專利名稱：壓實度的隨車測試方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及安裝在一種以鼓輪一面沿著其支承基礎滾動，一面繞其軸心擺振(即繞其軸心順時針和逆時針交變擺動)的方式(以下簡稱振蕩壓實方式)來壓實基礎的機具上，用來測量壓實程度的隨車監測裝置的測試方法和實現這一方法的手段。
傳統檢查壓實度的方法，諸如環刀法、灌沙法、水泡法等，都是在壓實結束后再對土壤進行抽樣檢查。這些方法都要依靠細心熟練的手工操作，費工、費時，且只能提供在數量有限的測試點上獲得的結果，因而往往帶有較大的隨機性。同時，傳統的方法也不能在壓實進行的過程中獲得壓實度的信息，因而在壓實不足時只能返工再壓，而在過度壓實時則白白浪費能量。
因此長期以來人們一直希望有一種安裝在機器上的隨車監測裝置，能在壓實工作進行的過程中連續測量基礎材料被壓實的程度。
七十年代以來已先后有幾種隨車監測裝置問世，例如在世界專利W082/01905，瑞典專利SE424455(瑞典Dynapac公司)，美國專利US4103554介紹的壓實計以及聯幫德國Bomag公司研制的BTM測量儀。它們都是安裝在振動壓路機上用于在振動壓實過程中測量壓實度的隨車監測裝置。
八十年代初出現了按新的振蕩壓實原則工作的壓路機，它利用交變的激振扭矩所激起的鼓輪的交變擺動運動來壓實基礎。
由于振蕩壓實的機理與振動壓實的機理是完全不同的，因此所有上述應用于振動壓路機上的壓實度隨車監測置都不能用于按振蕩壓實原則工作的壓實機具上，1986年公布的世界專利W086/03237是迄今為止唯一的一項涉及安裝于此種類型壓實機械上的壓實度隨車監測裝置的發明。
W086/03237專利所介紹的振蕩壓實計的測量原理是基于鼓輪輪心在沿平行于基礎平面并垂直于輪軸方向上的加速度在零點附近的曲線為一正弦曲線這一認識的基礎上建立起來的，通過對這一加速度在零點附近的信號進行適當的處理可以獲得上述正弦曲線的幅值，而后者則是和基礎剛度成正比的，從而可以用來估計基礎的壓實程度。在專利W086/03237中提出了兩種處理方法來獲得上述正弦曲線的幅值，一種是利用檢測信號過零點的斜率與周期的乘值來計算其幅值，另一種是利用對在零點附近曲線線段進行擬合的方法來獲得正弦曲線并計算其幅值。為于避免由于鼓輪動平橫不良所引起的檢測信號的周期性波動同時也為了平滑各個周期間信號之波動，專利W086/03237建議在鼓輪滾動的多個完整周期內進行信號的一均化處理。采用了帶通和低通濾波器來消除高頻和低頻的干擾。輪心沿平行于基礎平面又垂直于輪軸方向的加速度和鼓輪的轉速分別由安裝在軸承中心的加速度計和一感應式的傳感器來檢測。被檢測的信號通過一帶微處理器的計算單元來實現上述各種處理和計算，并最后將結果顯示在指示儀表上。
由于采用幅值域的數值作為估計壓實度的參數而振幅又是通過斜率的計算或曲線擬合方法獲得的，因而對于干擾較為敏感而需要進行較多的計算和統計處理工作，硬件結構也比較復雜。
本發明的目的在于提供一種簡單而可靠的應用于按振蕩壓實原則工作的壓實機具上的隨車監測系統。它能在振蕩壓實的過程中連續、有效地測定基礎所達到的壓實度。
實現本發明目的之方法是在分析了振蕩壓實數字模型之基礎上，根據“在鼓輪繞軸心的擺振運動和輪心沿平行于基礎并垂直于輪軸方向的振動運動之間存在著時間的滯后和相位差，并且隨著基礎的逐步壓實，鼓輪與基礎間的滑轉逐步增大，而兩運動之間的時間滯后和相位差也逐步增大直至達到一穩定值”這一原理提出的。這一方法的特點是通過測量鼓輪繞軸心的擺振運動和輪心沿平行于基礎并垂直于輪軸方向的振動運動之間的時間滯后或相位差來直接估計鼓輪與基礎之間的滑轉程度，和估計基礎的壓實程度。這一估計是通過將在某一壓實程度下在某一時刻或某一時間間隔內確定的兩運動之相位差與某一參考值相比較來實現的。這一參考值可以是在標準壓實程度下測得的兩運動之間的相位差，也可以是在另一壓實程度下測得的相位差。前者可給出對壓實度絕對值的估計，而后者則將給出壓實度的某種相對估計。
由于采用相位差作為估計的參數，它們對干擾的敏感性要比幅值域的參數小得多，而且不必進行曲線擬合而可直接獲得，因而試驗結果的穩定性好，這是本方法的重要優點。
為了實現這一方法，本發明采用了一個包括三個傳感器和一個處理器的裝置，在三個傳感器中有兩個傳感器用來感受鼓輪繞軸心的擺振運動，另一個用來感受鼓輪的水平振動運動。處理器用來計算兩運動間的相位差或時間滯后，它有三種方案可供選擇一種是直接計算兩波形過零點的時間差;另一種是按離散富里葉變換的方式來計算兩信號的相位差;第三種是按互相關函數來計算兩信號間的時間滯后。
本發明的詳細描述將參考附圖進一步加以說明。附圖之圖面說明如下
圖1表明了振蕩輪工作和信號檢測的示意圖。
圖2表明了在鼓輪與基礎之間沒有滑轉時鼓輪擺振運動和輪心水平振動運動的波形。
圖3表明了在鼓輪與基礎之間存在一定滑轉時鼓輪擺振運動和輪心水平振動運動的波形。
圖4a、4b、4c分別表明了對所檢測的鼓輪擺振運動和輪心水平運動信號進行信號處理的三種方法。
圖5表明了按振蕩壓實的方式在不同剛度的基礎上工作時利用本發明提出的方法和裝置測得的不同的相位差。
圖6表明了按振蕩壓實方式壓實土壤時利用本發明所提出的方法和裝置測得的相位差隨壓實遍數而變化的函數關系。
圖1是振蕩輪工作的示意圖。振蕩輪在工作時由于交變扭矩的激振作用將引起鼓輪5繞其軸心的擺振運動。這種擺振運動將使鼓輪與基礎6之間產生交變的摩擦力。由于鼓輪的輪軸是用像膠減振塊與機架彈性地懸掛起來的，因此在鼓輪繞其軸心作擺振運動(簡稱鼓輪的擺振運動)的同時還會激起鼓輪輪心沿平行于基礎并垂直于輪軸7的方向的振動運動(簡稱輪心的水平振動運動)(見圖1)。
當激振力不大而鼓輪與基礎之間的摩擦力小于其靜摩擦力(附著力)時，在一定條件下(這一條件在現實中通常總是滿足的)，鼓輪的擺振運動與輪心的水平振動運動之間保持著一基本不變的原始相位差，如將時間軸的座標相對移動一相應的時間差，則兩運動之間將是同步的(見圖2)。
在振動力較大的情況下，鼓輪與基礎之間將會發生一定的滑轉，從而破壞了鼓輪的擺振運動與輪心水平振動的同步關系，而引起兩者之間附加的時間滯后和附加的相位差，并且滑轉愈大則兩者之間附加的時間滯后和相位差也愈大(見圖3)。
對于實際的壓實過程，由于松土逐步被壓實，基礎的水平剪切剛度是逐漸增大的，在開始時，由于基礎剛度較小，在鼓輪與基礎之間基本上不滑轉或滑轉很小，此時在鼓輪的擺振運動與輪心的水平振動運動之間在消去了原始相位差后基本上是同步的或者相位差很小。隨著壓實程度的增大，在激振力矩M＝MASinωt的作用下，鼓輪與基礎之間的滑轉量也余益增大，從而引起兩運動之間時間滯后和相位差的愈益增大。當基礎壓實到一定程度，壓實度不再增大時，滑轉量與相位差也將穩定在某一量值上。因此兩運動之間的時間滯后或相位差可用來估計基礎的壓實程度。上述兩運動之間的相位差不僅可以用它們位移之間的相位差來表示，而且也可用它們的速度，加速度之間的相位差來表示。
為了獲得這一相位差，需要檢測兩個信號，其中鼓輪輪心沿平行于基礎并垂直于輪軸方向的振動運動可采用一安裝在過鼓輪輪軸并與基礎平行的平面內的加速度傳感器3，并使它的軸線與輪軸相垂直(見圖1)。這種安裝方式將使傳感器3只感受輪心平行于基礎并垂直于輪軸方向的振動運動，而不感受鼓輪與繞其軸心擺振的運動。
鼓輪繞其軸心擺振信號的檢測較為復雜。這是因為當鼓輪在滾動時，安裝在其上的加速度傳感器不僅將感受滾輪擺振的加速度而且還將感受水平和垂直方向加速度在滾輪切線方向的分量。為了從這些加速度中檢測出擺振加速度，本發明采用圖1所示方案解決這一問題。
在過鼓輪5的輪軸的平面內(圖1之平面A)，并與輪心對稱的位置上，安裝兩個加速度傳感器1與2。兩個傳感器的底座平面應與平面A一致，并使它們在鼓輪繞其軸心擺動的某一瞬時所感受的切向加速度，大小相等而方向則或者都是指向底座平面的，或者都是離開底座平面的。為了增大傳感器所感受的擺振信號，傳感器1、2應安裝在輪心較大的半徑處，例如在接近輪緣的地方。傳感器1與2作感受的信號經合成后輸出。此時由兩傳感器感受的鼓輪水平和垂直振動的信號ax和ay將相互抵消，而只留下鼓輪繞軸心擺動的信號aT。如圖4所示傳感器1感受的加速度信號為a1＝aT-axSinθ，傳感器a2感受的加速度信號a2＝aT+axSinθ，則合成的結果為a1+a2＝2aT。由于振蕩輪是在不斷滾動的，所以合成的加速度信號將通過安裝在振蕩輪上的集電器4輸給處理裝置5。
對所檢測的振蕩輪的擺振運動和輪心的水平振動運動的信號進行適當的處理后可確定兩者之間的時間滯后或相位差。信號處理的方法有三種方案。
方案一是首先確定在一個周期內兩信號過零點的時刻，相減后獲得一時間差△t，對在若干周期內獲得的時間差進行平均化處理后可得一平均的時間差△t，它即代表了兩信號之間的相位差。
圖4a是按上述方法進行信號處理的框圖，從過滾輪中心的平面A內沿輪沿切線方向相向設置的加速度傳感器(1)和(2)所得信號經合成后被送至電荷放大器(8)放大，同時輪心水平加速度(3)也經另一電荷放大器(8)放大。數據處理裝置為先將兩正弦波整形變為方波(9)，同時將第二波形反向(15)，再與第一波形相與得一如圖4a(10)所示的脈沖波()，其脈沖寬度就為兩波形之間的時間滯后。平均化處理則可由微處理器完成，也可由積分電路求得。
第二種方案是對兩信號進行數字離散化后通過離散富利葉變換按虛部和實部之比直接求取在振蕩頻率處的相位角，從而確定兩信號之相位差。
圖4b是按此種方法進行信號處理的框圖。DFT處理由處理器(13)完成，先進行兩通道的離散化處理，采樣后分別按兩通道作DFT計算，求得基波(振蕩頻率)處的相位角，兩相位角的差值就為要求的△θ。
第三種方案是對兩信號作數字離散化后進行互相關函數的處理，從而求取兩信號的時間滯后值，這一滯后值即代表了兩信號間的相位差。
圖4c是此種方法進行信號處理的框圖。由處理器14對兩信號進行互相關處理，求互相關系數最大處的時間差即為對應兩波形之間的相位差。
按照本發明提出的方法在軟像膠，半壓實土壤和木板基礎上所做的試驗表明，在沒有滑轉的彈性基礎上和在有一定滑轉的土壤基礎上以及在有很大滑轉的剛性基礎上，擺振加速度和輪心水平加速度之間的相位差在數值上是有很大不同的(見圖5)。
圖6是按照本發明的方法在壓實土壤的過程中獲得的試驗結果。從圖中可看到壓實遍數的增加相位差也在不斷增長并趨向于平穩。這一曲線與用傳統方法測定的土壤密實度隨壓實遍數而增加的曲線是一致的。
權利要求
1.用于以鼓輪一面沿著其支承基礎滾動，一面繞其軸心交變振動的方式來進行壓實作業的機具上，并在壓實過程中估計壓實程度的方法，其特征是(1)感受鼓輪繞軸心的擺振運動和輪心沿平行于基礎并垂直于輪軸方向的擺振運動，并確定這兩運動之間的相位差；(2)這一相位差隨基礎壓實程度的增加而不斷增大，而且與壓實程度增長的曲線是一致的；(3)通過將在某一壓實程度下在某時刻或某一時間間隔內確定的兩運動之間的相位差與參考值相比較來估計基礎的壓實程度，這一參考值是在另一壓實程度下或標準壓實程度下在某一時刻或某一時間間隔內確定的兩運動之相位差。
2.根據權利要求1，所述的方法，其特征是鼓輪軸軸心的擺振運動和輪心沿平行于基礎并垂直于輪軸方向的振動運動的相位差用它們的加速度之間或速度之間或位移之間的時間滯后或相位差來代表。
3.根據權利1、2所述的方法，其特征是上述兩運動之間的相位差用它們之間的加速度或速度或位移的過零點的時刻之差來表示，這一時間差由在一個周期內或若干周期內獲得的平均值來確定。這一相位差也可用對它們的加速度或速度或位移在一段時間間隔內進行富利葉變換處理直接求取在振蕩頻率處的相位角來確定，或者進行互相關函數處理求取兩信號之間的時間滯后來確定。
4.根據權利1、2所述的方法，其特征是用鼓輪繞軸心的擺振運動和輪心沿平行于基礎并垂直于輪軸方向的振動運動之間的相位差隨壓實遍數的增加而不斷增大直至一穩定值的曲線來估計基礎的壓實程度，并通過對這一相位差與基礎密實度函數關系的標定將上述曲線轉換為密實度隨壓實遍數而增大的曲線。
5.根據權利3、4所述的方法，其特征是上述兩運動之間的時間滯后或相位差也用來估計鼓輪與其所支承的基礎間的滑轉程度。
6.一種利用權利要求1所述方法，用于以鼓輪一面沿著支承基礎滾動，一面繞其軸心交變擺振的方式來進行壓實作業的機具上的隨車監測裝置，它是由傳感器部分(1、2、3)和處理裝置16(包括8、9、10、11、12、13、14、15)和顯示儀表17組成的，其特征是傳感器1和2感受鼓輪繞其軸心的擺振運動，傳感器3感受輪心沿平行于基礎并垂直于輪軸方向的運動，并將它們轉換成電信號，處理裝置16通過8、9、10、11、15或8、12、13或8、12、14、產生一代表兩運動之間相位差的量，這一量即用來估計壓實的程度并在顯示儀表17上顯示出來。
7.根據權利要求7所述的裝置，其特征是傳感器1和傳感器2安裝在過鼓輪輪軸的平面A內(見圖1)，并與輪心對稱的位置上。它們的底座平面與平面A一致，并使它們在鼓輪5擺振的某一瞬時所感受的切向加速度，大小相等而方向則或者都是指向底座平面的，或者都是離開底座平面的。傳感器3安裝在過鼓輪輪軸并與基礎平行的平面內，并使它的軸線垂直于輪軸。
8.根據權利要求7所述的裝置，其特征是將傳感器1和2的信號先合成后再輸給處理裝置16，而傳感器3的信號直接輸給處理裝置16。在處理裝置16中用兩個過零比較器分別檢測傳感器1和2的合成信號的過零點和傳感器3信號的過零點，然后采用一與門10來確定兩者間的相位差，最后利用處理器11進行平均化處理。也可采用處理器13或14將來自傳感器1和2的合成信號和來自傳感器3的信號經采樣后直接完成離散富里葉變換或互相關函數處理以獲得兩信號的相位角及其差值或兩信號之間的時間滯后。
全文摘要
本發明涉及安裝在一種以鼓輪一面沿著其支承基礎滾動，一面繞其軸心擺振(即繞其軸心順時針和逆時針交變擺動)的方式(以下簡稱振蕩壓實方式)來壓實基礎的機具上，用來測量壓實程度的隨車監測裝置的測試方法和實現這一方法的手段。本發明的目的在于提供一種簡單而可靠的應用于按振蕩壓實原則工作的壓實機具上的隨車監測系統。它能在振蕩壓實的過程中連續、有效地測定基礎所達到的壓實度。
文檔編號E02D1/02GK1042992SQ8810831
公開日1990年6月13日 申請日期1988年11月29日 優先權日1988年11月29日
發明者衛雪莉 申請人:西安公路學院