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摘要：本文基于风压传感器、采集卡、放大电路板等元器件组装了一套可用于现场实测的小型风压测量采集系统，并将本套测压系统用于TTU标准模型的室外测量试验中，与风洞试验结果进行了对比，从而验证本套系统的准确性和数据质量。
关键词：风场实测；测压系统组装；测压程序
引言
风荷载在结构设计中变得越来越重要，甚至成为某些建筑物的控制荷载[1]。土木工程现场实测主要涉及对高层建筑、大跨空间结构及低矮房屋等建筑形式的测量，国内外的学者进行了大量的现场实测实验[2] [3] [4]。
1小型测压系统的组装及采集平台的搭建
本文的测压系统主要包括以下部分：风压传感器、放大电路、采集卡及配套端子板、工控机。测压系统的信号传递过程为：风压传感器布设于现场测量风压并输出电流信号，传感器通过双绞屏蔽线连接航空插头，航空插头转接放大电路板，将电压信号传至放大电路，该放大电路由一个外接电源供电；电压信号经放大电路放大之后传至端子板，端子板通过数据线与插入到工控机ISA插槽的采集卡相连，将电压信号最终传输到工控机。经过标定后，采集程序可进行电压信号的处理，将其转为压力值输出和存储，从而实现整个测量采集过程。
本试验采用基于LABVIEW平台自行编制的程序实现风压采集存储[5]。该程序可以实现两个采集箱共32个通道的数据同步采集与存储，同时进行输出电压的实时显示。采集程序流程为：选择采集卡、打开硬件设备、设置采集参数、读取数据、输出数据、数据显示及存储。本试验采集软件可以实现多通道数据的同步采集与存储，实时输出电压值，并且可以设置采样频率和数据存储位置等。前面板上有开始、停止按钮，可以输入数字实现设置采样频率、开始通道及通道数等功能。右侧的两个波形图用以显示从两张采集卡上传输的电压数据绘制的时程曲线。该软件各功能包括：开始（点击开始运行程序后会弹出对话框进行板卡的选择，下拉菜单下可选择基地址200和300两块板卡，点选第一张后单击ok按钮，之后再进行第二张办卡的选择。第二张板卡选择完毕后开始采集数据。）、停止、设置采样频率（单位为Hz）、开始通道（设置从相应通道开始进行采集）、通道数、时程曲线、数据存储。
由于小型测压系统测得的最终数据为电压值，而需要的则是测得的风压值，故而需要将采集程序得到的电压值转化为压力值。转换程序使用MATLAB软件编程实现[6]，该程序可以实现电压数据读取、数值转换、数值输出的功能。转换程序使用MATLAB编程实现，该程序可以实现电压数据读取、数值转换、数值输出的功能。由于每个传感器都有互不相同的对应关系，所以共拟合出32个函数。拟合结果均为线性函数，自变量为电压，函数值为风压，该函数的斜率和截距作为数组存储为p.dat文件。运用上面得到的32个函数关系即可将电压值对应的转算为风压值，之后以txt形式存储。
2室外测压试验
本试验采用锦州阳光气象科技公司生产的PC-4型小气象站进行风速风向的测量与采集工作。小气象站主要包括EC-8SX一体化风速风向传感器、气象环境检测记录仪、FZ-1型防辐射通风罩等几个部分。下面详细介绍各部分的功能用途及主要参数。
为了考察实测系统的适用性以及实测数据的质量，决定将TTU标准模型置于某建筑物屋顶，使用小型测压系统进行实测。实验模型固定在一块大面积木板上，木板与一个钢架固定。模型下端离地1m，模型周围较为空旷。模型上共布置了21个测点，测点布置同风洞试验见图4-12。采样频率为20Hz，每组测量10分钟，测量时间为上午10：50至下午19：30，共测量五十二组数据。由风速数据分析可知11：40至11：50之间风速变化较为显著，且其风向角为90°，便于与风洞试验数据进行对比，故而本文决定使用11：40至11：50测得数据、针对几个典型测点绘制风压时程曲线及风压功率谱，并结合19：20至19：30的数据列表对比了室外测压试验与风洞试验得到的各点平均风压系数，结果如下所示。
表 1 1 平均风压系数表
可以得出以下结论：（1）各点的风压在大部分时间段相对较平稳，处于小幅波动，能够显示出一定的脉动特性。不同位置的点之间差距较为明显，尤其是跨中与角部的点相差较多，角部的18号点风压波动范围明显小于跨中各点。（2）室外测量得到的各点平均风压系数与风洞试验得到的结果吻合较好。个别测点平均风压系数的值略有不同，但整体变化规律一致。（3）风荷载频率基本集中在低频0.08Hz到0.5Hz之间，具体数值与测点位置有关。各测点风压功率谱中3Hz以上均会出现一个凸起，该凸起的可能原因是测量时受到信号干扰，可以通过信号降噪及探讨管路频响对数据进行处理，得到更加准确的结果。
结论：本文基于一批已有的实验仪器及电子元器件组装了一套可用于现场实测的小型风压测量采集系统，编制了相应的数据采集软件，并将本套测压系统用于TTU标准模型的室外测量试验中，分析了试验结果。本文主要结论有以下几点：（1）本文所用小型测压系统使用有线传输方式实现数据传输，LABVIEW语言编程采集，MATLAB语言编程进行数据处理分析。（2）各功能实现正常说明对各元器件的组装正确、电路焊接有效。（3）采集程序使用LABVIEW语言编制，可以实现多通道数据的同步采集与存储、实时输出电压时程图，支持设置采样频率和数据存储位置、定时定量自动存储等功能，说明功能正常及采集程序可用。（4）本文利用小型测压系统对TTU标准模型进行了风洞试验和室外测量试验。综合两个试验可以证明小型测压系统精度、准确性及数据质量均可达到风场实测标准，可以用于风场实测试验。
参考文献
[1] 申建红，李春祥.土木工程结构风场实测及新技术研究的进展[J].振动与冲击，2008，第27卷（第10期）.
[2] 戴益民.低矮房屋风载特性的实测及风洞试验研究[D].长沙：湖南大学，2010.
[3] 王旭，黄鹏等.海边坡角可调试验房风荷载现场实测研究.振动与冲击.2012.
[4] 李秋胜，戴益民等.强台风黑格比作用下低矮房屋风压特性[J].建筑结构学报.2010，31（04）：62-68.
[5] 徐超.LABVIEW在实时测控系统中的应用研究[D].重庆：重庆大学，2005.
[6] 姜衍猛.基于MATLAB的数据采集与分析系统的研究及设计[D].济南：山东大学，2012.
论文作者:张凯博
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/26
标签：风压论文; 数据论文; 电压论文; 测量论文; 风洞论文; 系统论文; 测压论文; 《建筑学研究前沿》2018年第36期论文;