周 杰，張 川，王時龍，易力力

（重慶大學(xué) 機(jī)械傳動國家重點實驗室，重慶 400044）

1 引言

某非均質(zhì)復(fù)合棒形組件由外套鋼管、芯管和芯管內(nèi)的混凝土等非金屬芯塊構(gòu)成，如圖1所示。棒形組件剪切試驗機(jī)采用先壓后剪的方式對此棒形組件進(jìn)行剪切。在此過程中，需記錄下棒形組件的剪切截面受到擠壓、變形、斷裂的連續(xù)變化，并結(jié)合剪切截面受到的壓緊力和剪切力分析在整個剪切過程中棒形組件截面的變形規(guī)律，尋找到使組件變形小、粉塵泄漏量小、刀具壽命長的刀具幾何參數(shù)和剪切力、壓緊力等基礎(chǔ)參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)可對剪切機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高整機(jī)材料利用率、實現(xiàn)設(shè)備的輕量化，從而提高經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)前國內(nèi)檢測系統(tǒng)已能實現(xiàn)多種物理信號的實時同步采集與處理[1]。但用于此剪切機(jī)仍不能直觀反映出整個剪切過程中棒形組件截面的變化規(guī)律，因此必須在采集物理信號的同時通過視頻信號對組件截面的變化進(jìn)行實時采集、存儲，并保留視頻與其它信號的時域?qū)?yīng)關(guān)系，以便于信號的后期處理。國外少數(shù)檢測系統(tǒng)能實現(xiàn)此目標(biāo)，如某公司開發(fā)的QuantumX等測量系統(tǒng)，但其在國內(nèi)暫不通用，并且用戶不易根據(jù)需求快速擴(kuò)展功能。因此，亟需開發(fā)一種通用性強、功能擴(kuò)展性好的視頻與多種物理信號采集與耦合分析程序。

圖1 棒形組件截面示意圖Fig.1 Cross Sectional Sketch of the Bar Component

目前，虛擬儀器開發(fā)工具有C#、VC等文本編程語言和Lab-VIEW、Agilent VEE等圖形化編程語言兩類。前者要求開發(fā)者對其比較熟練，且不具備用于專業(yè)領(lǐng)域的相應(yīng)模塊，程序開發(fā)周期長[2]。LabVIEW憑借自身集成的專用模塊在實時數(shù)據(jù)采集和處理領(lǐng)域占據(jù)了很大優(yōu)勢[3]，利用其現(xiàn)有編程模式可快速搭建出高實時性、高同步性的采集系統(tǒng)[4]，但它沒有專用模塊對視頻和物理信號進(jìn)行后期耦合分析。因此提出了一種基于LabVIEW的視頻與多種物理信號采集與耦合的通用基礎(chǔ)方法，達(dá)到復(fù)現(xiàn)檢測對象的運行過程的目的。

利用該方法編制的程序基本結(jié)構(gòu)包括：（1）多類信號采集模塊：實時同步采集、處理、保存視頻信號和多個物理信號；（2）數(shù)據(jù)耦合分析模塊：將所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行時域耦合分析。

2 多類信號采集模塊

信號采集模塊的設(shè)計目標(biāo)是實現(xiàn)視頻信號、剪切與壓緊力信號（以應(yīng)變方式采集）、油缸油口的壓力信號（以電流方式采集）的實時同步采集、處理、顯示與存儲。程序框圖[5]，如圖2所示。主要采用LabVIEW在數(shù)據(jù)實時同步采集領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的主/從設(shè)計模式和同步觸發(fā)模式。

圖2 信號采集程序框圖Fig.2 Signal Acquisition Program Scheme

2.1 主/從設(shè)計模式

主/從設(shè)計模式是LabVIEW中常用的一種信號分析處理模式，它采用多循環(huán)的模塊式結(jié)構(gòu)，適用于多任務(wù)同步運行的應(yīng)用程序[6]。圖2中主循環(huán)與從循環(huán)通過局部變量進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，保證每個采集過程都不影響另一個，并且由用戶界面產(chǎn)生的延遲也不會對采集過程造成影響。

2.2 同步觸發(fā)模式

同步觸發(fā)模式是控制多個并行任務(wù)同步執(zhí)行的典型模式，在此用于控制三個通道的信號同步采集。如圖2所示，共享參考時鐘保證了各采集卡的采集速率相等[7]，用于設(shè)備的主-從同步觸發(fā)；利用LabVIEW數(shù)據(jù)流思想和平鋪式順序結(jié)構(gòu)保證三個采集任務(wù)同時啟動。并且在數(shù)據(jù)存儲模塊中通過控件“OFF/ON”及其局部變量同時保存三組數(shù)據(jù)信息，從而保留所儲存的數(shù)據(jù)的時域?qū)?yīng)性。

2.3 DCT圖像壓縮算法

在分析每個樣本的組件變形率時需要用到每個樣本剪切截面的圖像，為避免保存的圖像數(shù)據(jù)量過大影響信號采集和保存的實時性，采用DCT（離散余弦變換）圖像壓縮方式在保證壓縮質(zhì)量的同時大大減小了圖像保存的數(shù)據(jù)量。

DCT使用離散余弦函數(shù)來構(gòu)成的變換矩陣[8]，其中離散余弦變換是實數(shù)域的余弦變換，計算速度較快[9]。進(jìn)行二維傅里葉變換后僅包含余弦項，二維離散余弦變換公式[9-10]為：

圖像壓縮過程是對采集的圖像進(jìn)行二維離散余弦變換和逆變換運算。為避免圖像DCT變換處理時帶來塊與塊之間的“邊界效應(yīng)”，取M=N=8[9]。將其帶入式（1）、式（2）得到相關(guān)的變換式。通過DCT變換可得到64個“DCT系數(shù)”。DCT逆變換把64個DCT變換系數(shù)經(jīng)逆變換運算，重建一個64點的輸出圖像。其中，低頻分量包含圖像的主要信息，而高頻分量非常接近于0，舍棄這些分量不會對重構(gòu)圖像的畫面質(zhì)量帶來顯著的下降[10]。因此將其舍去，大大減小了圖像的存儲量。DCT圖像壓縮算法程序框圖，如圖3所示。

圖3 DCT圖像壓縮算法Fig.3 DCT Image Compression Algorithm

3 數(shù)據(jù)耦合分析模塊

對于此棒形組件剪切試驗機(jī)，開發(fā)數(shù)據(jù)分析模塊的目的是對采集所得的視頻、剪切力和壓力信號進(jìn)行時域耦合分析，即實現(xiàn)視頻區(qū)域當(dāng)前圖像、信號示值、波形圖中X光標(biāo)的位置、時間點與數(shù)據(jù)點數(shù)（以下簡稱界面五元素）的相互對應(yīng)?？紤]到部分?jǐn)?shù)據(jù)需要重點分析的情況，程序允許反復(fù)定位到任意時刻對三種信號進(jìn)行分析。程序設(shè)計流程，如圖4所示。

程序運行過程如下：

（1）初始參數(shù)（數(shù)據(jù)保存頻率、視頻幀數(shù)、文件名等）設(shè)置完成后，視頻文件自動播放；實時顯示剪切力和壓力信號的波形曲線和數(shù)值；

（2）自動播放耦合過程。波形圖中顯示X光標(biāo)，并自動向右移動，保證界面五元素的對應(yīng)關(guān)系。此過程隨時可被人為暫停，視頻播放完后程序也會自動停止，人為暫?；蛞曨l播放完成后轉(zhuǎn)入手動查看耦合過程；

（3）手動查看耦合過程。通過鼠標(biāo)拖動X光標(biāo)至任何位置，并且顯示對應(yīng)的其它元素；

（4）點擊“開始”，從當(dāng)前光標(biāo)位置開始進(jìn)入步驟（2）；

（5）點擊“退出”停止運行程序。

數(shù)據(jù)耦合分析模塊的關(guān)鍵在于步驟（2）和（3），實現(xiàn)其功能的主要方法是狀態(tài)判別和數(shù)據(jù)耦合。

圖4 數(shù)據(jù)分析流程圖Fig.4 The Flow Chart of Data Analysis

3.1 狀態(tài)判別

局部變量不同的值可以表示程序的不同運行過程或狀態(tài)，如圖5所示。它不僅可以解決連線的困難，而且可以在對同一個控件的多次訪問中分別對它寫入、讀出數(shù)據(jù)[11]。在程序設(shè)計中合理使用局部變量可以使程序框圖更簡潔，并提高編程效率。圖5中局部變量“OK”值為“false”表示程序正處于步驟（2）自動播放耦合過程；值為“true”表示首次運行完成或者人為暫停運行，此時程序進(jìn)入步驟（3）手動查看耦合過程。通過局部變量“初次進(jìn)入？”的值判斷程序是否首次運行，以選擇視頻播放方式（自動播放或手動查看）。

While循環(huán)一通過“NIVision Acquisition Express”VI自動讀取并播放視頻文件。While循環(huán)二的功能包括：

（1）信號讀取、曲線顯示。剪切力信號和壓力信號數(shù)據(jù)通過“Read Delimited Spreadsheet”VI讀出，經(jīng)過轉(zhuǎn)置、索引、建立數(shù)組等方式處理后在波形圖中顯示曲線[13]；

（2）依據(jù)視頻播放時間控制波形圖中X光標(biāo)位置，并顯示播放時間和數(shù)據(jù)點。其中三者的關(guān)系是：

式中：X—X光標(biāo)在波形圖中對應(yīng)的X坐標(biāo)值；

T—視頻播放時間或當(dāng)前圖像在視頻中的對應(yīng)時間點；

V保—采集程序中設(shè)定的數(shù)據(jù)保存速度，此處為5個/s；

N—視頻區(qū)域每一幀圖像在視頻中對應(yīng)的幀數(shù)；

f—采集程序中設(shè)定的視頻采集幀速，此處為25fps。

（3）非首次自動播放（運行過手動查看耦合程序后再次自動播放）視頻時，讀取與顯示視頻區(qū)域的圖像。根據(jù)當(dāng)前X光標(biāo)位置通過式（3）和式（4）計算得到圖像幀數(shù)，利用“IMAQAVI2 Read Frame”VI讀取圖像并用局部變量顯示；

（4）波形圖修飾。通過屬性節(jié)點選中曲線并修飾波形圖圖例名稱和數(shù)量；

（5）數(shù)值顯示。剪切力、壓力信號值分別由兩個“Index Array”VI讀出并顯示；

（6）視頻播放完成后的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。給控件“暫?！辟x值為“true”，將程序轉(zhuǎn)換到手動查看耦合過程。

圖6 自動播放耦合過程Fig.6 Autorun Coupling Process

圖5 局部變量作為判斷依據(jù)Fig.5 Local Variable as Criterion

3.2.2 手動查看耦合過程

3.2 數(shù)據(jù)耦合

LabVIEW中的變量、控件和對象都有屬性節(jié)點，包含變量、控件和對象等的位置、可視性、顏色等信息[12]。在自動播放和手動查看耦合過程中，保證圖像、X光標(biāo)位置的對應(yīng)關(guān)系是通過控制X光標(biāo)位置屬性和視頻幀數(shù)屬性實現(xiàn)的。

當(dāng)圖6中控件“暫?！钡闹禐椤皌rue”時，程序完成了首次自動播放視頻或者進(jìn)入人為暫停的狀態(tài)。

在此之前，自動播放耦合模塊已執(zhí)行過，只需通過局部變量和屬性節(jié)點改變界面五元素。利用波形圖的屬性節(jié)點可得到X光標(biāo)值，如圖7所示。由式（3）和式（4）可以計算得到對應(yīng)的時間點和圖像幀數(shù)，通過局部變量在前面板上顯示數(shù)據(jù)點、圖像和當(dāng)前圖像對應(yīng)的播放時間。同時利用波形圖的屬性節(jié)點得到剪切力信號和壓力信號的值，但此時剪切力信號和壓力信號值是以數(shù)組形式讀出的，用索引數(shù)組函數(shù)可得到其對應(yīng)數(shù)值，并通過局部變量顯示。

3.2.1 自動播放耦合過程

自動播放耦合過程程序框圖，如圖6所示?？丶皶和！钡闹禐椤癴alse”說明程序首次運行，此時應(yīng)在自動播放視頻的同時讀出、顯示所有信號數(shù)據(jù)，并以固定的速度向右移動波形圖中的X光標(biāo)。

圖7 手動查看耦合過程Fig.7 Manual Check Coupling Process

4 試驗驗證

LabVIEW集成了豐富的調(diào)試策略[14]。為驗證該方法功能的正確性，并分析在整個剪切過程中各組物理信號和棒形組件截面的變形規(guī)律及其對應(yīng)關(guān)系，試驗分為兩個步驟：（1）利用采集模塊采集視頻、力與壓力信號；（2）視頻與剪切力、壓力信號的時域耦合分析。

4.1 信號采集

視頻信號由NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的幀接收模塊PXIe-1435通過工業(yè)相機(jī)采集、保存；剪切力、壓緊力、油缸壓力信號通過同步模擬輸入模塊PXIe-4300采集得到，并通過采集程序顯示、保存。具體過程如下：

（1）完成標(biāo)定試驗。油缸進(jìn)油口壓力P與活塞輸出力F之間的關(guān)系為：

式中：k和b—待定參數(shù)，出油口壓力約為0。

通過標(biāo)定試驗計算得到油缸進(jìn)油口壓力與活塞輸出力函數(shù)關(guān)系的具體參數(shù)k和b。

（2）進(jìn)行棒形組件剪切試驗。首先選擇一種刀具并以一定的壓緊力壓緊某個截面，采集、顯示并保存壓緊力信號；再對此截面進(jìn)行剪切，采集、顯示并保存剪切力、油缸進(jìn)出油口壓力等信號。同時用工業(yè)相機(jī)記錄下整個壓緊和剪切過程。

（3）使用不同的刀具和壓緊力組合重復(fù)進(jìn)行步驟（2）。

4.2 信號時域耦合分析

視頻、剪切力、壓力信號的時域耦合分析過程，如圖8所示。在此不再贅述。

圖8 信號耦合分析過程Fig.8 Signal Coupling Analysis Process

信號耦合結(jié)果如下：

（1）首次進(jìn)入程序時，設(shè)置相關(guān)參數(shù)后開始自動播放視頻文件，波形圖中顯示出了剪切力信號和壓力信號波形（在此僅表示剪切力的變化趨勢，波形圖中縱坐標(biāo)為當(dāng)前剪切力與預(yù)估剪切力的百分比），X光標(biāo)隨視頻信號的播放同步向右移動，如圖8（a）所示。同時顯示了剪切力和壓力當(dāng)前值、剪切截面受到的最大壓緊力與預(yù)估值的百分比；

（2）點擊“暫?！被虻却曨l播放完成后，用鼠標(biāo)拖動X光標(biāo)左右移動時，左側(cè)視頻區(qū)域圖像隨之移動，并且在任意時刻X光標(biāo)對應(yīng)的數(shù)據(jù)點、視頻播放時間、剪切力和壓力信號值都已在前面板中顯示出來，如圖8（b）所示。

4.3 試驗結(jié)果分析

4.3.1 程序功能驗證

根據(jù)采集程序得到的視頻文件和txt文件進(jìn)行數(shù)據(jù)耦合分析，檢驗程序功能正確性的方法如下：

（1）判斷信號采集、保存是否同步的方法是：視頻信號采集時間通過查看文件創(chuàng)建時間和視頻時長得到，力、壓力信號采集時間通過查看txt文件中數(shù)據(jù)記錄時間得到；對比兩個時間段是否一致；

（2）判斷數(shù)據(jù)耦合是否成功的方法是：在鼠標(biāo)拖動X光標(biāo)移動至某一點時，通過程序計算出對應(yīng)的圖像幀數(shù)與人工計算出該圖像的實際幀數(shù)對比；查看txt文件中該數(shù)據(jù)點的信號值是否與程序中顯示值相同；信號值對應(yīng)的時間與視頻播放時間是否相等。

經(jīng)檢驗，三種信號是同步采集保存的；在鼠標(biāo)拖動X光標(biāo)左右移動至任一點時，信號值與圖像都是在同一時刻記錄下的，即實現(xiàn)了視頻、剪切力與壓力信號的時域耦合功能。

4.3.2 信號分析結(jié)果

根據(jù)圖8中的棒形組件剪切數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：棒形組件剪切機(jī)所需的壓緊力、剪切力、液壓系統(tǒng)壓力與預(yù)估值相比都有所減小。通過視頻、剪切力、壓力信號的時域耦合分析，可以觀察到以下現(xiàn)象：

（1）如圖8（a），經(jīng)過壓緊后，截面中上方兩根芯棒已被壓碎；在另一組試驗中采用了更大的壓緊力，所有芯棒均被壓碎；

（2）剪切力信號第一個起突點表示剪切刀與外套鋼管剛接觸時力信號的突變，代表開始剪切棒形組件；

（3）剪切力急劇增大的過程中，根據(jù)視頻信號可看到芯棒產(chǎn)生微小位移，將截面內(nèi)的縫隙填滿的同時向四周擴(kuò)展；當(dāng)剪切力最大時，如圖8（b），可聽見清脆的斷裂聲，混凝土芯塊被擠壓斷裂，并且有粉塵掉落（即粉塵泄漏）；

（4）剪切力減小過程分為三個階段。如圖8（b），首先是中間三根芯棒被剪斷，對應(yīng)最大剪切力Ⅰ；然后下方兩根芯棒被剪斷，對應(yīng)剪切力Ⅱ；最后外套鋼管和芯管全部剪斷，對應(yīng)剪切力Ⅲ。

結(jié)合其他棒形組件剪切試驗結(jié)果可以得到結(jié)論：壓緊力越大，芯棒壓碎效果越好，所需棒形組件剪切力越小。結(jié)合對剪切質(zhì)量（截面變形小、粉塵泄漏量?。┑囊?，選擇圖8中的刀具形式和壓緊力、剪切力、液壓系統(tǒng)壓力等參數(shù)較為合適。與預(yù)計相比，棒形組件剪切機(jī)所需的最大壓緊力減小至預(yù)估值的61%，最大剪切力減小至預(yù)估值的71%，液壓系統(tǒng)所需最大壓力減小至預(yù)估值的65%。此結(jié)果為棒形組件剪切機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

4.3.3試驗結(jié)論

由棒形組件剪切試驗的信號分析過程及結(jié)果可看出：僅使用力、壓力等物理信號不能完全反映出棒形組件的變形、斷裂過程與剪切力、液壓系統(tǒng)壓力變化的對應(yīng)關(guān)系，更無法直觀地判斷壓緊力和剪切力大小對剪切質(zhì)量的影響。只有通過視頻信號與物理信號耦合的方式才能完全復(fù)現(xiàn)整個棒形組件剪切過程。

在此過程中還發(fā)現(xiàn)：

（1）若更改采集程序的信號采集種類或數(shù)量，只需要對采集程序稍加修改即可實現(xiàn)采集、處理、顯示、保存等功能，并且數(shù)據(jù)耦合分析程序的設(shè)計方法同樣適用；

（2）可在采集程序中添加更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理函數(shù)（如頻域分析函數(shù)），改變數(shù)據(jù)存儲格式，可在數(shù)據(jù)分析程序中添加其他類型數(shù)據(jù)文件，分析程序的耦合方法仍適用。

以上兩點可說明此程序設(shè)計方法的功能擴(kuò)展性強、可移植性好，適用范圍廣。

5 結(jié)語

視頻與多種物理信號采集與耦合方法結(jié)合了實時視頻，快速準(zhǔn)確地分析了各物理量的變化規(guī)律，解決了在非均質(zhì)復(fù)合棒形組件剪切過程中難以得到棒形組件截面變形、斷裂過程與各物理信號變化之間對應(yīng)關(guān)系的問題，其特點在于：

（1）結(jié)合視頻信號，能清晰觀察到被剪切材料瞬間斷裂和飛濺情況，有利于對其他物理量的瞬態(tài)變化給予合理的解釋；

（2）以LabVIEW的同步技術(shù)、主/從設(shè)計模式實現(xiàn)多種信號采集過程的同步性與實時性；

（3）通過圖像處理VI庫、圖像屬性節(jié)點等手段設(shè)計了自動播放與手動查看兩種時域耦合方式，在后期數(shù)據(jù)分析過程中可隨時切換耦合方式進(jìn)行數(shù)據(jù)查看、分析；

（4）易于增加信號數(shù)量、種類或處理函數(shù)。

試驗結(jié)果證明此設(shè)計方法達(dá)到了預(yù)期目的和效果，滿足監(jiān)控系統(tǒng)對信號采集的實時同步性要求和完全復(fù)現(xiàn)棒形組件剪切過程的要求，并且此方法具有良好的功能擴(kuò)展性、可移植性強，適用范圍廣，可作為一種視頻與多種信號采集和耦合分析的基礎(chǔ)模塊。