隨車壓實度實時檢測系統研究

劉光明，劉 妍，楊鶴凌，楊 帆

（長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安 710064）

隨車壓實度實時檢測系統研究

劉光明，劉 妍，楊鶴凌，楊 帆

（長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安 710064）

在借鑒傳統檢測方法的基礎上，根據壓路機振動信號與壓實程度的相關關系，提出了一種隨車壓實度實時檢測系統。該系統利用振動傳感器采集壓路機振動信號，并將該信號進行A/D轉換，放大、濾波，在時域和頻域進行數字信號處理，進而提取出壓實度實時數值。通過大量現場試驗驗證，本系統計算出的壓實度值與傳統壓實度檢測結果，具有高度的一致性和準確性。

壓實度；隨車檢測；實時；振動

壓實作業是道路施工作業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定性，防止滲透，消除沉陷。實踐證明，以高標準進行路基、路面的壓實，是保證路基、路面應有強度和穩定性的一項最經濟有效的技術措施[1]。

壓實過程檢測技術是確保壓實質量的關鍵環節，為了實時、準確的檢測材料被壓實的情況，分析現有壓實度檢測方法，利用壓路機振動信號與壓實程度的相關關系，采用數字信號處理算法，設計出隨車壓實度在線檢測系統。

1 傳統壓實度檢測方法

傳統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，而且稱量次數較多，因此它的測試速度較慢。

2）環刀法

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

1.2 非破壞性試驗檢測方法

在壓實度作業現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生不好的影響，而且設備造假很高，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生反彈力，并利用低頻測出土體響應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，容易造成漏檢的現象。

2 隨車壓實度實時檢測原理

經過大量壓實作業驗證，當振動壓路機以一定的頻率和振幅對被壓實材料進行振動壓實時，隨著被壓實材料的不同和被壓實遍數的不同，其振動信號會發生如下圖1所示的變化。

圖1 壓實材料不同和被壓實遍數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，在壓實作業過程中，隨著壓實遍數的增加，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，當壓實遍數過多時不但不能使材料密實度進一步增加，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的振動信號，并對其進行分析、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硬件設計

根據振動信號與被壓實材料密實度，即壓實度之間的相關關系，設計系統硬件系統如圖2所示。

圖2 隨車壓實度在線檢測系統的硬件結構Fig.2 Hardware structure of on-vehicle compaction real-time detection system

硬件系統主要由振動信號傳感器、信號調理模塊、A/D轉換模塊、CPU模塊、顯示模塊、電源模塊和遠程通信模塊組成。

其主要工作過程是：振動信號傳感器采集到振動壓路機的振動模擬信號，并將該信號送入信號調理模塊進行去噪、放大、濾波等處理，然后送入A/D轉換模塊進行模/數轉換，轉換后的數字信號被送入CPU單元，在CPU單元被進一步分析和處理，最終得出壓實度值，被顯示到隨車的顯示器上，供壓實作業人員實時察看壓實狀況。

4 隨車壓實度實時檢測系統軟件設計

隨車壓實度實時檢測系統的軟件部分包括信號采集卡驅動程序的開發、壓實算法程序設計與實現和主程序的實現。軟件結構框架如圖3所示。

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

隨車壓實度實時檢測系統主程序的設計主要包括人機界面的設計和通信軟件的設計，壓實算法主要從時域和頻域對信號進行積分、擬合、傅立葉變換和數字濾波，得出壓實度信息。信號采集驅動和壓實算法都是通過dll方式被主程序調用的。

5 實驗結果測試

通過施工現場試驗，結合現場灌砂法檢測壓實度試驗，對隨車壓實度在線檢測系統的穩定性、可靠性、準確性進行驗證。試驗內容及試驗步驟如下：

在攤鋪機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，在壓實區段上進行灌砂法試驗（取3至5點，非離析點，含水率均勻點，有代表性），記錄試驗結果。完成灌砂法壓實度檢測后，繼續壓實下一遍。

為減小因壓路機工作參數不穩定和材料特性參數變化帶來的影響，要求壓路機穩定工作，速度波動小，轉速穩定；材料含水量控制精確穩定，級配準確，離析程度小；灌砂法檢測壓實度時盡量準確快速。試驗結果如表1所示。

表1 試驗結果數據Tab.1 Field results data

實驗數據擬合結果如圖4所示。

圖4 壓實度實驗數據擬合結果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據與灌砂法數據有極強的相關性，能夠準確的反映被壓實材料的壓實度值。

6 結束語

文中介紹了一種基于振動壓路機振動信號與被壓實材料密實度相關關系的隨車壓實度實時檢測方法，并依據這種方法提出了壓實度檢測儀的設計方案。通過試驗驗證，該系統計算的實時壓實度值與傳統灌沙法測試具有很高的相關性，不僅能夠準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實時、準確的為施工作業提供指導。

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

[2]張智明.壓實度計及其試驗研究[D].西安：長安大學，2005.

[3]王振花.車載式壓實度計的研究開發[D].西安：長安大學，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，2009.

[5]沙慶林.公路壓實與壓實標準[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 [D].北京：北京交通大學，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

國家級大學生創新創業訓練計劃資助項目

劉光明（1990—），男，吉林農安人。研究方向：交通信息工程。