道路工程結構狀態(tài)與環(huán)境參數(shù)檢測成套裝備的設計開發(fā)

呂承舉，廖寶梁，王桂荃，楊道平

（山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031）

引言

瀝青路面結構性能取決于荷載及環(huán)境作用下路面結構響應狀態(tài)，現(xiàn)行路面結構響應模型主要基于理論計算和經驗總結，與實際偏差較大。美國較早開展了瀝青路面層間剪應力研究，利用多種方法，從不同角度分析影響路面層間粘結層穩(wěn)定性的因素，為評價層間粘結層的穩(wěn)定性提供了良好思路。但其開發(fā)的試驗儀器只記錄試件破壞時剪切力的最大值，不能提供連續(xù)的力隨時間的變化曲線，不能描繪整個加載過程中層間剪切力的變化趨勢[1]。而國內還沒有評價層間粘結材料試驗方法的統(tǒng)一規(guī)范，試驗儀器也各不相同，多數(shù)加載方式單一，控制精度較低，無法提供對層間聯(lián)結真實狀態(tài)進行動態(tài)測試。

瀝青路面環(huán)境參數(shù)檢測方面，美國國家瀝青中心（NCAT）、太原理工大學、大連理工大學等國內外的科研機構，研制開發(fā)了不同的檢測系統(tǒng)，多為定期離線數(shù)據(jù)采集，需要研究人員進行現(xiàn)場測試和數(shù)據(jù)收集，不但耗費人力、物力、財力，而且采集數(shù)據(jù)量有限[2-4]。

1 設計思路

成套裝備主要由層間穩(wěn)定測試雙向精控動態(tài)力學加載系統(tǒng)、路面層面響應參數(shù)智能采集分析系統(tǒng)及路基路面環(huán)境參數(shù)長期自動監(jiān)測系統(tǒng)組成。

1.1 層間穩(wěn)定測試雙向精控動態(tài)力學加載系統(tǒng)的設計

系統(tǒng)包括機械裝置、電機控制系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)和上位機四部分。機械裝置提供層間力剪切操作平臺，由電機控制系統(tǒng)精確施加水平力和軸向力，保證試件軸向受力恒定，水平受力線性增大直至破壞；信號采集系統(tǒng)精確實時采集水平力、軸向力力值和試件位移，及時反饋數(shù)據(jù)至主控單元進而調整電機控制系統(tǒng)動作；上位機全程記錄信號采集系統(tǒng)采集到的力值數(shù)據(jù)，準確捕捉力值峰值，如實反映試件在水平剪切力作用下層間力值的變化過程。

機械裝置包括升降裝置、減速裝置、操作平臺、環(huán)境箱和臺架，分別完成試件升降、加載過程中降低速度以增大扭矩、測試豎向加載力和橫向剪切力、提供升降和測試的工作平臺以及提供豎向力和橫向力加載過程中的外部保護和環(huán)境絕熱箱體，機械裝置中帶有四個限位開關，用于實時保護位移傳感器的工作位置。

控制系統(tǒng)包括主控單片機、采集系統(tǒng)、傳感器、電機控制系統(tǒng)、上位機和顯示終端，分別負責控制整個系統(tǒng)按照既定規(guī)則完成各項動作，是整個系統(tǒng)的控制核心，完成機械裝置中垂直加載力、橫向剪切力和試件位移等數(shù)據(jù)信息的采集，提供試件的力值信息和位移信息，控制試件豎向和橫向的移動，并施加豎向力和橫向力，進行試驗數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲，提供人機交互界面及加載過程展示。

控制系統(tǒng)以STC15W4K32S4單片機為主控單片機，通過主從式串口通訊系統(tǒng)集成了AD采集系統(tǒng)、位移采集系統(tǒng)、電機控制系統(tǒng)、觸摸顯示屏和PC客戶端。AD采集系統(tǒng)采用24位高精度AD轉換芯片ADS1256作為核心器件，每個子板配合2個拉力傳感器實現(xiàn)單板的高精度采集；位移采集系統(tǒng)以分辨率為1 um的光柵尺為核心部件，能精確到1 um的高精度位移測量；電機控制系統(tǒng)能實現(xiàn)1～255級的PWM速度控制；顯示終端包括MCGS顯示屏和PC客戶端，提供人機交互窗口，均可實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的監(jiān)測、分析和存儲，手動控制電機的正反轉等功能，MCGS直接安裝于機械裝置中，提高了系統(tǒng)的適用性和靈活性。

1.2 路面層面響應參數(shù)智能采集分析系統(tǒng)的設計

系統(tǒng)包括鋰電池組電源、車輛到位感知模塊、數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)和上位機四部分。鋰電池組電源給車輛到位感知模塊和數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)提供12 V直流電源，并可自動開啟太陽能充電系統(tǒng)為電池組充電以保證系統(tǒng)長期運行；車輛到位感知模塊監(jiān)測車輛是否到位并為數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)提供觸發(fā)信號；數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)采集路基形變傳感器信號，并經處理后存儲至大容量Flash存儲器；上位機對采集到的數(shù)據(jù)進行處理分析并保存，反映路面應變情況。

鋰電池組電源、車輛到位感知模塊和數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)安裝在應用現(xiàn)場，用于實時在線測試并存儲車輛對路面產生的應變數(shù)據(jù)；上位機用于離線提取、分析已存儲的應變數(shù)據(jù)。系統(tǒng)功能見圖1。

圖1 系統(tǒng)功能

車輛到位感知模塊包括激光測距傳感器、傳感器信號處理電路、單片機及通訊電路。激光測距傳感器固定在路邊，車輛到達傳感器安裝位置時觸發(fā)傳感器，并將觸發(fā)信號傳給單片機，單片機根據(jù)信號確定車輛是否到位，如車輛到位則啟動數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)開始數(shù)據(jù)的采集及存儲。

數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)包括路基形變測試傳感器、采集板和主控單元。路基形變測試傳感器是全橋式應變傳感器，受到外力時導體或半導體材料變形引起電阻值變化并經信號放大后向外輸出電壓變化；采集板具備8路應變信號的調理、放大及采集功能，采集板電路通過2.5 V恒壓源給各傳感器供電，傳感器輸出信號先被送入運算放大器進行差分放大，并由低通濾波電路對信號進行處理，然后初步處理的信號送入可調增益放大器中進行二次調節(jié)，調節(jié)后的電壓信號送入模數(shù)轉換器中再進行處理，經處理后的信號傳送到主機板高速RAM中暫存；主控單元能夠同時與3塊采集板相連收集24路應變信號，利用實時時鐘芯片記錄每次采樣時刻，并將信號先暫存至RAM，最終存儲到大容量Flash存儲器中。

上位機分析軟件用VB語言開發(fā)，具備從Flash存儲器中提取數(shù)據(jù)、處理分析和存儲數(shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)設置、聯(lián)機測試等功能。首先從Flash存儲器中根據(jù)存儲時的通道號、數(shù)據(jù)高位/低位等依次提取各通道數(shù)據(jù)，提取后的數(shù)據(jù)及數(shù)字濾波后的數(shù)據(jù)進行存儲，然后開展相關分析工作。

1.3 路基路面環(huán)境參數(shù)長期自動監(jiān)測系統(tǒng)的設計

系統(tǒng)包括鋰電池組電源、時鐘系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)和上位機四部分。鋰電池組電源為整個系統(tǒng)工作提供3.3 V穩(wěn)定電壓；時鐘系統(tǒng)為系統(tǒng)工作提供采集時間信號和時間基準；數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)負責完成無人值守自動采集路基路面溫度、濕度、光照參數(shù)等并存儲至SD卡；上位機提供人機交互界面，提取和分析SD卡中數(shù)據(jù)，為道路材料特性的環(huán)境影響因素分析提供可靠手段。

鋰電池組電源、時鐘系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)等安裝在應用現(xiàn)場，自動采集并存儲路基路面的溫度、濕度和光照強度等相關數(shù)據(jù)信息；上位機則用于離線提取已存儲的應變數(shù)據(jù)并進行相關數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)硬件結構見圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件結構

鋰電池組電源負責向時鐘系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)、LCD顯示器等提供標準工作電源。為有效提高系統(tǒng)工作時間，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲等主要工作模塊均進行了電源控制設計，需要進行數(shù)據(jù)采集或存儲時打開相關電源，操作完畢后自動關閉，系統(tǒng)不工作時僅需微安級電流維持；時鐘系統(tǒng)由專用時鐘芯片提供日期和時間基準，可設定自動采集時間間隔，并定期喚醒單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定時采集；數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)包括溫度傳感器、濕溫度傳感器、光照傳感器和SD卡存儲單元，負責采集路基路面的溫度、濕度、光照等環(huán)境參數(shù)，并將采集時間一并存入大容量SD卡中。系統(tǒng)以STC90C58AD為主控單片機，對各外圍器件進行控制管理，系統(tǒng)長時間工作在掉電狀態(tài)，時鐘系統(tǒng)計時到采集時刻時提供中斷信號，主控單片機進入中斷程序強行復位，啟動電源控制電路，初始化外圍傳感器、LCD顯示器等，開始讀取日期時鐘，并由傳感器采集環(huán)境參數(shù)等信息，然后將所有信息保存到SD卡中，待數(shù)據(jù)保存完畢后重新設置下次采集時刻，主控單片機關閉外圍部件供電，進入掉電休眠狀態(tài)，等待下次采集時刻，系統(tǒng)處于微功耗狀態(tài)。

上位機可從SD卡存儲器中提取采集到的相關數(shù)據(jù)并進行分析。同樣根據(jù)存儲時的通道號、數(shù)據(jù)高位/低位等依次提取各通道數(shù)據(jù)，提取后的數(shù)據(jù)進行相應處理后開展數(shù)據(jù)分析，進而得到采集點的路面溫濕度場。

2 實際應用

在實驗室利用層間穩(wěn)定測試雙向精控動態(tài)力學加載系統(tǒng)進行了試件的層間剪切，在山東濱大永久性瀝青路面試驗路、濟萊高速等安裝了路面層面響應參數(shù)智能采集分析系統(tǒng)和路基路面環(huán)境參數(shù)長期自動監(jiān)測系統(tǒng)。經過多次現(xiàn)場試驗和不同時間段采集數(shù)據(jù)的處理和分析，驗證了層間穩(wěn)定測試雙向精控動態(tài)力學加載系統(tǒng)，能夠滿足全程記錄試件在恒定軸向力和水平剪切力作用下層間力值的變化過程；路面層面響應參數(shù)智能采集分析系統(tǒng)在有車輛經過時，系統(tǒng)能夠自動采集道路多層面應力參數(shù)，如實反映路面結構的動力響應狀態(tài)，并進行多窗口顯示各通道采集結果；路基路面環(huán)境參數(shù)長期自動監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)預設的采集間隔能夠實現(xiàn)路基路面溫濕度和光照強度等環(huán)境影響參數(shù)的自動采集和存儲，對存儲數(shù)據(jù)分析后形成了某路段晝夜不同時刻溫度沿深度的分布曲線。測試數(shù)據(jù)見圖3。

圖3 測試數(shù)據(jù)

3 結語

經過在山東省內多條道路安裝應用，結果表明系統(tǒng)測試精度高、工作穩(wěn)定、自動化程度高，大幅降低了研究人員的工作強度，提高了檢測效率。