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1 引言

在信号采样过程中，采集仪器的每个通道可以采集一路模拟信号。有时需要对该信号进行微积分等转换，则必须在信号采集完成之后再进行微积分等转换操作，或者在AD采集之前使用积分或微分调理器进行转换，而使用调理器时，转换之前的信号就不能得到，并且微分器由于稳定性差而在实际中极少使用。另外一种情况，则是某些信号根本不能直接测量，必须通过其他信号进行计算得到，例如使用应变花测量结构的主应力和剪应力，就需要将应变花的各路应变波形测量下来，然后再进行一定的计算才可以得到应力波形。

上述情况在工程实际中至少存在两个问题，其一是不仅需要数据采集设备，还需要相配套的后处理软件，其二是操作过程烦琐，需要采集和后处理两步操作。对于工程测试中大量测点信号的测量和处理时，这个问题将更显突出。虚拟扩展通道的采样技术正是为此问题而进行设计，利用该技术可以扩展出虚拟采集通道，通过虚拟通道可以一次完成上述两个步骤的任务。

 

2 虚拟扩展通道

 

虚拟扩展通道采样技术是数据采集仪器设计的新思路，DASP智能数据采集和信号处理系统中已经实现此功能，本文就以DASP为例进行讨论。

具有虚拟扩展通道采样的仪器的通道设置界面如图1所示，其中上部的表格为采集仪器的物理通道参数设置，与一般的仪器基本相同，而下部的表格为虚拟通道的设置表格，可以在物理通道的基础上增加若干个虚拟通道，对任一物理通道信号可以扩展一次积分通道、二次积分通道、一次微分通道和二次微分通道，对若干应变花的应变通道可以扩展最大主应力通道、最小主应力通道、最大剪应力通道，以及若干物理通道信号的合成通道等。

定义完虚拟通道之后，在AD采样时，不仅记录了物理通道中的各路信号，还得到了虚拟通道中定义的信号，采样结束后同时保存了物理通道的原始信号和虚拟通道的各种信号，相比先采集后处理的方式，可极大提高效率。例如按图1的设置，使用仿真信号进行实际采集的结果如图2所示，其中左边4路信号为物理通道，右边5路波形为虚拟通道。

图1 物理通道和虚拟通道的设置

图2 虚拟通道采集实例

 

3 AVD三测量的实现

 

基于虚拟扩展通道技术，结合先进的全程微积分技术，使AVD三测量的实现得以可能。在振动信号测量中，有加速度(A)、速度(V)和位移(D)三个基本参量，使用某一个传感器只能获取其中一种信号，若对该路扩展适当的微分和积分虚拟通道，就可以实现AVD三测量功能：使用一个振动传感器，占用一路采集通道，同步连续获取加速度(A)、速度(V)和位移(D)三路信号。

如图1中物理通道的Ch01的信号为通过速度传感器采集的振动速度信号，在此通道的基础上定义了Vh01和Vh02两个虚拟通道，分别对应该物理通道的一次积分和一次微分运算，得到该振动信号的位移和加速度波形，实现该测点振动的加速度、速度和位移波形的同步采集。

利用虚拟微积分通道还具有不受信号端点截断的影响，因为AD采集仪得到的信号是连续的。若采用采集之后再进行微积分转换的方法，则必然在数字信号两端出现严重的波形畸变现象。

需要说明的是，基于梯形法等的传统微积分运算方法，对长时间的连续振动信号具有难以克服的缺点，积分操作易受信号基线和低频漂移的影响导致积分后波形基线的大幅波动，微分操作则易受信号局部噪声的影响导致微分后波形噪声放大。因此在AVD三测量中，对长时间连续振动波形需要采用考虑波形全程特性的微积分运算手段，才能保证获取理想的微积分虚拟通道信号。

 

4 应变花的应力直接测量

 

采用应变花进行结构的应力测量时，应力波形一般是不能直接测量的，必须先测量应变花各应变片的应变波形，然后通过一定的运算得到最大主应力、最小主应力和最大剪应力等波形。基于虚拟扩展通道技术，根据应变花的物理应变测量通道，定义最大主应力、最小主应力和最大剪应力的虚拟通道后，就可以实时采集这三种应力波形。

如图1中物理通道的Ch02~04通道为某个45°三轴应变花的三轴应变信号采集通道，虚拟通道Vh03、Vh04和Vh05则为这三路应变信号扩展的三种虚拟应力通道，如图3。按此设置在信号采样过程中，不仅采集到了应变花三轴的应变波形，同时还采集到了最大主应力、最小主应力和最大剪应力波形，实现应力信号的直接测量。

图3 应变花的应力测量通道设置

 

5 结束语

 

本文介绍了虚拟扩展通道采样的基本思想，并以DASP软件为例，讨论了基于此技术的AVD三测量和应力直接测量的实现，实际上还可以完成更多的测量功能，如三向传感器的矢量合成信号测量等。通过上述讨论可见，虚拟扩展通道采样技术是数据采集仪器设计的新思路，可以大大提高某些测量任务的效率，减少中间操作环节，提高操作可靠性，为高效完成任务提供了有效的手段。

 

参考文献

 

[1] 北京东方所. DASP-V10操作使用手册. 2008.

[2] 应怀樵. 振动测试和分析. 北京: 中国铁道出版社, 1987

[3] 赵清澄, 石沅. 实验应力分析. 北京: 科学出版社, 1987