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ANCO新闻-动态测试、传感器、软件
发布时间:2019-06-11
双向土工离心机振动台
 
土工离心机用于进行测试非线性材料结构(例如土和岩石)的比例模型实验。例如,使用100:1比例模型来做土的实验,可以用静态垂直加速度从1g增加到100g来实现。同时,时间和加速度必须按100的比例放大。因此,加速度为0.5g,持续时间30秒的地震对全尺寸结构的影响,可以在离心机中以50g的峰值加速度,持续时间0.3秒内完成模拟。位移将会除以100,但速度不受影响。在这种尺度下,即速度尺度,土壤的非线性响应将得到恰当的模拟。土工离心机广泛用于物理建模。数百台这样的离心机安装在世界各地,有效载荷从10公斤到10吨不等。通常使用的比例因子在50和500之间,测试体积通常在0.05至3.0m³。
 
有两种土工离心机。一种是梁式离心机,长臂横梁绕着中心轴旋转旋,长臂的一端是装有测试物的挂篮,另一端是相应的配重。大的土工离心机,臂的直径4到5米,最大转速为4赫兹。最大加速度通常为200 g。另一种类型的土工离心机由一个绕其垂直轴旋转的垂直滚筒组成。测试物放在滚动的内表面。大滚筒直径约为2米,可实现高达500g的加速度。
 
ANCO设计了几种小型教育用梁式离心机,有效载荷能力高达5g吨。ANCO也提供用于在大的梁式离心机内的双向振动台,最高负载可达500g吨。这些ANCO振动台能够在试样的水平和垂直方向上进行独立的双轴振动。它可以在高达300Hz的频率下实现高达40g的加速度和+/-5毫米的位移。有效载荷可达700公斤。这些是伺服液压驱动,通过液压滑环连接一个离臂液压泵。利用臂上的PXI控制器通过光学滑环进行通信,实现了多通道数据采集和视频监控。
 
ANCO还设计了用于筒式离心机的单轴圆周振动台。这些振动台的设计在高频率、多轴、高静态和动态加速度下运行,同时最大限度地减轻重量,需要创造性的设计解决方案。其中一些解决方案包括使用层压橡胶轴承进行导向、液压或气动大容量自重支撑系统以及极其坚硬和重量轻的安全壳吊篮。伺服液压回路设计和线路布线在离心机应用中也具有挑战性。
 
使用这些土工离心机的振动台,研究人员能够研究非线性土体地基基础问题,涉及大坝、桩、港口结构物、海上石油平台以及受水波作用影响的水下结构物的地震和波浪作用响应。
 
下图是ANCO设计生产用在4m直径梁式离心机内的双向振动台。
 
 
 
ANCO双向振动台

 
数据采集是土工离心机的一个挑战
 
在静态加速度为100-200 g的土工离心机内进行数据采集,在土工离心机使用过程中出现了一系列复杂而独特的技术挑战。前一篇文章已经讨论了机械和液压的问题。其他挑战涉及使用数据采集系统,包括车载计算机、模拟卡、附加传感器、电缆、摄像机和优化数据传输。监测大量时间压缩的地震测试直接转化为需要更高的数据采集率。随着这一要求,当与远程控制PC通信时,数据传输速率将增加几个数量级,并迅速超过目前技术上可能达到的速度。因此,需要机载紧凑型DAQ系统(如NIPXI)来帮助管理传感器的模拟信号、数据存储、视频流和数据通信。为了尽可能的减少高的加速度对PXI以及相关系统的影响,所有电子设备必须尽可能靠近离心机的中心旋转轴,因此空间很有限。例如,在静态30 g环境下20 lb重的pxi系统将承受600 lb力。这就需要对每个电子元件、连接器、电源单元、USB集线器、电缆和传感器采用特殊的安装技术。
 
鉴于产生的大量数据以及通过光纤滑环实时传输此类数据的技术难度,该存储必须位于旋转离心机上或旋转离心机内。为此,不应使用旋转硬盘。
 
以承受600磅力下的PXI为例,有助于理解保护每个电子元件的必要性。这也使我们看到了在保护电子元件时所面临的挑战。例如:
 
在电子卡之间放置绝缘体、机械缓冲器和稳定支架,当在高G负载下发生偏转时,电子卡相互接触时会短路。
       紧固BIOS电池。
       如果没有表面安装的组件,固定板载压装电子芯片。
       DAQ卡定向,连接器足够坚固。
       机械稳定垂直站立的电子元件,如大电容器、线轴和电阻器。
       建造定制的钢缆连接传感器。
       在100g条件下使用视频系统会带来一系列特殊的挑战:
       较高的视频捕获率(300-500 fps)需要额外的数据监控板。
       固定机械摄像机镜头元件,如光圈和聚焦环。
       为LED照明提供额外电源。
       通过远距离(6-10米)向PXI系统或同等车载PC快速传输损失较少的数据。
       使用多个摄像头时管理高传输率。
       相机尺寸、重量、连接器类型。
 
硬件挑战
迄今为止,有许多体积小于30 x 30 x 60 mm的紧凑型轻型快速摄像机可供选择。绝大多数可以使用标准接口运行,如GigE、摄像头链接等。所有这些都是很好的解决方案,但需要额外的电子硬件,从而增加了PXI机箱的重量。随着高速USB3.0接口摄像机的出现,供应商现在提供的廉价摄像机的帧速率超过300-500 fps。这些设备中的许多都可以由USB3.0接口单独供电,这使得这成为一个有吸引力的解决方案,因为传输速率与GigE相似。额外的好处是可锁定的USB电缆,在静态高G环境中工作得很好。缺点是这种USB摄像头非常耗电,而且很快超过了任何PC机的板载USB电源容量。因此,有必要使用多个自供电USB集线器为多个摄像头供电。
 
ANCO视觉运动跟踪软件

通常,USB电缆可以在大约2米的长度上可靠地传输数据。当需要几米长的电缆时,这对大型离心机的应用提出了重大挑战。因此,有必要用集成电源线的光纤EN/解码器系统替换USB3.0电缆。


软件挑战
使用上述功能性摄像机/电子组件,可为快速传输速率提供可靠的数据解决方案。通常有几个摄像头连接到土工离心机振动台上,每个摄像头都会降低可用的数据传输限制。在提供用于记录和管理采集的视频图像的软件时,最大限度地利用这些可用的数字信号是目标。这种方法有多种解决方案,其中一些是功能性的,但并不有用:
       视频大小。
       尺寸越大,数据传输要求越高。
       视频格式有:RGB-8bit、RGB-16bit、灰度-8bit、YUY1、MPG等。
       这些特性会影响传输速度,就像像素分辨率的平方一样!
       根据摄像机的不同,选择适当的视频模式。
选择适当的视频模式后,根据相机制造商的不同,可以通过专门编程相机的内部功能和属性来进一步提高传输速度。使用这些特性将大部分计算视频预处理推送到相机固件上,大大减少了与软件相关的开销。
       最大的实时速度节省器是:
       1.亮度、对比度、伽玛值。
       2.高斯锐度算法。
       3.白平衡。
       4.背光补偿。
       5.暗优化。
       6.自动降噪。
       7.使用LED和霓虹灯时减少闪烁。
       8.莫里尔模式和边缘消除。
       9.固定快门速度和光圈设置。
       10.活跃的兴趣区(ROI)。
       11.边缘跟踪。
利用光纤滑环将数据传输到远程控制PC是一个很好的解决方案。然而,光滑环并不能避免数据包丢失。这将迫使大多数数据存储到板载固态硬盘上。另外,在PC机上运行图像处理软件。此外,在离心环境中运行针对PC目标的图像处理软件可以降低进一步的传输要求。这种优化数据传输和处理的方法允许使用远程桌面实用程序对车载PC进行远程监控,相比之下,远程桌面实用程序的数据使用率非常低,并且易于使用滑环进行处理。
视觉PXI和摄像头硬件


结论
为了获得可靠的硬件和软件解决方案,以有效地获取数据,需要清楚地了解地理离心机在机械、电子和数字数据传输限制方面的环境条件。
前面的图片显示了Anco的视觉软件和硬件。该系统使用USB摄像机以100 g的静态力以300-500 fps的速度获取数据。它的目的是监测和测量模拟时间压缩地震事件模型的位移和振动模态形状。位移精度在10微米左右。该系统同时监控每个摄像头的多个感兴趣区域(ROI),共有六个摄像头并行运行。
除了使用相机处理软件外,PXI还使用LabVIEW VI进行管理和通信。
 

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