随车压实度实时检测系统研究

刘光明，刘 妍，杨鹤凌，杨 帆

（长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安 710064）

随车压实度实时检测系统研究

刘光明，刘 妍，杨鹤凌，杨 帆

（长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安 710064）

在借鉴传统检测方法的基础上，根据压路机振动信号与压实程度的相关关系，提出了一种随车压实度实时检测系统。该系统利用振动传感器采集压路机振动信号，并将该信号进行A/D转换，放大、滤波，在时域和频域进行数字信号处理，进而提取出压实度实时数值。通过大量现场试验验证，本系统计算出的压实度值与传统压实度检测结果，具有高度的一致性和准确性。

压实度；随车检测；实时；振动

压实作业是道路施工作业的一个重要组成部分，有效的压实能够显著的提高路基、路面的承载能力和稳定性，防止渗透，消除沉陷。实践证明，以高标准进行路基、路面的压实，是保证路基、路面应有强度和稳定性的一项最经济有效的技术措施[1]。

压实过程检测技术是确保压实质量的关键环节，为了实时、准确的检测材料被压实的情况，分析现有压实度检测方法，利用压路机振动信号与压实程度的相关关系，采用数字信号处理算法，设计出随车压实度在线检测系统。

1 传统压实度检测方法

传统的压实度检测方法分为破坏性试验检测方法和非破坏性试验检测方法。

1.1 破坏性试验检测方法

破坏性试验是指在测量土层或材料层的密实度和含水量之前，需要对被测量层进行一定程度的破坏，以采取样品。常用的破坏性试验主要有两种——灌砂法和环刀法[2-3]。

1）灌砂法

灌砂法是利用均匀颗粒的砂去置换试洞的体积。该方法可用于测试各种土或路面材料的密度，它的缺点是：需要携带较多量的砂，而且称量次数较多，因此它的测试速度较慢。

2）环刀法

用环刀法测得的密度是环刀内土样所在深度范围内的平均密度。它不能代表整个碾压层的平均密度。只有使环刀所取的土恰好是碾压层中间的土，环刀法所得的结果才可能与灌砂法的结果大致相同。另外，环刀法适用面较窄，对于含有粒料的稳定土及松散性材料无法使用。

1.2 非破坏性试验检测方法

在压实度作业现场所使用的非破坏性试验主要有核子法和落锤法[4]。

1）核子法

核子法是利用放射性元素测量土或路面材料的密度和含水量。这类仪器的特点是测量速度快，需要人员，但其放射性对人体会产生不好的影响，而且设备造假很高，所以在施工中被使用的较少。

2）落锤法

落锤法是利用落锤的冲击使土体产生反弹力，并利用低频测出土体响应值的一种不测含水量就能得到路基压实度测试仪器。落锤法检测检测速度较慢，检测精度受被检测点的直接影响。

传统压实度检测都属于抽样检测[5]，即只用几个检测点的压实度值代替整个压实路段的压实度，很难反映道路上每一点的压实情况，容易造成漏检的现象。

2 随车压实度实时检测原理

经过大量压实作业验证，当振动压路机以一定的频率和振幅对被压实材料进行振动压实时，随着被压实材料的不同和被压实遍数的不同，其振动信号会发生如下图1所示的变化。

图1 压实材料不同和被压实遍数不同时振动信号的变化Fig.1 Vibration signal changes of different compaction materials and compaction times

理论上，在压实作业过程中，随着压实遍数的增加，被压实材料的密实度会逐渐增加，其硬度会逐渐上升[6]，而实际上，当压实遍数过多时不但不能使材料密实度进一步增加，反而会使表面的材料被振松，影响被压实材料的密实度。因此，振动信号所反映出的被压实材料硬度的信息间接的反映出该材料密实度的变化，因此采集振动压路机的振动信号，并对其进行分析、处理和拟合，将能得到被压实材料的密实度情况。

3 随车压实度实时检测系统硬件设计

根据振动信号与被压实材料密实度，即压实度之间的相关关系，设计系统硬件系统如图2所示。

图2 随车压实度在线检测系统的硬件结构Fig.2 Hardware structure of on-vehicle compaction real-time detection system

硬件系统主要由振动信号传感器、信号调理模块、A/D转换模块、CPU模块、显示模块、电源模块和远程通信模块组成。

其主要工作过程是：振动信号传感器采集到振动压路机的振动模拟信号，并将该信号送入信号调理模块进行去噪、放大、滤波等处理，然后送入A/D转换模块进行模/数转换，转换后的数字信号被送入CPU单元，在CPU单元被进一步分析和处理，最终得出压实度值，被显示到随车的显示器上，供压实作业人员实时察看压实状况。

4 随车压实度实时检测系统软件设计

随车压实度实时检测系统的软件部分包括信号采集卡驱动程序的开发、压实算法程序设计与实现和主程序的实现。软件结构框架如图3所示。

图3 随车压实度实时检测系统软件框架Fig.3 Software structure of on-vehicle compaction real-time detection system

随车压实度实时检测系统主程序的设计主要包括人机界面的设计和通信软件的设计，压实算法主要从时域和频域对信号进行积分、拟合、傅立叶变换和数字滤波，得出压实度信息。信号采集驱动和压实算法都是通过dll方式被主程序调用的。

5 实验结果测试

通过施工现场试验，结合现场灌砂法检测压实度试验，对随车压实度在线检测系统的稳定性、可靠性、准确性进行验证。试验内容及试验步骤如下：

在摊铺机铺好的平整路面上选取一段（长约30～70 m）作为试验段。在试验时选取一段中的某一道作为试验道。每压一遍后，在压实区段上进行灌砂法试验（取3至5点，非离析点，含水率均匀点，有代表性），记录试验结果。完成灌砂法压实度检测后，继续压实下一遍。

为减小因压路机工作参数不稳定和材料特性参数变化带来的影响，要求压路机稳定工作，速度波动小，转速稳定；材料含水量控制精确稳定，级配准确，离析程度小；灌砂法检测压实度时尽量准确快速。试验结果如表1所示。

表1 试验结果数据Tab.1 Field results data

实验数据拟合结果如图4所示。

图4 压实度实验数据拟合结果Fig.4 Fitting results of compaction experiment data

由图4可以看出，随车压实度实时检测仪检测数据与灌砂法数据有极强的相关性，能够准确的反映被压实材料的压实度值。

6 结束语

文中介绍了一种基于振动压路机振动信号与被压实材料密实度相关关系的随车压实度实时检测方法，并依据这种方法提出了压实度检测仪的设计方案。通过试验验证，该系统计算的实时压实度值与传统灌沙法测试具有很高的相关性，不仅能够准确的反映被压实材料的密实度变化趋势，还能实时得出压实度的具体数值，这就改变了以往压实度检测以点带面，滞后的检测缺点，使压实度的检测能够实时、准确的为施工作业提供指导。

[1]申建德.基于DSP的便携式压实度实时检测系统[D].北京：北京交通大学，2007.

[2]张智明.压实度计及其试验研究[D].西安：长安大学，2005.

[3]王振花.车载式压实度计的研究开发[D].西安：长安大学，2002.

[4]李桃.路基压实度的振动测试方法试验研究 [D].西安：长安大学，2009.

[5]沙庆林.公路压实与压实标准[M].3版.北京:人民交通出版社，1999.

[6]申建德.基于DSP的便携式压实度实时检测系统 [D].北京：北京交通大学，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稿件编号201212034

国家级大学生创新创业训练计划资助项目

刘光明（1990—），男，吉林农安人。研究方向：交通信息工程。