基于瀝青路面的車載式壓實度檢測儀

申自名，吳永勝，官　革

（長安大學工程機械學院，陜西西安710064）

基于瀝青路面的車載式壓實度檢測儀

申自名，吳永勝，官革

（長安大學工程機械學院，陜西西安710064）

隨著高速公路里程的不斷增長，對瀝青路面的鋪設日趨擴大。由于壓實質量對瀝青路面的性能有著重要影響，針對傳統壓實度檢測的滯后性、偶然性等不足，研制出一種能實時檢測瀝青路面的壓實度的車載式壓實度檢測儀以避免路面的過壓與欠壓已迫在眉睫。通過研究發現壓路機振動輪的振動加速度信號的變化與壓實度的變化有關，從而建立振動輪加速度與路面壓實度的對應關系，以振動加速度的值反應壓實度的值。

瀝青路面；壓實度；實時檢測；振動加速度信號

壓實是通過專門的設備給被壓材料施加作用力，強迫被壓材料內部顆粒產生移動，重新排列得更加密實的過程。壓實一般分為靜力壓實、搓揉壓實、振動壓實、夯實和沖擊壓實，其中振動壓實因其作業效果較好應用最多［1-2］。壓實度是衡量壓實的一個重要指標，對瀝青混凝土而言壓實度每提高1%，承載能力和壽命可提高10%～15%.由此可見對于瀝青路面除了選用最好的材料、級配及施工機械外，壓實工藝的選擇也極其重要［1-2］。

傳統的壓實度檢測方法主要以破壞法為主，如取芯法、灌沙砂法［3-4］等，以及逐漸開始應用的無損檢測方法，如無核密度儀、核子儀等。雖然傳統的灌砂法、取芯法的結果較為接近真實值，但是由于其滯后性往往使得路面狀況無法及時反饋到壓路機操作人員手中，從而出現過壓實或欠壓實。傳統的無損檢測雖然較傳統的破壞法更為方便、快捷，但其結果通常不如后者精確，而且同樣存在著滯后性的問題。另外，上述提到的兩種檢測方法均是以點帶面，通過取定測式點來代替某一段路面，偶然性較大，被壓實材料與取樣的體積比高達100萬倍［5］。本文針對傳統檢測方法中存在的問題，開發一種能實時的連續的檢測瀝青路面壓實度的儀器。

1　振動壓路機的數學模型

考慮到振動壓路機的結構以及作業特點將“壓路機—土”振動系統簡化為具有兩個自由度的數學模型，如圖1所示。

圖1　振動輪-土壤系統動力學模型

圖中各參數的含義如下：

m1為車架質量（kg）；

m2為振動輪質量（kg）；

m3為隨振土體質量（kg）；m3=（m1+m2）×10%；

k1、k2分別為減振器、土壤剛度（N/m）；

c1、c2分別為減振器、土壤阻尼（N·s/m）；

ω為激振器工作頻率（Hz）.

由牛頓第二定律可得：

對于瀝青路面的壓實過程，由于瀝青混合料的粘度比土壤的大很多，壓實過程中的阻尼比普通土壤的更大，但是壓實初期，壓實度較低，即填料比較松散，所以阻尼大，路面幾乎沒有彈性剛度，導致振動輪絕大部分的振動能量被路面吸收。隨著碾壓往返次數的增多，瀝青混合料路面剛度從無到有，阻尼減弱，振動輪接收到路面的反饋增大。當路面的壓實度增大到一定程度后，諧波分量將伴隨跳振現象而產生，而且其成分隨著壓實度的提高也越高。因此通過對基波與二次諧波的比值與剛度進行標定，可以準確測量剛度，即可由剛度計算出壓實度。

2　壓實度檢測系統硬件設計

由于通過采集振動加速度信號進行分析處理，最后通過顯示屏顯示出結果，所以待開發的車載式加速度檢測儀的硬件系統應包含：加速度傳感器、信號調理電路模塊、A/D轉換模塊、CPU模塊、LCD液晶顯示模塊、RS232串行通訊、外部PC機，其示意圖如圖2所示。

圖2　車載壓實度檢測儀系統組成框圖

在測量振動的傳感器中應用的最多的是壓電式傳感器，壓電式傳感器是基于壓電效應工作的。當測量對象的頻率遠低于傳感器的固有頻率時傳感器輸出與振動或壓力成正比的電荷或電壓，經專用放大器放大后即可測出測量對象的加速度。目前，國內的施工現場壓實機械的作業頻率主要在15~50 Hz之間變化，主要在30 Hz附近振動輪的振幅值很少超過15 g.據此特點并考慮到經濟因素，本文決定采用朗斯測試技術有限公司的LC0154T型加速度傳感器。改傳感器包含微型集成電路放大器，可以直接與信號調理電路連接。其技術指標如下所示：

量程：20 g

靈敏度：250 mV/g

頻率范圍：0.7~7700 Hz

溫度范圍：-40~+120℃

分辨率：0.000 08 g

恒定電流：2~20 mA，典型值：4 mA

激勵電壓：18~30 V，典型值：24 V

輸出偏壓：8~12 V

安裝時，將加速度傳感器安裝在沒有經過減震處的振動輪支架上，通過磁力底座固定，最后用同軸電纜將加速度傳感器與信號調理電路相連接。

CPU模塊是整個系統的核心裝置，主要用于數據的處理和分析。加速度傳感器將采集到的信號送入調理電路，對信號進行放大、濾波后再送入A/D轉換器進行A/D轉換，然后進入CPU單元。DSP（digital signal processor）是一種專門進行數字信號計算的微處理器。其對數字信號的計算包括修改、刪除、強化等，經處理后的數字信號能通過其他芯片轉換成模擬數據。它不僅具有高度的可編程性，而且其強大數據處理能力和高運行速度保證了其能實時快速的對各種數字信號進行分析處理。

3　壓實度檢測系統軟件設計

振動信號的采集處理是本檢測系統最核心的部分之一。具體地說它包括：振動信號的轉換、分析處理、判斷控制及保存等內容。本系統主要是通過微處理器對已進行A/D轉換的模擬信號進行數學上的變換、處理，以期能從中獲得表征路面壓實度的信息，通過顯示屏顯示出來，為道路工程施工人員及時提供路面的壓實程度。由此可看出，信號采集的關鍵核心是模擬信號轉換成數字信號，主要包括硬件電路的設計和程序的編寫兩部分內容；而信號數據處理的關鍵是對振動信號（數字信號）進行必要的變換，通過頻域與時域的分析，并根據其與壓實度的關系，提取有價值的部分，用以表征壓實度，該處理過程的關鍵是算法程序的編寫。信號的采集是檢測系統是從外界獲取特定信息，而檢測系統與人的信息交流則是通過顯示屏完成的。該系統采用的是目前廣泛應用于各種工程機械的人機交互的GUI操作面板方式。

4　結束語

本文論述了用加速度檢測法來檢側壓實度的基本原理，開發了振動壓路機壓實度儀，該儀器取代傳統的壓實度檢測方法，將會產生極大的經濟效益和社會效益。

［1］柴志軍，朱國洪.基于正交試驗法的SMA瀝青混合料壓實性能主要影響因素研究［J］.山東交通學報，2012，20（4）：57-61.

［2］王戈，王貴慎，張世英.壓實機械［M］.北京:中國建筑工業出版社，l992.

［3］JTGF40-2004，公路瀝青路面施工技術規范［S］.

［4］崔樹華，汪學斌，周峰.壓實度實時檢測及智能壓實技術的發展現狀［J］.筑路機械與施工機械化，2013，30（3）：18-22.

［5］陳力，王權，張堯，等.瀝青路面壓實度實時監測系統［J］.山東交通學院學報，2014，22（4）：63.

Vehicle Type Com paction Degree Detection Instrument based on Asphalt Pavement

SHEN Zhi-ming，WU Yong-sheng，GUAN Ge
（College of Engineering and Mechanical Engineering，Chang’an University，Xi’an Shaanxi 710064，China）

With the continuous increase of highwaymileage，the laying of asphalt pavement is becomingmore and more.Due to the compaction quality plays an important role in performance of asphalt pavement，in view of the traditional compaction degree detection lag and the occasional lack of developed a can real-time detect the asphalt pavement compaction degree of vehicle compaction meter to avoid pavement overvoltage and undervoltage is imminent.In this paper through the research found that pressure road roller vibration wheel of vibration acceleration signal change and the compaction degree is related to the change of，so as to establish vibration of wheel acceleration and pavement compaction degree of correspondence to the vibration acceleration response value of compaction degree of value.

asphalt pavement；compaction；real-time detection；vibration acceleration signal

TH16

B

1672-545X（2016）06-0150-02

2016-03-09

申自名（1992-），男，貴州遵義人，在讀研究生，研究方向：工程機械作業質量控制。