振動(dòng)壓路機(jī)路面碾壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

◎楊昆明

振動(dòng)壓路機(jī)路面碾壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

◎楊昆明

以LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的振動(dòng)壓路機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。簡(jiǎn)要介紹了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和功能, 重點(diǎn)研究了硬軟件分系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)問題。采用GPS技術(shù)將具體位置與系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的加速度、溫度等壓實(shí)信息相對(duì)應(yīng)，并以圖形化方式顯示，該系統(tǒng)可為壓實(shí)作業(yè)提供可靠參考，提高了壓實(shí)作業(yè)效率。

瀝青路面鋪筑質(zhì)量的好壞直接關(guān)系著路面的使用壽命和行車的舒適程度，路面的壓實(shí)度是路面驗(yàn)收的重要指標(biāo)。傳統(tǒng)的路面壓實(shí)檢測(cè)主要采取路面鋪筑完后再進(jìn)行抽樣檢測(cè)，這樣不能及時(shí)地給出壓實(shí)度結(jié)果；檢測(cè)點(diǎn)只是簡(jiǎn)單的隨機(jī)數(shù)據(jù)采樣，也不能保證全部路段的施工質(zhì)量。如何在保證施工質(zhì)量的前提下減少壓路機(jī)的碾壓次數(shù)及避免“欠壓”和“過壓”，是施工企業(yè)急需解決的一個(gè)難題。

壓實(shí)度檢測(cè)原理

在進(jìn)行碾壓作業(yè)時(shí)，振動(dòng)輪的激振信號(hào)幅值與被壓材料的壓實(shí)度線性相關(guān)。在碾壓較松軟的彈性路面時(shí)，振動(dòng)輪的加速度信號(hào)呈有規(guī)律的正弦波狀態(tài)，隨著碾壓遍數(shù)的增加，激振信號(hào)幅值也隨之增大。當(dāng)壓實(shí)到一定程度以后, 振動(dòng)幅值增量明顯降低，甚至為零，說明壓實(shí)工作完成。

根據(jù)上述振動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)，可在振動(dòng)輪上安裝加速度傳感器，當(dāng)進(jìn)行碾壓作業(yè)時(shí)，通過加速度傳感器連續(xù)檢測(cè)振動(dòng)輪在壓實(shí)過程中的垂直振動(dòng)分量，并分析振動(dòng)信號(hào)的振幅和頻率，由計(jì)算機(jī)根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型和相關(guān)算法計(jì)算出相應(yīng)的模量值，代替壓實(shí)度判斷壓實(shí)狀態(tài)，當(dāng)動(dòng)態(tài)連續(xù)檢測(cè)的結(jié)果達(dá)到要求值時(shí)，可以停止壓實(shí)作業(yè)。

硬件構(gòu)成

硬件部分為所開發(fā)的監(jiān)測(cè)軟件提供運(yùn)行平臺(tái)，本系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)、顯示器以及打印機(jī)等組成。來自傳感器的信號(hào)一般都比較小且經(jīng)常夾雜一定高頻噪聲，在數(shù)據(jù)采集之前需先進(jìn)行放大、濾波、隔離等預(yù)處理，以便滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求。

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是解決路面施工質(zhì)量檢測(cè)、壓路機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制管理問題。檢測(cè)參數(shù)分兩部分：一是對(duì)壓路機(jī)自身狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要是為日后設(shè)備維護(hù)提供依據(jù)，信號(hào)可以從壓路機(jī)原有系統(tǒng)中引出；二是壓實(shí)信息檢測(cè)，主要是監(jiān)控施工質(zhì)量，施工質(zhì)量參數(shù)由各類傳感器測(cè)出。本系統(tǒng)采用LabVIEW 2013平臺(tái)，系統(tǒng)軟件需完成數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析及顯示等功能。

軟件架構(gòu)。對(duì)于動(dòng)態(tài)測(cè)試高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，有時(shí)計(jì)算機(jī)內(nèi)存一次存放不下采集到的大量數(shù)據(jù)，或者是在采集信號(hào)的同時(shí)還要分析數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)，一旦數(shù)據(jù)讀取和分析處理速度不匹配，就很容易導(dǎo)致讀取數(shù)據(jù)的重復(fù)或丟失。為了避免上述情況發(fā)生，整個(gè)程序設(shè)計(jì)建立在LabVIEW生產(chǎn)者／消費(fèi)者循環(huán)模式結(jié)構(gòu)上。

當(dāng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過快又不能及時(shí)處理時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)暫時(shí)存放在緩沖區(qū)內(nèi)。當(dāng)消費(fèi)者循環(huán)有能力處理時(shí)，才從緩沖區(qū)中按照“先進(jìn)先出”的原則，將數(shù)據(jù)調(diào)入進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、保存等處理，這樣就能避免因高速采集而造成的競(jìng)爭(zhēng)、重復(fù)分析或數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。

數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集設(shè)備（DAQ）是獲得并轉(zhuǎn)換物理信號(hào)（如電壓、電流、加速度和溫度）為數(shù)字格式并存入計(jì)算機(jī)的儀器。根據(jù)LabVIEW在測(cè)試測(cè)量中與儀器交互的方法和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本系統(tǒng)在生產(chǎn)者循環(huán)中使用LabVIEW的API函數(shù)創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集程序，即創(chuàng)建DAQ應(yīng)用。

數(shù)據(jù)分析模塊設(shè)計(jì)。DAQ硬件只是將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，系統(tǒng)測(cè)試任務(wù)實(shí)質(zhì)上是由安裝在計(jì)算機(jī)中的分析軟件完成的。數(shù)據(jù)分析是將采集到的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過曲線擬合、統(tǒng)計(jì)分析、頻率響應(yīng)或其他處理方式轉(zhuǎn)換為有意義的信息，然后再將數(shù)據(jù)以圖、表或者其他可視化形式顯示出來。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是測(cè)試系統(tǒng)最主要的功能之一，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)主要是便于日后調(diào)出用于分析研究被測(cè)對(duì)象狀態(tài)變化的歷史趨勢(shì)或定期生成報(bào)表。本系統(tǒng)利用LabSQL數(shù)據(jù)庫(kù)訪問方法實(shí)現(xiàn)在LabVIEW軟件中調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)信息。在LabVIEW中使用LabSQL調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)非常方便、簡(jiǎn)單，無需深入了解ActiveX技術(shù)和SQL語(yǔ)言，只需知道各VI的功能和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)及相關(guān)概念，即可設(shè)計(jì)出滿足要求的程序。

GPS模塊設(shè)計(jì)。瀝青路面施工時(shí)，通過GPS定位系統(tǒng)、加速度傳感器和溫度傳感器等設(shè)備，使壓路機(jī)運(yùn)行位置和壓實(shí)信息(如行車速度、碾壓遍數(shù)、壓實(shí)度、瀝青溫度等參數(shù))相對(duì)應(yīng)，以便出現(xiàn)“欠壓”和“過壓”時(shí)準(zhǔn)確定位地理位置，采取補(bǔ)救措施。

系統(tǒng)標(biāo)定模塊。在工程應(yīng)用中，LabVIEW經(jīng)常用于測(cè)量物理量，這時(shí)存在一些量的轉(zhuǎn)化問題，就是將電量值轉(zhuǎn)換為具有實(shí)際意義的物理量值。本系統(tǒng)主要考慮路面壓實(shí)度和瀝青溫度。大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在一定范圍內(nèi)，振動(dòng)輪加速度與壓實(shí)度近似為線性關(guān)系，要求得兩者之間的函數(shù)關(guān)系，得通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來測(cè)得數(shù)據(jù)。在鋪筑試驗(yàn)段時(shí)，先使用灌砂法測(cè)得碾壓每一遍瀝青路面的壓實(shí)值，再與對(duì)應(yīng)每一遍檢測(cè)到的加速度信號(hào)值建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，再將標(biāo)定系數(shù)輸入到用LabVIEW編寫的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序中，便可將所測(cè)加速度值換算成壓實(shí)度，就可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示壓實(shí)度值。

設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的振動(dòng)壓路機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，詳細(xì)論述了系統(tǒng)的硬件組成和軟件分系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)原理，采用GPS技術(shù)將壓實(shí)位置與壓實(shí)信息相對(duì)應(yīng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控路面的壓實(shí)狀態(tài)，使機(jī)手無需憑猜測(cè)和經(jīng)驗(yàn)施工，減少了人為因素造成的漏壓或過壓現(xiàn)象的發(fā)生，能有效地指導(dǎo)施工人員工作，有利于保證路面施工質(zhì)量，提高壓實(shí)作業(yè)的效率。

（作者單位：西安航空學(xué)院）