王蘇婭，張應(yīng)和，郭艷珠

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，西安 710026）

0 引言

近年來，我國的高速公路建設(shè)取得了快速發(fā)展，并且隨著公路等級的不斷提高，對瀝青路面的平整度、密實度提出了更高的要求。瀝青混合料攤鋪機是指按規(guī)定要求將瀝青混合料均勻平整地攤鋪開的專用機械。瀝青混料路面具有表面光滑、耐磨損的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于高速公路上。瀝青混合料攤鋪機是瀝青路面的主要施工設(shè)備之一，其性能直接影響后續(xù)壓路機的工作次數(shù)以及道路路面的平整度和路面質(zhì)量，如壓實度等[1]。因此，提高瀝青攤鋪機的性能尤為重要。

在攤鋪機與混合料相互作用中，存在高效的振動頻率范圍，在此范圍內(nèi)瀝青混合料容易被振實，瀝青混合料獲得較高的初壓密實度[2-4]。然而在實際施工中，攤鋪機通常采用擋位或者百分比的方式調(diào)節(jié)振搗和振動頻率，并沒有頻率測定的專用儀器，無法判斷振動頻率是否在與材料相適應(yīng)的頻率范圍內(nèi)，施工過程中的調(diào)節(jié)具有較大的盲目性。

本文提出的攤鋪機多頻率振動監(jiān)測系統(tǒng)，可以利用加速度傳感器對攤鋪機的振動頻率進行實時監(jiān)測，根據(jù)實際情況可選擇燙平板相對于出料速度最佳的匹配振動頻率，從而在滿足路面壓實度、滲水系數(shù)及平整度的相關(guān)要求的同時，對道路施工起到指導(dǎo)作用，減少壓路機工作次數(shù)，保證攤鋪機高效工作，節(jié)能減排[5-7]。

1 熨平板頻率振動測試系統(tǒng)的組成

攤鋪機在工作過程中，混合瀝青料從料斗出料口通過螺旋攤鋪器將混合料橫向攤開，振搗器將混合料通過振動初步搗實，振動搗實的過程中，搗梁在燙平板和護板的下限位下，由偏心軸帶動做上下往復(fù)運動。同時，燙平板上附加有振動器，對攤鋪層混合料進行修整熨平和振動壓實。在上述的燙平板的振動過程中，振動器上下振動一次，就會經(jīng)過一次最大振幅，同時，產(chǎn)生一個指向平衡位置的最大加速度。所以，當(dāng)振動器連續(xù)不斷地經(jīng)過同一個最大振幅處時，就會連續(xù)產(chǎn)生同方向加速度最大值[8]。

通過以上對攤鋪機振搗系統(tǒng)的工作過程分析可以看出，攤鋪機振搗系統(tǒng)的振動頻率與其在振動過程中通過最大振幅處加速度的變化頻率有關(guān)。當(dāng)振動器以某一固定頻率振動時，加速度也將以這一頻率變化。因此，可以通過分析加速度的變化頻率獲得攤鋪機振搗裝置的振動頻率。

通常，在施工現(xiàn)場用加速度傳感器對攤鋪機振搗系統(tǒng)的振動頻率進行檢測時，會受到外界低頻或者高頻噪聲以及攤鋪機工作中各獨立運動部件的干擾。通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，攤鋪機正常工作時振搗系統(tǒng)的振動頻率較低，攤鋪機振動器的振動可調(diào)頻率范圍一般為0～50 Hz，振搗裝置的可調(diào)頻率范圍為0～30 Hz。與外界其他干擾信號不在同一頻率范圍內(nèi)。在實際施工過程中，為了獲得更高的混合料壓實度，一般選擇振動器的振動頻率大于振搗裝置的振搗頻率。

本文中的測試系統(tǒng)是在施工過程中用于檢測熨平板振動器的振動頻率，使其能夠和攤鋪機的運行速度及振搗頻率匹配更佳，從而能夠減少施工過程中攤鋪機的壓實遍數(shù)，節(jié)能減排。

頻率測試系統(tǒng)以PC/104 工控板為核心，擴展了模擬端口和數(shù)字采集端口，以及信號調(diào)理端口等。采用帶通濾波器對采集到的信號進行處理。工作原理如圖1所示。

圖1 攤鋪機測振系統(tǒng)擬采用的工作原理

2 熨平板測頻率振測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 信號輸入

通過前面分析可知，振動系統(tǒng)的頻率和其加速度的變化頻率有關(guān)，所以，選擇加速度傳感器作為熨平板頻率振動測試系統(tǒng)的信號輸入設(shè)備。

加速度傳感器按其在測量工作中的工作原理可分為電容式加速度傳感器、壓阻式加速度傳感器和壓電式加速度傳感器。

其中，在低頻的振動測量時，通常選用壓電式加速度傳感器。壓電式加速度傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)換。當(dāng)壓電材料受到外力作用產(chǎn)生變形時，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其表面將會產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力消失時，電荷也消失，又回到原來不帶電的狀態(tài)。所以壓電式傳感器為有源傳感器，在使用過程中無需外接電源就可以工作，并且具有低通特性，因此可選用來測量低頻和極低頻的振動。

在進行熨平板的振動頻率檢測時，選用LC01系列加速度傳感器。該系列傳感器為內(nèi)裝IC 集成電荷放大器的壓電型加速度傳感器。其內(nèi)部基本組成為MOS 場效應(yīng)管，并且在傳統(tǒng)壓電式加速度傳感器的基礎(chǔ)上增加了電荷放大器，能夠?qū)鞲衅鬏敵鲂盘栠M行直接放大，簡化測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并能直接與后續(xù)的記錄、顯示以及采集儀器相連，提高測量精度和可靠性。

內(nèi)裝IC 集成電荷放大器的壓電型加速度傳感器與外接信號調(diào)理器原理圖如圖2所示。

圖2 傳感器外接信號調(diào)理期原理

LC01 系列壓電式加速度傳感器相關(guān)性能指標如下：輸出線性度為小于或等于1% ；橫向靈敏度為小于或等于5%，典型值為小于或等于3%；輸出偏壓為DC812V；恒定電流為2～20 mA，典型值為4 mA；輸出阻抗小于150 Ω；激勵電壓為DC15～30 V，典型值為DC24V；溫度范圍為-40～120 ℃；放電時間常數(shù)大于或等于0.2 s。

從以上參數(shù)可以看出其優(yōu)點為：（1）輸出阻抗小，抗干擾，噪聲??；（2）性價比高，安裝方便；（3）性能穩(wěn)定、可靠，靈敏度高。

2.2 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理是指對傳感器輸出信號進行操作，將其轉(zhuǎn)換成滿足后續(xù)傳輸與處理系統(tǒng)要求的信號[9]。在本系統(tǒng)中信號調(diào)理電路選擇LM317LZ 作為可調(diào)穩(wěn)壓電源作為電源穩(wěn)壓器。在輸出電壓1.2～37 V 可調(diào)式能提供100 mA 的負載電流。

運算放大器選擇的是帶有真差動輸入的四運算放大器LM324。LM324 系列運算放大器內(nèi)含4 個高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)莫毩⒌倪\算放大器?？蓡坞娫词褂?，在單電源應(yīng)用中，與標準運算放大器類型相比具有明顯的優(yōu)勢。因此，常用于傳感器的運算放大電路中。

攤鋪機熨平板多頻振動測試系統(tǒng)信號調(diào)理電路如圖3所示。

圖3 信號調(diào)理電路電路原理

2.3 信號采集模塊

信號采集模塊主要是將加速度傳感器采集到的加速度信號傳給RAM 存儲器及CPU。該模塊首先應(yīng)具有A/D轉(zhuǎn)換功能，能夠?qū)⒉杉降哪M量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入。其次，該模塊還應(yīng)具有計數(shù)器功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對測速傳感器輸出的脈沖信號進行計數(shù)。

本系統(tǒng)中采用ART2932 作為多頻振動監(jiān)測系統(tǒng)的信號采集模塊，能夠同時滿足A/D 轉(zhuǎn)換及計數(shù)器功能。其外觀如圖4所示。其主要參數(shù)為：12位AD精度，250 kS/s采樣頻率；單端16 路/差分8 路；AD 緩存8 kb，F(xiàn)IFO 存儲器；AD 量程為±10 V、±5 V、±2.5 V、0～10 V；AD 觸發(fā)方式為多種模擬量、數(shù)字量觸發(fā)；12位DA精度，4路模擬量輸出；DA量程為0～10 V、0～5 V、±10 V，±5 V；數(shù)字量輸入、輸出各8路，3路16位計數(shù)器。

圖4 ART2932 PC/104采集卡

2.4 CPU模塊

CPU 模塊是任何嵌入式系統(tǒng)的核心，其體積小，功耗小，集成度高。本系統(tǒng)中，CPU 模塊的功能是負責(zé)對輸入的加速度、速度的信號進行分析和處理，并為系統(tǒng)提供儲存、通信、顯示等操作接口。

嵌入式工控機（Embedded Industrial Computer）是一種加固的增強型工業(yè)計算機，它可在工業(yè)環(huán)境中可靠運行。而且由于嵌入式工控機的性能更加可靠、無風(fēng)扇結(jié)構(gòu)、體積小巧、價格低廉，所以在工控機中應(yīng)用更為廣泛。

本文系統(tǒng)中采用GT6805型嵌入式工控機主板作為系統(tǒng)的CPU模塊。GT6805型嵌入式工控機主板，核心部分為采用S3C2416 處理器的GT2416 模塊。S3C2416 處理器是三星公司推出的一款高性價比的處理器，其內(nèi)核為ARM926EJ，運行主頻為400 MHz，支持DDR2 內(nèi)存，并集成了TFT 控制器和2D 圖形加速器。GT6805 型嵌入式工控機的外形圖如圖5所示。

圖5 GT6805工控主板

3 熨平板頻率測試系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗

通過系統(tǒng)的理論研究、分析以及設(shè)計，并將該多頻振動測試系統(tǒng)在施工現(xiàn)場進行了檢測試驗。攤鋪機熨平板多頻振動測試系統(tǒng)整體實物如圖6所示。

圖6 整體實物

為了驗證本測試系統(tǒng)頻率檢測的正確性，和施工現(xiàn)場攤鋪機振動系統(tǒng)本身的調(diào)節(jié)裝置進行了頻值比較，比較結(jié)果如表1 和表2 所示。測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集如圖7所示。

圖7 多頻振動頻率測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集

表1 頻率調(diào)節(jié)值與系統(tǒng)測量值對比關(guān)系表

表2 調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)比與系統(tǒng)測量值對比關(guān)系表

通過數(shù)據(jù)對比可以看出，攤鋪機本身調(diào)節(jié)裝置通過相應(yīng)擋位可以進行頻率選擇，但儀表盤上相應(yīng)的頻率值和實際工作的頻率值總存在10%左右的偏差。所以，通過頻率測試系統(tǒng)得到的測試值能夠更加準確地確定攤鋪機熨平板工作時的振動頻率，對后續(xù)的施工具有一定的指導(dǎo)作用。

4 結(jié)束語

為使攤鋪機攤鋪瀝青混合料時獲得一個較高的密實度，攤鋪機振動（搗）頻率應(yīng)與攤鋪速度相適宜，攤鋪機熨平板應(yīng)工作在一個最佳的振動頻率范圍內(nèi)。盡管測量頻率的方法有多種，但攤鋪機測振系統(tǒng)既要檢測熨平板振動頻率還要檢測振搗裝置振搗頻率。

本文頻率測試系統(tǒng)采用軟件測頻法實測熨平板的振動振搗頻率。采用PC/104嵌入式系統(tǒng)硬件系列標準、模塊功能齊全、功耗低驅(qū)動電流小、可運行軟件豐富。不僅保證硬件系統(tǒng)的可靠性，同時也提高軟件研發(fā)效率、縮短軟件研發(fā)周期。

通過現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)可以看出用傳統(tǒng)攤鋪機中熨平板頻率的選擇裝置選擇振搗頻率，由于機械和人為誤差的存在導(dǎo)致頻率選擇不準確，和實際頻率值存在較大誤差。而本文提出的自動測試系統(tǒng)的設(shè)計合理，對信號的處理分析準確，并能有效地讀取數(shù)據(jù)，在施工過程中對振搗頻率進行正確的讀取，從而在攤鋪過程中能夠更好地與出料速度相匹配，指導(dǎo)施工，有效地安排后續(xù)的路面壓實操作，節(jié)能減排。