基于MATLAB和LabVIEW的ERT成像系统

摘 要:电阻率层析成像(ERT)是新近发展起来的结构健康监测(SHM)中的一种可视性检测技术。本文中所述的系统在控制和采集上采用LabVIEW,同时在算法上采用MATLAB,通过混合编程将两个过程同步执行,实现了更高的灵活性。

关键词:电阻率层析成像 ERT ActiveX MatlabLabVIEW

中图分类号:TM1文献标识码:A 文章编号:1007-3973(2010)06-080-02

1引言

电阻率层析成像技术(ERT)是近年来发展起来的一种新型的成像技术,它采用空间敏感阵列电极,通过施加激励电流并测量边界电压以建立敏感场和获取物场信息,运用图像重建算法再现物场内部的分布状况,从而得到场内物质的分布及其随时间的变化规律,实现被测物场的可视化测量.由于其非侵入性,同时结构简单、设备成本低廉,目前已在医学、地球物理、矿藏探测等领域得到了应用.

LabVIEW是美国NI公司开发的图形化编程的虚拟仪器软件平台,其用户界面丰富灵活,非常容易和各种数据采集硬件集成,可广泛用于工业控制、测量、仿真等;而MATLAB是美国MathWorks公司开发的面向工程和科学运算的交互式计算机软件,拥有强大的数据处理功能,应用领域广泛。两者的结合一方面能够发挥LabVIEW控制、采集方面的优势,另一方面也能够应用MATLAB解决复杂计算问题的能力,同时给算法的改进预留足够空间,充分发挥各自的特长。

ERT的基本原理与方法

如图1所示,一个ERT系统由若干个模块组成,包括激励源、多路复用切换开关模块、激励测量电极阵列模块、数据采集模块、控制模块、图像重建模块等等。在投影控制模块控制下,激励源信号通过多路复用切换开关模块施加在样本某一对预定的激励电极上,样本其他部分的电极上便有了相应的响应信号,各个电极上的信号通过多路复用切换开关模块选通,并由数据采集模块采集入电脑,得到一次投影数据;换用下一组激励测量电极进行激励和数据测量得到下一组投影数据;如此反复,可以得到各个待测电极在不同激励条件下的响应信号,称为一组投影数据;对这组投影数据进行图像重建得到检测样本的ERT图。

图 1 ERT系统构成

在ERT中,上述的激励测量过程称为投影过程,各次投影的激励电极和测量电极的选择及其变换方式称为ERT投影模式,激励和测量信号值序列称为投影数据,由投影数据反算出被测结构电阻率分布的过程叫ERT图像重建过程。

LABVIEW与MATLAB混合编程

LabVIEW中调用MATLAB的方法主要有ActiveX技术应用、动态数据交换(DDE)、库函数调用等。当用大型算法时,必须明确输入、输出数据的具体类型,而且要尽量减少数据传输量和启动Matlab自动化服务器的次数,因此ActiveX技术适于较大的应用程序开发。本文中采用的是ActiveX技术。

ActiveX自动化是基于组件对象模型COM(Component Object Model)的技术,允许应用程序或组件控制另一个应用程序或组件的运行。Matlab支持ActiveX自动化技术。通过Matlab自动化服务器功能,可在其它应用程序中执行Matlab命令,并与Matlab的工作空间进行数据交换。借助此特性,把LabVIEW与Matlab结合。

调用Matlab7.2的ActiveX接口。主要使用MLAppClass类提供方法和属性:执行Matlab命令使用Execute方法;传送数据到Matlab使用PutFullMatrix, PutCharArray,PutWorkspaceData方法,从Matlab中获取数据使用GutFullMatrix, GetCharArray,GetWorkspaceData方法;设置命令窗口的可见性使用Visible属性;关闭Matlab服务使用Quit,delete方法。

当用大型算法时,必须明确输入、输出数据的具体类型,而且要尽量减少数据传输量和启动Matlab自动化服务器的次数,因此ActiveX技术适于较大的应用程序开发。

基于MATLAB和LabVIEW的ERT实时成像系统设计

本系统采用Keithley 2400作为系统的激励源,恒流激励。通过Keithley 7002程控切换机箱及Keithley 7011开关卡构成切换开关系统,进行激励和采集控制,由PCI-6251采集卡将数据采集到计算机。软件部分以LabVIEW为主体,通过调用GPIB驱动发送切换开关控制指令,通过DAQ-MX调用PCI-6251进行数据采集,并通过ActiveX控制Matlab对投影数据进行反演。

2电极投影

Keithley 7011开关卡置于Keithley 7002程控切换机箱内,通过GPIB总线和IEEE488.2协议由PC机进行控制。适用于LabVIEW的仪器驱动可以通过NI公司网站的仪器驱动程序网络获得。如图2所示,在对Keithley 7002初始化,开关卡配置之后,可以自由的对Keithley 7011开关卡进行通道开关操作。