振动压路机路面碾压在线监测系统设计

杨昆明

以LabVIEW作为软件开发平台，设计了一种基于LabVIEW的振动压路机在线监测系统。简要介绍了系统的总体结构和功能，重点研究了硬软件分系统设计中的关键技术问题。采用GPS技术将具体位置与系统监测到的加速度、温度等压实信息相对应，并以图形化方式显示，该系统可为压实作业提供可靠参考，提高了压实作业效率。

沥青路面铺筑质量的好坏直接关系着路面的使用寿命和行车的舒适程度，路面的压实度是路面验收的重要指标。传统的路面压实检测主要采取路面铺筑完后再进行抽样检测，这样不能及时地给出压实度结果；检测点只是简单的随机数据采样，也不能保证全部路段的施工质量。如伺在保证施工质量的前提下减少压路机的碾压次数及避免“欠压”和“过压”，是施工企业急需解决的一个难题。

压实度检测原理

在进行碾压作业时，振动轮的激振信号幅值与被压材料的压实度线性相关。在碾压较松软的弹性路面时，振动轮的加速度信号呈有规律的正弦波状态，随着碾压遍数的增加，激振信号幅值也随之增大。当压实到一定程度以后，振动幅值增量明显降低，甚至为零，说明压实工作完成。

根据上述振动信号的特点，可在振动轮上安装加速度传感器，当进行碾压作业时，通过加速度传感器连续检测振动轮在压实过程中的垂直振动分量，并分析振动信号的振幅和频率，由计算机根据建立的数学模型和相关算法计算出相应的模量值，代替压实度判断压实状态，当动态连续检测的结果达到要求值时，可以停止压实作业。

硬件构成

硬件部分为所开发的监测软件提供运行平台，本系统由传感器、信号调理器、数据采集卡、计算机、显示器以及打印机等组成。来自传感器的信号一般都比较小且经常夹杂一定高频噪声，在数据采集之前需先进行放大、滤波、隔离等预处理，以便满足数据采集系统的要求。

软件系统设计

本系统是解决路面施工质量检测、压路机状态监测和控制管理问题。检测参数分两部分：一是对压路机自身状态进行实时监测，主要是为日后设备维护提供依据，信号可以从压路机原有系统中引出；二是压实信息检测，主要是监控施工质量，施工质量参数由各类传感器测出。本系统采用LabVIEW 2013平台，系统软件需完成数据采集、存储、分析及显示等功能。

软件架构。对于动态测试高速数据采集系统，有时计算机内存一次存放不下采集到的大量数据，或者是在采集信号的同时还要分析数据、保存数据，一旦数据读取和分析处理速度不匹配，就很容易导致读取数据的重复或丢失。为了避免上述情况发生，整个程序设计建立在LabVIEW生产者/消费者循环模式结构上。

当系统数据采集过快又不能及时处理时，数据会暂时存放在缓冲区内。当消费者循环有能力处理时，才从缓冲区中按照“先进先出”的原则，将数据调入进行数据分析、保存等处理，这样就能避免因高速采集而造成的竞争、重复分析或数据丢失现象。

数据采集模块设计。数据采集设备（DAQ）是获得并转换物理信号（如电压、电流、加速度和温度）为数字格式并存入计算机的仪器。根据LabVIEW在测试测量中与仪器交互的方法和系统的结构特点，本系统在生产者循环中使用LabVIEW的API函数创建数据采集程序，即创建DAQ应用。

数据分析模块设计。DAQ硬件只是将输入信号转换成计算机能识别的数字信号，系统测试任务实质上是由安装在计算机中的分析软件完成的。数据分析是将采集到的原始数据经过曲线拟合、统计分析、频率响应或其他处理方式转换为有意义的信息，然后再将数据以图、表或者其他可视化形式显示出来。

数据存储模块设计。数据的存储是测试系统最主要的功能之一，存储的数据主要是便于日后调出用于分析研究被测对象状态变化的历史趋势或定期生成报表。本系统利用LabSQL数据库访问方法实现在LabVIEW软件中调用数据库中的数据信息。在LabVIEW中使用LabSQL调用数据库非常方便、简单，无需深入了解ActiveX技术和SOL语言，只需知道各vI的功能和数据库设计及相关概念，即可设计出满足要求的程序。

GPS模块设计。沥青路面施工时，通过GPS定位系统、加速度传感器和温度传感器等设备，使压路机运行位置和压实信息（如行车速度、碾压遍数、压实度、沥青温度等参数）相对应，以便出现“欠压”和“过压”时准确定位地理位置，采取补救措施。

系统标定模块。在工程应用中，LabVIEW经常用于测量物理量，这时存在一些量的转化问题，就是将电量值转换为具有实际意义的物理量值。本系统主要考虑路面压实度和沥青温度。大量工程实践经验表明，在一定范围内，振动轮加速度与压实度近似为线性关系，要求得两者之间的函数关系，得通过现场试验来测得数据。在铺筑试验段时，先使用灌砂法测得碾压每一遍沥青路面的压实值，再与对应每一遍检测到的加速度信号值建立一一对应关系，再将标定系数输入到用LabVIEW编写的监测系统程序中，便可将所测加速度值换算成压实度，就可实时监测显示压实度值。

设计了一种基于LabVIEW的振动压路机在线监测系统，给出了系统的总体结构，详细论述了系统的硬件组成和软件分系统，阐述了系统的监测原理，采用GPS技术将压实位置与压实信息相对应。该系统可以实时地监控路面的压實状态，使机手无需凭猜测和经验施工，减少了人为因素造成的漏压或过压现象的发生，能有效地指导施工人员工作，有利于保证路面施工质量，提高压实作业的效率。

（作者单位：西安航空学院）endprint