专利名称：土石坝坝料压实质量实时监测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及水利水电工程领域大坝施工质量控制领域，具体讲，涉及土石坝坝料压实质量实时监测装置。
背景技术：
传统土石坝坝料压实质量评估方法主要是用有限试坑试验结果反映整个施工单元仓面的碾压质量。这种做法一般历时较长、有破坏性，且结果片面性，不能全面反映整个施工单元仓面的碾压质量；同时，由于试验结果无法快速取得，从而影响施工进度，无法满足高强度、高机械化的施工要求。因此，通过实时采集现场碾压过程中的坝料压实状态，用以评估坝料压实质量，对于及时反馈控制施工质量具有重要意义。目前，在土石坝施工过程质量实时控制方面，钟登华等采用填筑碾压质量实时监控技术[1-3]，实现了碾压过程中对碾压参数(包括行车速度、碾压遍数、激振力状态、压实厚度)的实时监控，对确保土石坝压实质量控制起到重要作用。但该技术仅是施工过程中碾压参数的实时监测，并不能直接反映碾压过程中坝料的压实质量(如压实度或干密度、孔隙率等)。在道路路基土料的压实质量实时监测装置研制方面，国内外已有较多研究。国夕卜，如美国BOMAG的碾压可变控制器BVC(BomagVario Control) [4，5]，瑞典AMMANN的ACE(Ammann Compaction Expert) [6]，瑞士 Geodynamik 的碾压度量计(Compactometer)，美国Caterpillar公司的基于碾压机净输出(machine drive power,MDP)的碾压过程监测装置[8]，等。国内，如张润利[9]、居彩梅[10]开发的振动压实度检测仪，杨济安开发的车载压实度检测装置[11]，以及刘泽东等开发的路基压实度检测仪器[12]，等。上述装置基本原理都是监测碾压机碾轮的运动性能(如加速度、振幅、频率等)，通过分析碾轮的运动性能与路基土料压实度之间的关系，建立基于碾轮运动性能分析的压实度表征指标，进而来估计路基土料的压实度。但上述装置基本集中在道路施工领域，由于土石坝坝料的性质(料性、级配、含水量、干密度等)与路基土料并不相同，从而使得即便是碾轮运动性能(如加速度频谱)相同的情况下，被压料的压实状态并不一致，因而上述这些装置并不能完全适用于表征土石坝坝料的压实质量监测。更重要的是，这些装置所测的压实质量指标要么不能与大地坐标实现对应(如文献[9-12])，即压实质量监测值没有地理属性，使得在实际中不易直接指示所监测的压实质量指标对应的具体位置，故不易实现对质量缺陷部位的反馈补救；要么不能把实时监测到的信息远程发送到数据库存储(如文献[4-8])，仅仅供碾压机司机使用，使得不仅无法供后续的质量评估应用，也无法满足符合国情的前方(工作面监理、施工单位)与后方(现场营地设计、业主等)结合的、“司机-承包商-监理-业主”一体化的质量管理模式。参考文献[I]钟登华，刘东海，崔博.高心墙堆石坝碾压质量实时监控技术及应用[J].中国科学科学技术，2011,41 (8) :1028-1034.[2]钟登华，刘东海，张社荣等.心墙堆石坝施工质量实时监控方法[P]，发明专利ZL200910069245. 9,2010[3]钟登华，刘磊，刘东海等.心墙堆石坝碾压过程信息自动采集装置[P]，发明专利 ZL200910069167. 2,2010[4]B0MAG. Systems for soil compaction B0MAG Evib meter[EB/OL]· 2010-1-12[5]M. Hossain, J. Mulandi, L. Keach, M. Hunt, et al.1ntelligent compactioncontrol[A]. Proceedings of2006Airfield and Highway Pavements SpecialtyConference[C], Atlanta,2006,26-35[6]AMMANN. European and U. S.patents on the ACE-system[R]. Swiss AMMANVerdichtung AG,2002[7] Ake J. Sandstrom. Control of a compaction machine with a measurementof the characteristics of theground material[P]. US :5727900,1998-03-17[8]Paul T. Corcoran, Federico Fernandez. Method and apparatus fordetermining the performance of acompaction machine based on energy transfer[P].US 6188942B1,2001-02-13[9]张润利，张俊杰，李熙山.振动压路机压实度连续检测仪[J].工程机械，2000，32(8) :4-6[10]居彩梅.车载式压实度检测仪[D].西安长安大学，2001[11]杨济安.车载压实度检测装置[P].中国，实用新型专利，01249239. 6. 2002-10-23[12]刘泽东，杨霏，张建经.路基压实度检测仪器[P].中国，实用新型专利，201020584464. 9. 2011-08-0
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供适用于土石坝坝料的，既能实现坝料压实质量实时监测，又能将监测信息远程发送至数据库可供后续质量评估应用，并能实现工地远程监控的装置，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，土石坝坝料压实质量实时监测装置包括碾轮加速度监测模块、GPS定位模块、数据处理模块；碾轮加速度监测模块的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；加速度传感器采集到的碾压机碾轮加速度时域模拟信号经信号模数转换，转换成时域数字信号，进而将加速度时域数字信号进行快速傅里叶变换(FFT)，得到碾轮振动加速度的频谱数据，然后将加速度频谱数据和当前采样时间传输到数据处理模块中；GPS定位模块包括GPS接收机、GPS卫星天线和差分无线电天线，GPS卫星天线安装在碾压机上，用于接收GPS信号，以确定碾压机的位置，GPS定位模块安装在尽量靠近碾轮中心点，差分无线电天线用于接收GPS基准站的差分信号，用于GPS接收机作实时动态差分(Real-time Kinematic，RTK)，用于获得碾压机的实时位置坐标，并将当前采样时间及其相应的碾压机位置坐标传送到数据处理模块；数据处理模块根据接收到的碾轮振动加速度频谱数据及对应的采样时刻，分析计算当前采样时刻的碾轮振动的基频及压实指标值CV ;并将从GPS定位模块接收到的当前采样时间及其对应的碾压机位置坐标，计算得到的基频和CV，由该数据处理模块的标识码ID确定的所安装碾压机的标识进行输出。还包括有无线传输模块(DTU)、车载显示模块、碾压机电源模块和数据库服务器；无线传输模块(DTU)将数据处理模块发送过来的当前采集时间及其对应的碾压机位置坐标、碾压机标识、当前采样时刻的基频和CV值实时地传送到远程数据库服务器中，以备后续质量评估与控制应用；碾压机电源模块通过将碾压机自身的电源电压转化成数据处理模块所需要的电压并供给数据处理模块，数据处理模块根据GPS定位模块、车载显示模块、无线传输模块(DTU)及碾轮加速度监测模块所需的不同电压，经变压后再分别向各模块供电；车载显示模块安装在碾压机驾驶室内，实时接收从数据模块发送过来的当前采样时刻及其所对应的碾轮振动的基频及压实指标值CV，并在液晶屏上显示当前采样时刻的压实指标值CV和碾轮振动基频，供碾压机司机查看，以辅助其操作；若当CV值未达到设定的控制标准时，需进行补碾、降低碾压机行车速度或改变碾压机振动频率等措施，以确保坝料压实质量。数据处理模块主要由FLASH存储器、RAM存储器、CPU构成，GPS定位模块发送过来的当前采样时间及其对应的碾压机位置坐标，以及碾轮加速度监测模块发送过来的碾轮振动加速度频谱数据及当前采样时间放入FLASH存储器中进行缓存，RAM存储器用来临时存贮数据，再通过缓存，把上 述数据通过“栈”的方式发送给CPU，由CPU对数据进行计算和处理，CPU的计算和处理包括 (I)根据碾轮振动加速度频谱数据及对应的采样时刻，可分析得到当前采样时刻的碾轮振动的基频及压实指标值CV，具体分析过程如下首先，比较当前采样时刻加速度信号的各种频率及其对应的幅值，找出最大幅值所对应的频率即为碾压机振动的基频。然后，计算压实质量的表征指标CV，即
权利要求
1.一种土石坝坝料压实质量实时监测装置，其特征是，包括碾轮加速度监测模块、GPS定位模块、数据处理模块； 碾轮加速度监测模块的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；加速度传感器采集到的碾压机碾轮加速度时域模拟信号经信号模数转换，转换成时域数字信号，进而将加速度时域数字信号进行快速傅里叶变换(FFT)，得到碾轮振动加速度的频谱数据，然后将加速度频谱数据和当前采样时间传输到数据处理模块中； GPS定位模块包括GPS接收机、GPS卫星天线和差分无线电天线，GPS卫星天线安装在碾压机上，用于接收GPS信号，以确定碾压机的位置，GPS定位模块安装在尽量靠近碾轮中心点，差分无线电天线用于接收GPS基准站的差分信号，用于GPS接收机作实时动态差分(Real-time Kinematic, RTK),用于获得碾压机的实时位置坐标,并将当前采样时间及其相应的碾压机位置坐标传送到数据处理模块； 数据处理模块根据接收到的碾轮振动加速度频谱数据及对应的采样时刻，分析计算当前采样时刻的碾轮振动的基频及压实指标值CV;并将从GPS定位模块接收到的当前采样时间及其对应的碾压机位置坐标，计算得到的基频和CV，以及由该数据处理模块的标识码ID确定的所安装碾压机的标识进行输出。
2.如权利要求1所述的土石坝坝料压实质量实时监测装置，其特征是，还包括有无线传输模块(DTU)、车载显示模块、碾压机电源模块和数据库服务器；无线传输模块(DTU)将数据处理模块发送过来的当前采集时间及其对应的碾压机位置坐标、碾压机标识、当前采样时刻的基频和CV值实时地传送到远程数据库服务器中，以备后续质量评估与控制应用； 碾压机电源模块通过将碾压机自身的电源电压转化成数据处理模块所需要的电压并供给数据处理模块，数据处理模块根据GPS定位模块、车载显示模块、无线传输模块(DTU)及碾轮加速度监测模块所需的不同电压，经变压后再分别向各模块供电； 车载显示模块安装在碾压机驾驶室内，实时接收从数据模块发送过来的当前采样时刻及其所对应的碾轮振动的基频及压实指标值CV，并在液晶屏上显示当前采样时刻的压实指标值CV和碾轮振动基频，供碾压机司机查看，以辅助其操作；若当CV值未达到设定的控制标准时，需进行补碾、降低碾压机行车速度或改变碾压机振动频率等措施，以确保坝料压实质量。
3.如权利要求1所述的土石坝坝料压实质量实时监测装置，其特征是，数据处理模块主要由FLASH存储器、RAM存储器、CPU构成，GPS定位模块发送过来的当前采样时间及其对应的碾压机位置坐标，以及碾轮加速度监测模块发送过来的碾轮振动加速度频谱数据及当前采样时间放入FLASH存储器中进行缓存，RAM存储器用来临时存贮数据，再通过缓存，把上述数据通过“栈”的方式发送给CPU，由CPU对数据进行计算和处理，CPU的计算和处理包括 (I)根据碾轮振动加速度频谱数据及对应的采样时刻，可分析得到当前采样时刻的碾轮振动的基频及压实指标值CV，具体分析过程如下首先，比较当前采样时刻加速度信号的各种频率及其对应的幅值，找出最大幅值所对应的频率即为碾压机振动的基频。然后，计算压实质量的表征指标CV，即上式中，A0, A2分别为加速度频谱信号中基频和二次谐波即二倍基频对应的幅值；n为常数。CV值越大，压实质量越好。根据设计所要求的坝料压实质量，设定CV的控制标准值； (2)将当前采样时间及其对应的碾压机位置坐标、基频和CV，以及由该数据处理模块的ID确定的所安装碾压机的标识传输给无线传输模块(DTU)及车载显示模块。
4.如权利要求1所述的土石坝坝料压实质量实时监测装置，其特征是，无线传输模块(DTU)将数据处理模块发送过来的当前采样时间及其对应的碾压机位置坐标、碾压机标识，以及当前采样时刻的基频和CV实时地通过GSM(Global System of Mobilecommunication,全球移动通信系统)通讯模块传送到远程数据库服务器中，该模块工作过程具体如下 无线传输模块(DTU)由FLASH存储器、RAM存储器、CPU、GSM通讯模块构成，数据处理模块传输过来的数据放入FLASH存储器中，再通过缓存，把数据以“栈”的方式发送给CPU，其中，RAM存储器用来临时存贮数据。接着，CPU对数据进行IPdnternetProtocol，网络之间互连的协议)化，并把IP数据包交给GSM通讯模块，然后GSM通讯模块根据定制的TCP/IP协议，按一定的时间间隔，将当前采样时间及其对应的碾压机位置坐标，碾压机振动基频及CV,碾压机标识等数据通过GPRS (General Packet Radio Service,分组无线服务技术)网络发送到远程数据库服务器。
5.如权利要求1所述的土石坝坝料压实质量实时监测装置，其特征是，碾轮加速度监测模块中对经模数转换得到的碾压机时域数字信号f(t)，属非周期信号，采用傅里叶变换形式表示为
全文摘要
本发明涉及水利水电工程领域大坝施工质量控制领域，为提供适用于土石坝坝料的，既能实现坝料压实质量实时监测，又能将监测信息远程发送至数据库可供后续质量评估应用，并能实现工地远程监控的装置，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，土石坝坝料压实质量实时监测装置包括碾轮加速度监测模块、GPS定位模块、数据处理模块，碾轮加速度监测模块的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；加速度频谱数据和当前采样时间传输到数据处理模块中。本发明主要应用于水利水电工程。
文档编号E02D3/046GK103061323SQ201310036698
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月30日 优先权日2013年1月30日
发明者刘东海, 王爱国 申请人:天津大学