瀝青混合料攤鋪機熨平板頻率振動測試系統研究*

王蘇婭，張應和，郭艷珠

（西安鐵路職業技術學院機電工程學院，西安 710026）

0 引言

近年來，我國的高速公路建設取得了快速發展，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、耐磨損的優點，廣泛應用于高速公路上。瀝青混合料攤鋪機是瀝青路面的主要施工設備之一，其性能直接影響后續壓路機的工作次數以及道路路面的平整度和路面質量，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節振搗和振動頻率，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的頻率范圍內，施工過程中的調節具有較大的盲目性。

本文提出的攤鋪機多頻率振動監測系統，可以利用加速度傳感器對攤鋪機的振動頻率進行實時監測，根據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、滲水系數及平整度的相關要求的同時，對道路施工起到指導作用，減少壓路機工作次數，保證攤鋪機高效工作，節能減排[5-7]。

1 熨平板頻率振動測試系統的組成

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，就會經過一次最大振幅，同時，產生一個指向平衡位置的最大加速度。所以，當振動器連續不斷地經過同一個最大振幅處時，就會連續產生同方向加速度最大值[8]。

通過以上對攤鋪機振搗系統的工作過程分析可以看出，攤鋪機振搗系統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。當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，在施工現場用加速度傳感器對攤鋪機振搗系統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。通過現場監測發現，攤鋪機正常工作時振搗系統的振動頻率較低，攤鋪機振動器的振動可調頻率范圍一般為0～50 Hz，振搗裝置的可調頻率范圍為0～30 Hz。與外界其他干擾信號不在同一頻率范圍內。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，節能減排。

頻率測試系統以PC/104 工控板為核心，擴展了模擬端口和數字采集端口，以及信號調理端口等。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 攤鋪機測振系統擬采用的工作原理

2 熨平板測頻率振測試系統硬件設計

2.1 信號輸入

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

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實現機械能到電能的轉換。當壓電材料受到外力作用產生變形時，內部產生極化現象，同時在其表面將會產生電荷，當外力消失時，電荷也消失，又回到原來不帶電的狀態。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。該系列傳感器為內裝IC 集成電荷放大器的壓電型加速度傳感器。其內部基本組成為MOS 場效應管，并且在傳統壓電式加速度傳感器的基礎上增加了電荷放大器，能夠對傳感器輸出信號進行直接放大，簡化測試系統結構，并能直接與后續的記錄、顯示以及采集儀器相連，提高測量精度和可靠性。

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

圖2 傳感器外接信號調理期原理

LC01 系列壓電式加速度傳感器相關性能指標如下：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 ℃；放電時間常數大于或等于0.2 s。

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

2.2 信號調理電路

信號調理是指對傳感器輸出信號進行操作，將其轉換成滿足后續傳輸與處理系統要求的信號[9]。在本系統中信號調理電路選擇LM317LZ 作為可調穩壓電源作為電源穩壓器。在輸出電壓1.2～37 V 可調式能提供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 系列運算放大器內含4 個高增益、內部頻率補償的獨立的運算放大器。可單電源使用，在單電源應用中，與標準運算放大器類型相比具有明顯的優勢。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信號調理電路如圖3所示。

圖3 信號調理電路電路原理

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。該模塊首先應具有A/D轉換功能，能夠將采集到的模擬量轉換為數字量輸入。其次，該模塊還應具有計數器功能，能夠實現對測速傳感器輸出的脈沖信號進行計數。

本系統中采用ART2932 作為多頻振動監測系統的信號采集模塊，能夠同時滿足A/D 轉換及計數器功能。其外觀如圖4所示。其主要參數為：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，FIFO 存儲器；AD 量程為±10 V、±5 V、±2.5 V、0～10 V；AD 觸發方式為多種模擬量、數字量觸發；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；數字量輸入、輸出各8路，3路16位計數器。

圖4 ART2932 PC/104采集卡

2.4 CPU模塊

CPU 模塊是任何嵌入式系統的核心，其體積小，功耗小，集成度高。本系統中，CPU 模塊的功能是負責對輸入的加速度、速度的信號進行分析和處理，并為系統提供儲存、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計算機，它可在工業環境中可靠運行。而且由于嵌入式工控機的性能更加可靠、無風扇結構、體積小巧、價格低廉，所以在工控機中應用更為廣泛。

本文系統中采用GT6805型嵌入式工控機主板作為系統的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，其內核為ARM926EJ，運行主頻為400 MHz，支持DDR2 內存，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的現場試驗

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

圖6 整體實物

為了驗證本測試系統頻率檢測的正確性，和施工現場攤鋪機振動系統本身的調節裝置進行了頻值比較，比較結果如表1 和表2 所示。測試系統數據現場采集如圖7所示。

圖7 多頻振動頻率測試系統數據現場采集

表1 頻率調節值與系統測量值對比關系表

表2 調節裝置調節比與系統測量值對比關系表

通過數據對比可以看出，攤鋪機本身調節裝置通過相應擋位可以進行頻率選擇，但儀表盤上相應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，對后續的施工具有一定的指導作用。

4 結束語

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）頻率應與攤鋪速度相適宜，攤鋪機熨平板應工作在一個最佳的振動頻率范圍內。盡管測量頻率的方法有多種，但攤鋪機測振系統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嵌入式系統硬件系列標準、模塊功能齊全、功耗低驅動電流小、可運行軟件豐富。不僅保證硬件系統的可靠性，同時也提高軟件研發效率、縮短軟件研發周期。

通過現場試驗數據可以看出用傳統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的設計合理，對信號的處理分析準確，并能有效地讀取數據，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，指導施工，有效地安排后續的路面壓實操作，節能減排。