王凱凱 WANG Kai-kai；董琴琴 DONG Qin-qin；陳作 CHEN Zuo

（①南充科技職業(yè)學(xué)院工程與應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，南充637200；②四川中煙工業(yè)有限責(zé)任公司成都卷煙廠，成都 610066）

0 引言

振動(dòng)壓路機(jī)是目前首選的壓實(shí)設(shè)備，因其壓實(shí)度佳，壓實(shí)深度深，適用要求條件更少，是目前壓實(shí)工作的首要選擇和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備。為了能夠?qū)崟r(shí)并準(zhǔn)確的得知壓實(shí)土壤的壓實(shí)情況和判斷壓路機(jī)工作過(guò)程中是否出現(xiàn)故障，需要得知壓實(shí)度和壓路機(jī)振動(dòng)加速度之間的關(guān)系。多項(xiàng)研究得出結(jié)果表明，在壓實(shí)過(guò)程中壓實(shí)度與振動(dòng)輪加速度成正相關(guān)。在振動(dòng)加速度的現(xiàn)場(chǎng)采集中，由于外界干擾一直存在，無(wú)法阻止其進(jìn)入到傳感器中，從而導(dǎo)致信號(hào)特征提取出現(xiàn)誤差。因此需要把采集到的信號(hào)中的噪音剔除，提高信號(hào)特征準(zhǔn)確度。

在振動(dòng)測(cè)試信號(hào)中，常采用濾波技術(shù)和小波分析等方法來(lái)過(guò)濾噪音信號(hào)，提取出真實(shí)有用的部分信號(hào)，進(jìn)而可得到振動(dòng)加速度有效值，再測(cè)出相應(yīng)的壓實(shí)度，最后采用最小二乘法對(duì)加速度有效值與壓實(shí)度進(jìn)行線性擬合。

1 振動(dòng)加速度信號(hào)的采集

1.1 傳感器安裝位置

在本文實(shí)驗(yàn)中，為了獲得更加準(zhǔn)確且合理的加速度信號(hào)，將DH186 壓電式加速度傳感器布置在壓路機(jī)機(jī)架的中心位置上。DH186 壓電式加速度傳感器具有較佳的抗干擾性，對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采集亦有幫助。

1.2 數(shù)據(jù)采集

DH186 傳感器采集到的信號(hào)需要在DH5902 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進(jìn)一步處理，得到需要的數(shù)據(jù)及相關(guān)圖形。

①具有較佳的密封特性及溫度適應(yīng)性，適用于溫度條件較差區(qū)域；具有較佳的抗振、抗沖擊性，適用于條件惡劣區(qū)域；具有外接電源及內(nèi)置電池兩種供電方式，適用于能量獲取不方便區(qū)域。

②具有簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)分析功能，可實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)輸出、現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)調(diào)整；具有實(shí)時(shí)通訊功能，借助無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等手段上傳采集到的數(shù)據(jù)到具有計(jì)算分析能力的終端設(shè)備，加以存儲(chǔ)、分析和保存。

③后續(xù)數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)易，在常用Windows 操作系統(tǒng)中均可處理數(shù)據(jù)，得出結(jié)論；可實(shí)現(xiàn)多通道同時(shí)運(yùn)行，前端和后臺(tái)同時(shí)采集、處理，得出結(jié)果更快、更便捷；適用范圍更廣。

2 振動(dòng)加速度信號(hào)分析

在信號(hào)采集過(guò)程中，振動(dòng)和噪音都會(huì)以信號(hào)的形式輸入到采集器中。噪音有高頻和低頻兩種，同時(shí)還有來(lái)自于施工現(xiàn)場(chǎng)的噪音；收集到的振動(dòng)信號(hào)還有來(lái)自于摩擦、擠壓和碰撞產(chǎn)生的振動(dòng)干擾信號(hào)。所以，加速度信號(hào)還需要進(jìn)一步分析，得到信號(hào)和噪聲，確定所測(cè)信號(hào)中的有用信號(hào)以便下一步分析和反映路面壓實(shí)狀況。

在采集信號(hào)時(shí)，由信號(hào)采樣相關(guān)規(guī)定可知，為了完整錄入采集到的信號(hào)，做到信號(hào)的不失真，越高的采樣頻率更有利于采樣的完整性。由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，路面在被壓實(shí)時(shí)，最佳頻率大致為26～54Hz，所以相應(yīng)的振動(dòng)壓路機(jī)的頻率也在此范圍內(nèi)。由廠商設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，DH5902 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集分析儀內(nèi)置的采樣頻率范圍是200～1000Hz。

本文中采用500Hz 和1000Hz 兩個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行采集。經(jīng)多次實(shí)際測(cè)試，在相關(guān)數(shù)據(jù)中表明，在46～54Hz 范圍內(nèi)應(yīng)采用1000Hz 的采樣頻率，在26～45Hz 范圍內(nèi)應(yīng)采用500Hz 的采樣頻率。并在垂直于地面、左側(cè)45 度和右側(cè)45度三個(gè)方向分別采集三組振動(dòng)加速度信號(hào)，隨機(jī)選取其中一段時(shí)間的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，采集信號(hào)波形及頻譜分析如圖1 及圖2 所示。

圖1 采集信號(hào)波形圖

由圖1 和圖2 可知結(jié)果可知：在左側(cè)45 度和右側(cè)45度兩處采集到的加速度信號(hào)在基頻處的幅值明顯小于垂直于地面位置采集到的幅值。將數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換后得到的圖2 中得到最大幅值為27.1548m/s2。在基頻處，左側(cè)幅值為21.5726m/s2，右側(cè)幅值為21.7965m/s2。從數(shù)值上看，左側(cè)45 度和右側(cè)45 度在基頻處的幅值大小相近，但進(jìn)一步分析得出，二者在分量諧波來(lái)看二者在二次分量諧波及其他的分量諧波相差顯著。因此通過(guò)傳感器在垂直方向加速度更為準(zhǔn)確，更加有利于加速度信號(hào)的準(zhǔn)確采集，故選擇此位置作為傳感器安裝位置。

圖2 頻譜分析圖

3 振動(dòng)加速度信號(hào)濾波去噪

本文根據(jù)采集到的加速度信號(hào)的特性，選取采樣頻率為1000Hz，截止頻率為70Hz，窗函數(shù)為巴特利特的IIR 低通濾波器。在實(shí)際振動(dòng)加速度信號(hào)中，隨機(jī)選取一段包含有500 個(gè)采樣點(diǎn)，壓路機(jī)行駛時(shí)間為1s 的信號(hào)。信號(hào)原始波形如圖3 所示，通過(guò)該濾波器濾波之后得到如圖4 所示的波形。

圖3 原始波形

圖4 IIR 濾波后波形

4 振動(dòng)加速度信號(hào)數(shù)字?jǐn)M合

4.1 加速度有效值的獲取

在本文的測(cè)量方法中，由于DH186 傳感器工作原理是輸出電荷量信號(hào)，所以需要再DH5902 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀中轉(zhuǎn)化成更好量化和測(cè)量的電壓信號(hào)。再將電壓信號(hào)輸入到加速度傳感器中，采用加速度傳感器的靈敏度，可換算成加速度的信號(hào)值。

由加速度傳感器原理以及電壓靈敏度Sv和電荷靈敏度SQ兩者的關(guān)系可以得到[2]：

式中：

U——信號(hào)電壓，V；

c——加速度傳感器電容量，F(xiàn)；

k——儀器放大系數(shù)；

SQ——電荷靈敏度，pC/（m/s2）。

通過(guò)對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算得到[3]：

通過(guò)以上兩式的計(jì)算及換算從而得到真實(shí)的加速度數(shù)值。可根據(jù)式（1）和式（2）來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以得到實(shí)際的加速度數(shù)值。

4.2 壓實(shí)度與振動(dòng)加速度的關(guān)系

經(jīng)過(guò)大量研究表明，振動(dòng)加速度周期與壓路機(jī)振動(dòng)周期同步，通常只有0.02 到0.05 秒，因此，用每個(gè)周期的加速度信號(hào)峰值來(lái)研究壓實(shí)度會(huì)造成非常巨大的計(jì)算量[4]。故本文選取0.4s 內(nèi)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行平均值計(jì)算作為瀝青路面壓實(shí)度的加速度有效值。

本文隨機(jī)選取6 組加速度信號(hào)，并進(jìn)行有效值計(jì)算，同時(shí)測(cè)出其壓實(shí)度值，并在Excel 軟件內(nèi)進(jìn)行二者的相關(guān)曲線擬合并輸出關(guān)系式。通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集與處理，測(cè)出相應(yīng)點(diǎn)的壓實(shí)度，得到如表1 所示的數(shù)據(jù)。

表1 壓實(shí)度與對(duì)應(yīng)加速度有效值

根據(jù)相關(guān)系數(shù)公式（3）可以求得相關(guān)系數(shù)R=0.9647，說(shuō)明振動(dòng)加速度有效值與壓實(shí)度的相關(guān)性良好。

式中：

R——相關(guān)系數(shù)；

Xi——加速度有效值；

Yi——壓實(shí)度；

X——加速度有效值均值；

Y——壓實(shí)度均值。

然后將其擬合得到如圖5 所示壓實(shí)度與加速度的相關(guān)關(guān)系曲線。擬合后得到如下的相關(guān)關(guān)系式：

圖5 壓實(shí)度與加速度擬合曲線

5 結(jié)論

本文主要探究壓路機(jī)壓實(shí)度與振動(dòng)加速度的關(guān)系，在振動(dòng)壓實(shí)測(cè)量中，由于DH186 傳感器工作原理是輸出電荷量信號(hào)，需要在DH5902 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀中轉(zhuǎn)化成更好量化和測(cè)量的電壓信號(hào)。再將電壓信號(hào)通過(guò)經(jīng)IIR 低通濾波器進(jìn)行濾波后輸入到加速度傳感器中，采用加速度傳感器的靈敏度，可換算成加速度的信號(hào)值。測(cè)得相應(yīng)的壓實(shí)度后，通過(guò)與振動(dòng)加速度有效值的擬合即可得出兩者的關(guān)系。由上可知，壓路機(jī)壓實(shí)度和振動(dòng)加速度之間存在一定的線性關(guān)系，路面壓實(shí)度的好壞一定程度上取決于壓路機(jī)的振動(dòng)加速度。