道路工程結(jié)構(gòu)狀態(tài)與環(huán)境參數(shù)檢測成套裝備的設(shè)計(jì)開發(fā)

呂承舉，廖寶梁，王桂荃，楊道平

（山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031）

引言

瀝青路面結(jié)構(gòu)性能取決于荷載及環(huán)境作用下路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)狀態(tài)，現(xiàn)行路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)模型主要基于理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，與實(shí)際偏差較大。美國較早開展了瀝青路面層間剪應(yīng)力研究，利用多種方法，從不同角度分析影響路面層間粘結(jié)層穩(wěn)定性的因素，為評價(jià)層間粘結(jié)層的穩(wěn)定性提供了良好思路。但其開發(fā)的試驗(yàn)儀器只記錄試件破壞時(shí)剪切力的最大值，不能提供連續(xù)的力隨時(shí)間的變化曲線，不能描繪整個(gè)加載過程中層間剪切力的變化趨勢[1]。而國內(nèi)還沒有評價(jià)層間粘結(jié)材料試驗(yàn)方法的統(tǒng)一規(guī)范，試驗(yàn)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(jié)真實(shí)狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)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(xué)、大連理工大學(xué)等國內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)，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(jìn)行現(xiàn)場測試和數(shù)據(jù)收集，不但耗費(fèi)人力、物力、財(cái)力，而且采集數(shù)據(jù)量有限[2-4]。

1 設(shè)計(jì)思路

成套裝備主要由層間穩(wěn)定測試雙向精控動(dòng)態(tài)力學(xué)加載系統(tǒng)、路面層面響應(yīng)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(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)組成。

1.1 層間穩(wěn)定測試雙向精控動(dòng)態(tài)力學(xué)加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括機(jī)械裝置、電機(jī)控制系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)和上位機(jī)四部分。機(jī)械裝置提供層間力剪切操作平臺(tái)，由電機(jī)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(hào)采集系統(tǒng)精確實(shí)時(shí)采集水平力、軸向力力值和試件位移，及時(shí)反饋數(shù)據(jù)至主控單元進(jìn)而調(diào)整電機(jī)控制系統(tǒng)動(dòng)作；上位機(jī)全程記錄信號(hào)采集系統(tǒng)采集到的力值數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確捕捉力值峰值，如實(shí)反映試件在水平剪切力作用下層間力值的變化過程。

機(jī)械裝置包括升降裝置、減速裝置、操作平臺(tái)、環(huán)境箱和臺(tái)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(tái)以及提供豎向力和橫向力加載過程中的外部保護(hù)和環(huán)境絕熱箱體，機(jī)械裝置中帶有四個(gè)限位開關(guān)，用于實(shí)時(shí)保護(hù)位移傳感器的工作位置。

控制系統(tǒng)包括主控單片機(jī)、采集系統(tǒng)、傳感器、電機(jī)控制系統(tǒng)、上位機(jī)和顯示終端，分別負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)按照既定規(guī)則完成各項(xiàng)動(dòng)作，是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，完成機(jī)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(dòng)，并施加豎向力和橫向力，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲(chǔ)，提供人機(jī)交互界面及加載過程展示。

控制系統(tǒng)以STC15W4K32S4單片機(jī)為主控單片機(jī)，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(jī)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(zhuǎn)換芯片ADS1256作為核心器件，每個(gè)子板配合2個(gè)拉力傳感器實(shí)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(jī)控制系統(tǒng)能實(shí)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(jī)交互窗口，均可實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的監(jiān)測、分析和存儲(chǔ)，手動(dòng)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)等功能，MCGS直接安裝于機(jī)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(yīng)參數(shù)智能采集分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(chǔ)系統(tǒng)和上位機(jī)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(chǔ)系統(tǒng)提供12 V直流電源，并可自動(dòng)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(yùn)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(chǔ)系統(tǒng)提供觸發(fā)信號(hào)；數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)采集路基形變傳感器信號(hào)，并經(jīng)處理后存儲(chǔ)至大容量Flash存儲(chǔ)器；上位機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析并保存，反映路面應(yīng)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(chǔ)系統(tǒng)安裝在應(yīng)用現(xiàn)場，用于實(shí)時(shí)在線測試并存儲(chǔ)車輛對路面產(chǎn)生的應(yīng)變數(shù)據(jù)；上位機(jī)用于離線提取、分析已存儲(chǔ)的應(yīng)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(hào)處理電路、單片機(jī)及通訊電路。激光測距傳感器固定在路邊，車輛到達(dá)傳感器安裝位置時(shí)觸發(fā)傳感器，并將觸發(fā)信號(hào)傳給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)信號(hào)確定車輛是否到位，如車輛到位則啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)開始數(shù)據(jù)的采集及存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)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(yīng)變傳感器，受到外力時(shí)導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料變形引起電阻值變化并經(jīng)信號(hào)放大后向外輸出電壓變化；采集板具備8路應(yīng)變信號(hào)的調(diào)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(hào)先被送入運(yùn)算放大器進(jìn)行差分放大，并由低通濾波電路對信號(hào)進(jìn)行處理，然后初步處理的信號(hào)送入可調(diào)增益放大器中進(jìn)行二次調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的電壓信號(hào)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器中再進(jìn)行處理，經(jīng)處理后的信號(hào)傳送到主機(jī)板高速RAM中暫存；主控單元能夠同時(shí)與3塊采集板相連收集24路應(yīng)變信號(hào)，利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片記錄每次采樣時(shí)刻，并將信號(hào)先暫存至RAM，最終存儲(chǔ)到大容量Flash存儲(chǔ)器中。

上位機(jī)分析軟件用VB語言開發(fā)，具備從Flash存儲(chǔ)器中提取數(shù)據(jù)、處理分析和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、聯(lián)機(jī)測試等功能。首先從Flash存儲(chǔ)器中根據(jù)存儲(chǔ)時(shí)的通道號(hào)、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(jìn)行存儲(chǔ)，然后開展相關(guān)分析工作。

1.3 路基路面環(huán)境參數(shù)長期自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)包括鋰電池組電源、時(shí)鐘系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)和上位機(jī)四部分。鋰電池組電源為整個(gè)系統(tǒng)工作提供3.3 V穩(wěn)定電壓；時(shí)鐘系統(tǒng)為系統(tǒng)工作提供采集時(shí)間信號(hào)和時(shí)間基準(zhǔn)；數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成無人值守自動(dòng)采集路基路面溫度、濕度、光照參數(shù)等并存儲(chǔ)至SD卡；上位機(jī)提供人機(jī)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(shí)鐘系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)等安裝在應(yīng)用現(xiàn)場，自動(dòng)采集并存儲(chǔ)路基路面的溫度、濕度和光照強(qiáng)度等相關(guān)數(shù)據(jù)信息；上位機(jī)則用于離線提取已存儲(chǔ)的應(yīng)變數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

鋰電池組電源負(fù)責(zé)向時(shí)鐘系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)、LCD顯示器等提供標(biāo)準(zhǔn)工作電源。為有效提高系統(tǒng)工作時(shí)間，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等主要工作模塊均進(jìn)行了電源控制設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或存儲(chǔ)時(shí)打開相關(guān)電源，操作完畢后自動(dòng)關(guān)閉，系統(tǒng)不工作時(shí)僅需微安級電流維持；時(shí)鐘系統(tǒng)由專用時(shí)鐘芯片提供日期和時(shí)間基準(zhǔn)，可設(shè)定自動(dòng)采集時(shí)間間隔，并定期喚醒單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的定時(shí)采集；數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)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(chǔ)單元，負(fù)責(zé)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(shí)間一并存入大容量SD卡中。系統(tǒng)以STC90C58AD為主控單片機(jī)，對各外圍器件進(jìn)行控制管理，系統(tǒng)長時(shí)間工作在掉電狀態(tài)，時(shí)鐘系統(tǒng)計(jì)時(shí)到采集時(shí)刻時(shí)提供中斷信號(hào)，主控單片機(jī)進(jìn)入中斷程序強(qiáng)行復(fù)位，啟動(dòng)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(shí)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(shè)置下次采集時(shí)刻，主控單片機(jī)關(guān)閉外圍部件供電，進(jìn)入掉電休眠狀態(tài)，等待下次采集時(shí)刻，系統(tǒng)處于微功耗狀態(tài)。

上位機(jī)可從SD卡存儲(chǔ)器中提取采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。同樣根據(jù)存儲(chǔ)時(shí)的通道號(hào)、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(jìn)行相應(yīng)處理后開展數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而得到采集點(diǎn)的路面溫濕度場。

2 實(shí)際應(yīng)用

在實(shí)驗(yàn)室利用層間穩(wěn)定測試雙向精控動(dòng)態(tài)力學(xué)加載系統(tǒng)進(jìn)行了試件的層間剪切，在山東濱大永久性瀝青路面試驗(yàn)路、濟(jì)萊高速等安裝了路面層面響應(yīng)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(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)過多次現(xiàn)場試驗(yàn)和不同時(shí)間段采集數(shù)據(jù)的處理和分析，驗(yàn)證了層間穩(wěn)定測試雙向精控動(dòng)態(tài)力學(xué)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(yīng)參數(shù)智能采集分析系統(tǒng)在有車輛經(jīng)過時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)采集道路多層面應(yīng)力參數(shù)，如實(shí)反映路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)狀態(tài)，并進(jìn)行多窗口顯示各通道采集結(jié)果；路基路面環(huán)境參數(shù)長期自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的采集間隔能夠?qū)崿F(xiàn)路基路面溫濕度和光照強(qiáng)度等環(huán)境影響參數(shù)的自動(dòng)采集和存儲(chǔ)，對存儲(chǔ)數(shù)據(jù)分析后形成了某路段晝夜不同時(shí)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(jié)語

經(jīng)過在山東省內(nèi)多條道路安裝應(yīng)用，結(jié)果表明系統(tǒng)測試精度高、工作穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高，大幅降低了研究人員的工作強(qiáng)度，提高了檢測效率。