劉光明，劉 妍，楊鶴凌，楊 帆

（長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

隨車壓實度實時檢測系統(tǒng)研究

劉光明，劉 妍，楊鶴凌，楊 帆

（長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

在借鑒傳統(tǒng)檢測方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)壓路機(jī)振動信號與壓實程度的相關(guān)關(guān)系，提出了一種隨車壓實度實時檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用振動傳感器采集壓路機(jī)振動信號，并將該信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，放大、濾波，在時域和頻域進(jìn)行數(shù)字信號處理，進(jìn)而提取出壓實度實時數(shù)值。通過大量現(xiàn)場試驗驗證，本系統(tǒng)計算出的壓實度值與傳統(tǒng)壓實度檢測結(jié)果，具有高度的一致性和準(zhǔn)確性。

壓實度；隨車檢測；實時；振動

壓實作業(yè)是道路施工作業(yè)的一個重要組成部分，有效的壓實能夠顯著的提高路基、路面的承載能力和穩(wěn)定性，防止?jié)B透，消除沉陷。實踐證明，以高標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行路基、路面的壓實，是保證路基、路面應(yīng)有強(qiáng)度和穩(wěn)定性的一項最經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)措施[1]。

壓實過程檢測技術(shù)是確保壓實質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為了實時、準(zhǔn)確的檢測材料被壓實的情況，分析現(xiàn)有壓實度檢測方法，利用壓路機(jī)振動信號與壓實程度的相關(guān)關(guān)系，采用數(shù)字信號處理算法，設(shè)計出隨車壓實度在線檢測系統(tǒng)。

1 傳統(tǒng)壓實度檢測方法

傳統(tǒng)的壓實度檢測方法分為破壞性試驗檢測方法和非破壞性試驗檢測方法。

1.1 破壞性試驗檢測方法

破壞性試驗是指在測量土層或材料層的密實度和含水量之前，需要對被測量層進(jìn)行一定程度的破壞，以采取樣品。常用的破壞性試驗主要有兩種——灌砂法和環(huán)刀法[2-3]。

1）灌砂法

灌砂法是利用均勻顆粒的砂去置換試洞的體積。該方法可用于測試各種土或路面材料的密度，它的缺點是：需要攜帶較多量的砂，而且稱量次數(shù)較多，因此它的測試速度較慢。

2）環(huán)刀法

用環(huán)刀法測得的密度是環(huán)刀內(nèi)土樣所在深度范圍內(nèi)的平均密度。它不能代表整個碾壓層的平均密度。只有使環(huán)刀所取的土恰好是碾壓層中間的土，環(huán)刀法所得的結(jié)果才可能與灌砂法的結(jié)果大致相同。另外，環(huán)刀法適用面較窄，對于含有粒料的穩(wěn)定土及松散性材料無法使用。

1.2 非破壞性試驗檢測方法

在壓實度作業(yè)現(xiàn)場所使用的非破壞性試驗主要有核子法和落錘法[4]。

1）核子法

核子法是利用放射性元素測量土或路面材料的密度和含水量。這類儀器的特點是測量速度快，需要人員，但其放射性對人體會產(chǎn)生不好的影響，而且設(shè)備造假很高，所以在施工中被使用的較少。

2）落錘法

落錘法是利用落錘的沖擊使土體產(chǎn)生反彈力，并利用低頻測出土體響應(yīng)值的一種不測含水量就能得到路基壓實度測試儀器。落錘法檢測檢測速度較慢，檢測精度受被檢測點的直接影響。

傳統(tǒng)壓實度檢測都屬于抽樣檢測[5]，即只用幾個檢測點的壓實度值代替整個壓實路段的壓實度，很難反映道路上每一點的壓實情況，容易造成漏檢的現(xiàn)象。

2 隨車壓實度實時檢測原理

經(jīng)過大量壓實作業(yè)驗證，當(dāng)振動壓路機(jī)以一定的頻率和振幅對被壓實材料進(jìn)行振動壓實時，隨著被壓實材料的不同和被壓實遍數(shù)的不同，其振動信號會發(fā)生如下圖1所示的變化。

圖1 壓實材料不同和被壓實遍數(shù)不同時振動信號的變化Fig.1 Vibration signal changes of different compaction materials and compaction times

理論上，在壓實作業(yè)過程中，隨著壓實遍數(shù)的增加，被壓實材料的密實度會逐漸增加，其硬度會逐漸上升[6]，而實際上，當(dāng)壓實遍數(shù)過多時不但不能使材料密實度進(jìn)一步增加，反而會使表面的材料被振松，影響被壓實材料的密實度。因此，振動信號所反映出的被壓實材料硬度的信息間接的反映出該材料密實度的變化，因此采集振動壓路機(jī)的振動信號，并對其進(jìn)行分析、處理和擬合，將能得到被壓實材料的密實度情況。

3 隨車壓實度實時檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)振動信號與被壓實材料密實度，即壓實度之間的相關(guān)關(guān)系，設(shè)計系統(tǒng)硬件系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 隨車壓實度在線檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of on-vehicle compaction real-time detection system

硬件系統(tǒng)主要由振動信號傳感器、信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、CPU模塊、顯示模塊、電源模塊和遠(yuǎn)程通信模塊組成。

其主要工作過程是：振動信號傳感器采集到振動壓路機(jī)的振動模擬信號，并將該信號送入信號調(diào)理模塊進(jìn)行去噪、放大、濾波等處理，然后送入A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號被送入CPU單元，在CPU單元被進(jìn)一步分析和處理，最終得出壓實度值，被顯示到隨車的顯示器上，供壓實作業(yè)人員實時察看壓實狀況。

4 隨車壓實度實時檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

隨車壓實度實時檢測系統(tǒng)的軟件部分包括信號采集卡驅(qū)動程序的開發(fā)、壓實算法程序設(shè)計與實現(xiàn)和主程序的實現(xiàn)。軟件結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

圖3 隨車壓實度實時檢測系統(tǒng)軟件框架Fig.3 Software structure of on-vehicle compaction real-time detection system

隨車壓實度實時檢測系統(tǒng)主程序的設(shè)計主要包括人機(jī)界面的設(shè)計和通信軟件的設(shè)計，壓實算法主要從時域和頻域?qū)π盘栠M(jìn)行積分、擬合、傅立葉變換和數(shù)字濾波，得出壓實度信息。信號采集驅(qū)動和壓實算法都是通過dll方式被主程序調(diào)用的。

5 實驗結(jié)果測試

通過施工現(xiàn)場試驗，結(jié)合現(xiàn)場灌砂法檢測壓實度試驗，對隨車壓實度在線檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證。試驗內(nèi)容及試驗步驟如下：

在攤鋪機(jī)鋪好的平整路面上選取一段（長約30～70 m）作為試驗段。在試驗時選取一段中的某一道作為試驗道。每壓一遍后，在壓實區(qū)段上進(jìn)行灌砂法試驗（取3至5點，非離析點，含水率均勻點，有代表性），記錄試驗結(jié)果。完成灌砂法壓實度檢測后，繼續(xù)壓實下一遍。

為減小因壓路機(jī)工作參數(shù)不穩(wěn)定和材料特性參數(shù)變化帶來的影響，要求壓路機(jī)穩(wěn)定工作，速度波動小，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定；材料含水量控制精確穩(wěn)定，級配準(zhǔn)確，離析程度?。还嗌胺z測壓實度時盡量準(zhǔn)確快速。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)Tab.1 Field results data

實驗數(shù)據(jù)擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4 壓實度實驗數(shù)據(jù)擬合結(jié)果Fig.4 Fitting results of compaction experiment data

由圖4可以看出，隨車壓實度實時檢測儀檢測數(shù)據(jù)與灌砂法數(shù)據(jù)有極強(qiáng)的相關(guān)性，能夠準(zhǔn)確的反映被壓實材料的壓實度值。

6 結(jié)束語

文中介紹了一種基于振動壓路機(jī)振動信號與被壓實材料密實度相關(guān)關(guān)系的隨車壓實度實時檢測方法，并依據(jù)這種方法提出了壓實度檢測儀的設(shè)計方案。通過試驗驗證，該系統(tǒng)計算的實時壓實度值與傳統(tǒng)灌沙法測試具有很高的相關(guān)性，不僅能夠準(zhǔn)確的反映被壓實材料的密實度變化趨勢，還能實時得出壓實度的具體數(shù)值，這就改變了以往壓實度檢測以點帶面，滯后的檢測缺點，使壓實度的檢測能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確的為施工作業(yè)提供指導(dǎo)。

[1]申建德.基于DSP的便攜式壓實度實時檢測系統(tǒng)[D].北京：北京交通大學(xué)，2007.

[2]張智明.壓實度計及其試驗研究[D].西安：長安大學(xué)，2005.

[3]王振花.車載式壓實度計的研究開發(fā)[D].西安：長安大學(xué)，2002.

[4]李桃.路基壓實度的振動測試方法試驗研究 [D].西安：長安大學(xué)，2009.

[5]沙慶林.公路壓實與壓實標(biāo)準(zhǔn)[M].3版.北京:人民交通出版社，1999.

[6]申建德.基于DSP的便攜式壓實度實時檢測系統(tǒng) [D].北京：北京交通大學(xué)，2007.

Study of on-vehicle compaction real-time detection system

LIU Guang-ming， LIU Yan， YANG He-ling， YANG Fan
（School of Electronic and Control Engineering，Chang'an University，Xi’an 710064， China）

Based on traditional detection methods and according to the relationship between roll's vibration signal and compaction，a real-time on-vehicle compaction detection method was put forward.This system collected vibration signal and changed it to digital mode， then amplified， filtered and processed it in time and frequency field to get the real-time compaction value.After a large number of field tests，the results obtained by this system shows high consistency and accuracy to the traditional methods.

compaction； on-vehicle； real-time； vibration

U416

A

1674－6236（2013）08-0078-02

2012-12-06稿件編號201212034

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃資助項目

劉光明（1990—），男，吉林農(nóng)安人。研究方向：交通信息工程。