保存的模块。整个代码通过图标及连接线连接，操作简单方便且便于检查。

3 应用实例

本文尝试采用Labview程序采集在标准贯入试验中净重为63.5 kg的冲击锤锤击钻杆后在钻杆质点上所产生的加速度。

试验的设计思路为:首先在标准贯入试验的钻杆上安装加速度传感器，然后将加速度传感器连接到数据采集设备模块上，最后将数据采集模块连接到计算机，通过计算机控制冲击锤锤击后钻杆质点的加速度动态数据的变化(见图4)。

图3 数据采集程序代码

图4 钻杆受锤击振动后加速度的数据采集与处理

图5 为经过冲击锤锤击后经触发后记录的原始加速度数据，由图5可知，加速度值最大超过40 000 m/s2。

图5 加速度原始数据历时曲线

对加速度历时曲线进行离散傅里叶变换(DFT)，将时域信号变为频域信号，如图6所示，可知频率范围为0 kHz～50 kHz，其中谱密度最大的频率为0.585 94 kHz，其他的频率或周期应该对应于弹性应力波在各钻杆接头的反射、横向反射干扰以及其他干扰波。

图6 快速傅里叶变换（FFT）后的频谱分析图

经数据滤波模块，可设置不同的滤波频率，最终的滤波结果见图7。将滤波后的结果进行积分计算模块，得到速度随时间的变化，见图8。由图8可知，速度随时间呈逐渐减小为零的趋势，并在下降途中有若干个极限值。

将速度历时曲线输入二次积分计算模块，可以得到位移历时曲线，见图9。由图9可知，位移的最大值也即最终位移为30.88mm，这与单次标准贯入锤击下的贯入深度有一定的吻合性，也说明了此次试验中引入Labview可以做到数据采集的准确性及信号处理与数值计算时较高的精确度。

图7 滤波后的加速度历时曲线

图8 速度历时曲线

图9 位移随时间的关系

4 结语

本文仔细分析了虚拟机和Labview的优缺点以及应用领域，提出在岩土工程测试中应引入Labview的观点。通过设计Labview程序，设定数据采集、信号分析与数值计算、数据存储三大模块，并且结合标准贯入试验中钻杆质点加速度数据测试的试验成功应用该方法得到加速度实时动态数据，并通过信号处理与数据计算模块对加速度数据进行了概率分析、频谱分析、滤波处理、连续两次积分运算，最终得到该锤击下贯入深度的结果，且与现场试验量测的结果较符合，说明这种方法的可用性，通过进一步大量的应用可进一步验证Labview在岩土工程测试领域中的优越性。

［1］陈树学，刘 萱.Labview宝典［M］.北京:电子工业出版社，2011.

［2］戴鹏飞.测试工程与Labview应用［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［3］马银平，宣亮亮，彭 如.Labview的数据采集系统分析与设计［J］.电子元器件应用，2009，11(10):50-52.