耦合碾轮振动坝料压实质量实时检测装置和方法与流程

本发明涉及大坝施工质量控制领域，尤其是涉及土石坝料或碾压混凝土坝料在振动碾压过程中压实质量的实时检测装置和检测方法。

背景技术：

国内一些碾压土石坝出现严重渗透破坏、坝体开裂等安全事故以及碾压混凝土坝出现层间结合不良问题的一个重要原因就是坝料的压实效果不佳。近年来，大坝压实质量实时监控技术的发展与应用推广^[1-3]，为大坝施工质量提供了先进的技术途径。

目前国内外坝料压实质量实时检测中有一类指标是通过分析碾轮的振动性态——即碾轮振动加速度在压实过程中的畸变程度，来分析坝料的压实质量的。该类指标基于碾轮加速度的频域分析(简称碾轮加速度频域指标)，如压实指标ccv(caterpillarcompactionvalue)^[4]、总谐波失真指标thd(totalharmonicdistortion)^[5]和压实检测值cv(compactionvalue)^[6]等。但是，经过土石坝压实质量现场试验研究，发现：当使用加速度畸变程度，即碾轮加速度频域指标来表征坝料的密实程度时，其大小会受到碾压机振动频率f的影响。

为了验证振动频率f变化对压实检测值cv的影响，在某土石坝粉土坝料碾压过程中进行了试验对比。设计了一组对比试验：试验条带1在碾压过程中不断调整碾压机频率的大小，奇数遍为12.5hz，偶数遍为15.0hz；条带2作为试验对比条带，控制每一遍下碾压机振动频率不变(15.0hz)。试验结果如图1所示，条带1的偶数遍cv值明显大于临近的奇数遍cv值，cv随碾压遍数n增加呈现波动；而条带2振动频率f保持不变，cv随碾压遍数n增加单调递增。所以说，振动频率f会影响碾轮加速度频域指标(如cv)。

实际施工中，由于受油门大小、档位变动的影响，碾压机的振动频率不可避免地会发生改变。所以，若仅考虑加速度频域分析指标不能真实反映坝料压实质量。故本专利提出一种耦合碾轮振动加速度频域指标(碾轮加速度畸变程度)和振动频率f的坝料压实质量实时检测装置和方法是十分有必要的。

参考文献：

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技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种耦合碾轮振动加速度频域指标和频率的坝料压实质量实时检测装置和方法，避免因碾压机振动频率f发生变化导致表征压实质量的误差，实现土石坝或碾压混凝土坝压实质量实时检测，为确保大坝施工质量提供有力保障。为此，本发明采用的技术方案是，耦合碾轮振动坝料压实质量实时检测装置，由碾振加速度传感器、gnss(globalnavigationsatellitesystem)定位模块、车载集成控制器模块、无线通讯模块和碾压机电源模块共5部分，碾振加速度传感器安装在碾压机振动轮上且不随振动轮转动的部位，在对坝料进行振动碾压时，实时采集碾轮竖直方向的振动加速度时域模拟信号，转换成时域数字信号，然后通过接口将一个采样周期内的加速度时域数字信号和对应的采样时间，传输到车载集成控制器模块中；

gnss定位模块包括卫星信号接收机、卫星天线和差分无线电天线，卫星天线安装在碾压机车顶上，用于接收卫星信号，确定碾压机当前位置，安装部分应尽量靠近碾轮中心点，差分无线电天线用于接收基站的差分信号，接收机作实时动态差分rtk(real-timekinematic)；所述gnss定位模块，用于获得任意时刻碾压机位置的坐标，并将该位置坐标与相应的采集时间传送到车载集成控制器模块中；

车载集成控制器模块安装在碾压机驾驶室内，包括计算分析子模块和车载显示子模块。在计算分析子模块中，将实时采集的碾轮振动加速度时域数字信号经过快速傅里叶变换得到加速度的频谱数据，其中，基频即为碾压机实际输出的振动频率f；通过频谱数据中不同谐波分量幅值的比值来计算压实检测指标cv：

式中，a2、a4分别是频谱图中一次谐波即基频和二次谐波的幅值即两倍基频；a为常数；

然后，将当前采样时刻及计算得到的f和cv输入到预置在该子模块中的坝料压实质量与cv、f的关系模型中，实时计算当前时刻的坝料压实质量，根据当前采样时刻，对应采样的位置坐标，并将当前碾压机标识、当前采样时刻、对应的当前位置坐标，以及计算得到的当前位置的压实质量、cv、f传输到车载显示子模块；同时，将上述数据传送到无线通讯模块；

碾压机电源模块将碾压机自身的电源电压转化成车载集成控制器模块所需要的电压，并根据gnss定位模块、无线通讯模块及碾振加速度传感器所需的不同电压，经电源转化变压后再分别向各模块供电。

在车载显示子模块中预置了坝区施工仓面电子地图，在车载显示屏中实时显示施工仓面电子地图，以及从计算分析子模块中传输过来的当前采样时刻、当前位置，以及相应的压实质量、cv和f，以供碾压机司机查看，以辅助其操作；同时，在车载显示屏中显示设定的标准压实质量值，以便司机来判断当前坝料是否达到标准压实情况，以实现对坝料压实质量的有效控制；无线通讯模块将车载集成控制器模块发送过来的当前碾压机标识、当前采样时刻、当前位置，以及相应的压实质量、cv和f等数据经3g/4g移动通讯网络，传送到远程数据库服务器中保存，以供后续应用。

耦合碾轮振动坝料压实质量实时检测方法，步骤如下：

(1)事先通过试验条带建立压实质量与碾压机实际输出的振动频率f、压实检测指标cv的回归模型；

(2)在车载集成控制器模块内输入压实质量的回归模型、设定的压实质量控制标准，以及要检测的坝区施工仓面的属性信息和坝区施工仓面电子地图；

(3)确定当前施工仓面，开始进行压实质量实时检测；

(4)利用安装在碾轮上的碾振加速度传感器，实时采集碾轮竖直方向上的加速度，同时利用安装在碾压机驾驶室内的车载集成控制器模块接收碾振加速度传感器采集的振动加速度数据，并利用计算分析子模块实时计算cv与f；

(5)利用安装在碾压机驾驶室顶部的gnss定位模块，实时采集采样点的位置坐标；

(6)将当前采样位置处的cv、f代入压实质量回归模型内，计算分析子模块实时计算出当前采样点的压实质量；

(7)车载集成控制器模块的车载显示子模块实时显示碾压机的当前位置，以及全仓面上各位置处的压实质量，并显示设定的压实质量控制标准，供碾压机司机查看，以便司机判定当前位置是否达到设定的压实质量。若没有达到，需继续进行碾压；

(8)利用无线通讯模块将车载集成控制器模块发送过来的当前碾压机标识、当前采样时刻、当前位置，以及相应的压实质量、cv和f等数据经3g/4g移动通讯网络，传送到远程数据库服务器中保存，以供后续应用。

在一个实例中的具体步骤细化为：

(1)坝料压实质量可用坝料压实度d来反映，事先通过试验条带建立压实度d与f、cv的多元线性回归模型：

d＝f(f,cv；β)+ε

式中，f(·)为压实度回归函数；β为回归系数；ε为模型残差；d为土石坝料回归模型对应的压实度；

压实检测值cv的计算公式：

式中，a2、a4分别是频谱图中一次谐波即基频和二次谐波的幅值即两倍基频；a为常数；

(2)在车载集成控制器模块内输入事先建立好的压实度回归模型；标准的压实质量控制要求；

(3)确定当前施工仓面，开始进行压实质量实时检测；

(4)利用安装在碾轮上的碾振加速度传感器实时采集竖直方向上的加速度时域数字信号，采样点时间间隔t在满足工程精度要求下取足够小，采样频率fs＝1/t，加速度数字信号表示为a(n)，n为采样点数，0≤n<n，n为采样周期内的采样点个数；利用安装在碾压机驾驶室内的车载集成控制器模块接收碾振加速度传感器采集的振动加速度数据，对每个采样周期内采集到n个离散的振动加速度采样点数据进行快速傅里叶变换，n＝2^k，k为正整数，在加速度频谱图上加速度信号被分解为无数谐波分量，包括组成振动加速度信号的各种频率及其所对应的幅值，由此计算cv与f数据；

(5)用安装在碾压机驾驶室顶部的gnss定位模块实时采集采样点的位置坐标，并将采样点的位置信息传输到车载集成控制器模块中；

(6)将当前采样位置处的cv、f代入压实质量回归模型内，利用计算分析子模块实时计算当前采样点的压实质量；

(7)车载集成控制器模块的显示屏实时显示碾压机的当前位置，以及全仓面上各位置处的压实质量，并显示设定的压实质量控制标准，供碾压机司机查看，以便司机判定当前位置是否达到设定的压实质量，若没有达到，需继续进行碾压；

(8)利用无线通讯模块将车载集成控制器模块发送过来的当前碾压机标识、当前采样时刻、当前位置，以及相应的压实质量、cv和f等数据经3g/4g移动通讯网络，传送到远程数据库服务器中保存，以供后续应用。

本发明的特点及有益效果是：

(1)提出了一种耦合碾轮振动加速度频域指标和频率的坝料压实质量实时检测装置和方法，避免因碾压机振动频率f发生变化导致表征压实质量的误差。

(2)可实现土石坝或碾压混凝土坝压实质量实时检测，为确保大坝施工质量提供有力保障。

附图说明：

图1cv与碾压遍数n的关系。

图2是本发明的坝料压实质量检测装置构成图；

图3是本发明的坝料压实质量实时检测流程图。

具体实施方式

本发明旨在克服现有研究的不足，针对现有检测土石坝压实质量的频域压实指标的缺陷，提出了一种适用土石坝或碾压混凝土坝压实质量实时检测装置及方法，避免振动频率对频域压实指标的影响。为此，本发明采用的技术方案包括土石坝或碾压混凝土坝压实质量实时检测装置和方法，检测装置包括：碾振加速度传感器、gnss(globalnavigationsatellitesystem)定位模块、车载集成控制器模块、无线通讯模块和碾压机电源模块共5部分，组成结构见图2。

碾振加速度传感器安装在碾压机振动轮上且不随振动轮转动的部位。在对坝料进行振动碾压时，实时采集碾轮竖直方向的振动加速度时域模拟信号，转换成时域数字信号。然后通过接口将一个采样周期(时间尽可能短)内的加速度时域数字信号和对应的采样时间，传输到车载集成控制器模块中。

gnss定位模块包括卫星信号接收机、卫星天线和差分无线电天线。卫星天线安装在碾压机车顶上，用于接收卫星信号，确定碾压机当前位置，安装部分应尽量靠近碾轮中心点。差分无线电天线用于接收基站的差分信号，接收机作实时动态差分(real-timekinematic，rtk)。该模块用于获得任意时刻碾压机位置的坐标，并将该位置坐标与相应的采集时间传送到车载集成控制器模块中。

车载集成控制器模块安装在碾压机驾驶室内，包括计算分析子模块和车载显示子模块。在计算分析子模块中，将实时采集的碾轮振动加速度时域数字信号经过快速傅里叶变换得到加速度的频谱数据。其中，基频即为碾压机实际输出的振动频率f；通过频谱数据中不同谐波分量幅值的比值来计算压实检测指标cv：

式中，a2、a4分别是频谱图中一次谐波(基频)和二次谐波的幅值(两倍基频)；a为常数。

然后，将当前采样时刻及计算得到的f和cv输入到预置在该子模块中的坝料压实质量(密度或压实度)与cv、f的关系模型(一般为回归模型，该模型通过试验点事先建立)中，实时计算当前时刻的坝料压实质量(密度或压实度)。根据当前采样时刻，可对应采样的位置坐标，并将当前碾压机标识、当前采样时刻、对应的当前位置坐标，以及计算得到的当前位置的压实质量、cv、f传输到车载显示子模块；同时，将上述数据传送到无线通讯模块。在车载显示子模块中预置了坝区施工仓面电子地图，可在车载显示屏中实时显示施工仓面电子地图，以及从计算分析子模块中传输过来的当前采样时刻、当前位置，以及相应的压实质量、cv和f，以供碾压机司机查看，以辅助其操作。同时，在车载显示屏中显示设定的标准压实质量值，以便司机来判断当前坝料是否达到标准压实情况，以实现对坝料压实质量的有效控制。

无线通讯模块将车载集成控制器模块发送过来的当前碾压机标识、当前采样时刻、当前位置，以及相应的压实质量、cv和f等数据经3g/4g移动通讯网络，传送到远程数据库服务器中保存，以供后续应用。

碾压机电源模块将碾压机自身的电源电压转化成车载集成控制器模块所需要的电压，并根据gnss定位模块、无线通讯模块及碾振加速度传感器所需的不同电压，经电源转化变压后再分别向各模块供电。

耦合碾轮振动加速度频域指标和频率的坝料压实质量实时检测方法如下：

(1)事先通过试验条带建立压实质量(密度或压实度)与f、cv的回归模型。

(2)在车载集成控制器模块内输入压实质量的回归模型、设定的压实质量控制标准，以及要检测的坝区施工仓面的属性信息(包括仓面的编号、施工单位、碾压机配置情况及其编号)和坝区施工仓面电子地图。

(3)确定当前施工仓面，开始进行压实质量实时检测。

(4)利用安装在碾轮上的碾振加速度传感器，实时采集碾轮竖直方向上的加速度，同时利用安装在碾压机驾驶室内的车载集成控制器模块接收碾振加速度传感器采集的振动加速度数据，并利用计算分析子模块实时计算cv与f。

(5)利用安装在碾压机驾驶室顶部的gnss定位模块，实时采集采样点的位置坐标。

(6)将当前采样位置处的cv、f代入压实质量回归模型内，计算分析子模块实时计算出当前采样点的压实质量。

(7)车载集成控制器模块的车载显示子模块实时显示碾压机的当前位置，以及全仓面上各位置处的压实质量，并显示设定的压实质量控制标准，供碾压机司机查看，以便司机判定当前位置是否达到设定的压实质量。若没有达到，需继续进行碾压。

(8)利用无线通讯模块将车载集成控制器模块发送过来的当前碾压机标识、当前采样时刻、当前位置，以及相应的压实质量、cv和f等数据经3g/4g移动通讯网络，传送到远程数据库服务器中保存，以供后续应用。

本发明是一种耦合碾轮振动加速度频域指标和频率的坝料压实质量实时检测装置和方法。具体的坝料压实质量实时检测装置和方法如下：

(一)坝料压实质量实时检测装置

参照图2，本检测装置系统包括碾振加速度传感器、gnss定位模块、车载集成控制器模块、无线通讯模块和碾压机电源模块共5个部分。

(1)碾振加速度传感器。由车载集成控制器模块供电(本发明中供电电压为3.3v)，加速度传感器安装在振动轮上且不随振动轮转动的部位，实时采集碾轮竖直方向的振动加速度时域模拟信号，并将其转换成时域数字信号。碾振加速度传感器与车载集成控制器模块通过spi(serialperipheralinterface，串行外设接口)接口连接，将一个采样周期(时间尽可能短)内的加速度时域数字信号和对应的采样时间传输到车载集成控制器模块中。

三轴加速度传感器可采用美国adi(analogdeviceinstrument)公司生产的adis16228加速度传感器，其最高采样频率为100.2khz。可适用于碾压机一般为20～70hz的激振频率，且具有较高的精度。加速度传感器采用15mm×15mm×15mm的铅合金封装，配有用于螺栓安装的螺纹孔。

(2)gnss定位模块。由车载集成控制器模块供电(本发明中供电电压为16.8v)，该模块通过rs-232串行接口与车载集成控制器模块连接。gnss定位模块包括卫星信号接收机、卫星天线和差分无线电天线。卫星天线安装在碾压机车顶上，用于接收卫星信号，确定碾压机当前位置，安装部分应尽量靠近碾轮中心点。差分无线电天线用于接收基站的差分信号，接收机作实时动态差分(real-timekinematic，rtk)，以提高碾压机定位精度(可达到厘米级)。该模块用于获得任意时刻碾压机位置的坐标，并将该位置坐标与相应的采集时间传送到车载集成控制器模块中。卫星信号接收机可采用华测x900gnss接收机。

(3)车载集成控制器模块。由碾压机电源模块供电(本发明中供电电压为12v)，该模块通过转换变压后，再分别向其计算分析子模块和车载显示子模块供电，同时，将输入电压转化成碾振加速度传感器、gnss定位模块、无线通讯模块各自需要的电压后，通过电源接口对各模块供电。通过rs-232接口分别与gnss定位模块和无线通讯模块相连接，并通过spi接口与碾振加速度传感器进行连接。

(4)无线通讯模块。由车载集成控制器模块供电(本发明中供电电压为12v)，无线通讯模块将车载集成控制器模块通过rs-232接口发送过来的当前碾压机标识、当前采样时刻、当前位置，以及相应的压实质量、cv和f实时地通过3g/4g网络模块传送到远程数据库服务器中。3g/4g网络模块可采用华为e8372无线网卡。

(5)碾压机电源模块。通过将碾压机自身的电源电压转化成车载集成控制器模块所需要的电压(本发明中采用16.8v)。该模块调节电压采用自适应的方式，即无论碾压机的自身电源电压大小如何变化，该模块均可以输出需要的稳定电压(如16.8v)。碾压机电源模块将所需的稳定电压供给车载集成控制器模块，车载集成控制器模块再根据碾振加速度传感器、gnss定位模块、车载集成控制器模块、无线通讯模块对电压的不同需要，经车载集成控制器模块的转换变压后分别向上述模块供电。该模块具体工作过程如下：

首先，接入碾压机的自身电源。考虑到实际碾压机工作中的电源输出不稳定情况，采用电源滤波电路抑制可能输入的尖峰脉冲电压，当输入电压在该模块允许的范围之内时，通过dc-dc变压将输入电压转换为所需的电压。然后，经过电源滤波及去纹波电压电路保证输出电压的稳定。最后，向数据处理模块输出稳定的电压(本发明中取16.8v)。

(二)坝料压实质量实时检测方法

本发明的压实质量实时检测方法如图3所示，事先建立坝料的压实质量与振动频率f、压实检测值cv的回归模型，即压实质量评估模型；利用安装在碾轮上的碾振加速度传感器采集当前施工仓面不同采样点处振动加速度数据，车载集成控制器的计算分析子模块实时计算此时的振动频率f和压实检测值cv；同时，在计算分析子模块中计算当前采样点处压实质量数据；并与设定的压实质量标准进行比较，用以辅助碾压机司机操作，及时反馈控制施工质量。

该检测方法具体步骤如下：

(1)坝料压实质量可用坝料压实度d来反映，事先通过试验条带建立压实度d与f、cv的多元线性回归模型：

d＝f(f,cv；β)+ε

d＝f(f，cv；β)+ε

式中，f(·)为压实度回归函数；β为回归系数；ε为模型残差；d为土石坝料回归模型对应的压实度。

压实检测值cv的计算公式：

式中，a2、a4分别是频谱图中一次谐波(基频)和二次谐波的幅值(两倍基频)；a为常数，一般可以取300。

(2)在车载集成控制器模块内输入事先建立好的压实度回归模型；标准的压实质量控制要求，如：粘土心墙坝料压实度大于98％；要检测工作仓面的属性信息，包括仓面的编号、施工单位、碾压机配置情况及其编号；坝区施工仓面电子地图等。

(3)确定当前施工仓面，开始进行压实质量实时检测。

(4)利用安装在碾轮上的碾振加速度传感器实时采集竖直方向上的加速度时域数字信号，采样点时间间隔t在满足工程精度要求下取足够小，采样频率fs＝1/t，加速度数字信号可以表示为a(n)，n为采样点数(0≤n<n，n为采样周期内的采样点个数)。利用安装在碾压机驾驶室内的车载集成控制器模块接收碾振加速度传感器采集的振动加速度数据，对每个采样周期内采集到n(n＝2^k，k为正整数)个离散的振动加速度采样点数据进行快速傅里叶变换，在加速度频谱图上加速度信号被分解为无数谐波分量，包括组成振动加速度信号的各种频率及其所对应的幅值，由此计算cv与f数据。

(5)用安装在碾压机驾驶室顶部的gnss定位模块实时采集采样点的位置坐标，并将采样点的位置信息传输到车载集成控制器模块中。

(6)将当前采样位置处的cv、f代入压实质量回归模型内，利用计算分析子模块实时计算当前采样点的压实质量。

(7)车载集成控制器模块的显示屏实时显示碾压机的当前位置，以及全仓面上各位置处的压实质量，并显示设定的压实质量控制标准，供碾压机司机查看，以便司机判定当前位置是否达到设定的压实质量。若没有达到，需继续进行碾压。

(8)利用无线通讯模块将车载集成控制器模块发送过来的当前碾压机标识、当前采样时刻、当前位置，以及相应的压实质量、cv和f等数据经3g/4g移动通讯网络，传送到远程数据库服务器中保存，以供后续应用。