专利名称：压实度的随车测试方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及安装在一种以鼓轮一面沿着其支承基础滚动，一面绕其轴心摆振(即绕其轴心顺时针和逆时针交变摆动)的方式(以下简称振荡压实方式)来压实基础的机具上，用来测量压实程度的随车监测装置的测试方法和实现这一方法的手段。
传统检查压实度的方法，诸如环刀法、灌沙法、水泡法等，都是在压实结束后再对土壤进行抽样检查。这些方法都要依靠细心熟练的手工操作，费工、费时，且只能提供在数量有限的测试点上获得的结果，因而往往带有较大的随机性。同时，传统的方法也不能在压实进行的过程中获得压实度的信息，因而在压实不足时只能返工再压，而在过度压实时则白白浪费能量。
因此长期以来人们一直希望有一种安装在机器上的随车监测装置，能在压实工作进行的过程中连续测量基础材料被压实的程度。
七十年代以来已先后有几种随车监测装置问世，例如在世界专利W082/01905，瑞典专利SE424455(瑞典Dynapac公司)，美国专利US4103554介绍的压实计以及联帮德国Bomag公司研制的BTM测量仪。它们都是安装在振动压路机上用于在振动压实过程中测量压实度的随车监测装置。
八十年代初出现了按新的振荡压实原则工作的压路机，它利用交变的激振扭矩所激起的鼓轮的交变摆动运动来压实基础。
由于振荡压实的机理与振动压实的机理是完全不同的，因此所有上述应用于振动压路机上的压实度随车监测置都不能用于按振荡压实原则工作的压实机具上，1986年公布的世界专利W086/03237是迄今为止唯一的一项涉及安装于此种类型压实机械上的压实度随车监测装置的发明。
W086/03237专利所介绍的振荡压实计的测量原理是基于鼓轮轮心在沿平行于基础平面并垂直于轮轴方向上的加速度在零点附近的曲线为一正弦曲线这一认识的基础上建立起来的，通过对这一加速度在零点附近的信号进行适当的处理可以获得上述正弦曲线的幅值，而后者则是和基础刚度成正比的，从而可以用来估计基础的压实程度。在专利W086/03237中提出了两种处理方法来获得上述正弦曲线的幅值，一种是利用检测信号过零点的斜率与周期的乘值来计算其幅值，另一种是利用对在零点附近曲线线段进行拟合的方法来获得正弦曲线并计算其幅值。为于避免由于鼓轮动平横不良所引起的检测信号的周期性波动同时也为了平滑各个周期间信号之波动，专利W086/03237建议在鼓轮滚动的多个完整周期内进行信号的一均化处理。采用了带通和低通滤波器来消除高频和低频的干扰。轮心沿平行于基础平面又垂直于轮轴方向的加速度和鼓轮的转速分别由安装在轴承中心的加速度计和一感应式的传感器来检测。被检测的信号通过一带微处理器的计算单元来实现上述各种处理和计算，并最后将结果显示在指示仪表上。
由于采用幅值域的数值作为估计压实度的参数而振幅又是通过斜率的计算或曲线拟合方法获得的，因而对于干扰较为敏感而需要进行较多的计算和统计处理工作，硬件结构也比较复杂。
本发明的目的在于提供一种简单而可靠的应用于按振荡压实原则工作的压实机具上的随车监测系统。它能在振荡压实的过程中连续、有效地测定基础所达到的压实度。
实现本发明目的之方法是在分析了振荡压实数字模型之基础上，根据“在鼓轮绕轴心的摆振运动和轮心沿平行于基础并垂直于轮轴方向的振动运动之间存在着时间的滞后和相位差，并且随着基础的逐步压实，鼓轮与基础间的滑转逐步增大，而两运动之间的时间滞后和相位差也逐步增大直至达到一稳定值”这一原理提出的。这一方法的特点是通过测量鼓轮绕轴心的摆振运动和轮心沿平行于基础并垂直于轮轴方向的振动运动之间的时间滞后或相位差来直接估计鼓轮与基础之间的滑转程度，和估计基础的压实程度。这一估计是通过将在某一压实程度下在某一时刻或某一时间间隔内确定的两运动之相位差与某一参考值相比较来实现的。这一参考值可以是在标准压实程度下测得的两运动之间的相位差，也可以是在另一压实程度下测得的相位差。前者可给出对压实度绝对值的估计，而后者则将给出压实度的某种相对估计。
由于采用相位差作为估计的参数，它们对干扰的敏感性要比幅值域的参数小得多，而且不必进行曲线拟合而可直接获得，因而试验结果的稳定性好，这是本方法的重要优点。
为了实现这一方法，本发明采用了一个包括三个传感器和一个处理器的装置，在三个传感器中有两个传感器用来感受鼓轮绕轴心的摆振运动，另一个用来感受鼓轮的水平振动运动。处理器用来计算两运动间的相位差或时间滞后，它有三种方案可供选择一种是直接计算两波形过零点的时间差;另一种是按离散富里叶变换的方式来计算两信号的相位差;第三种是按互相关函数来计算两信号间的时间滞后。
本发明的详细描述将参考附图进一步加以说明。附图之图面说明如下
图1表明了振荡轮工作和信号检测的示意图。
图2表明了在鼓轮与基础之间没有滑转时鼓轮摆振运动和轮心水平振动运动的波形。
图3表明了在鼓轮与基础之间存在一定滑转时鼓轮摆振运动和轮心水平振动运动的波形。
图4a、4b、4c分别表明了对所检测的鼓轮摆振运动和轮心水平运动信号进行信号处理的三种方法。
图5表明了按振荡压实的方式在不同刚度的基础上工作时利用本发明提出的方法和装置测得的不同的相位差。
图6表明了按振荡压实方式压实土壤时利用本发明所提出的方法和装置测得的相位差随压实遍数而变化的函数关系。
图1是振荡轮工作的示意图。振荡轮在工作时由于交变扭矩的激振作用将引起鼓轮5绕其轴心的摆振运动。这种摆振运动将使鼓轮与基础6之间产生交变的摩擦力。由于鼓轮的轮轴是用像胶减振块与机架弹性地悬挂起来的，因此在鼓轮绕其轴心作摆振运动(简称鼓轮的摆振运动)的同时还会激起鼓轮轮心沿平行于基础并垂直于轮轴7的方向的振动运动(简称轮心的水平振动运动)(见图1)。
当激振力不大而鼓轮与基础之间的摩擦力小于其静摩擦力(附着力)时，在一定条件下(这一条件在现实中通常总是满足的)，鼓轮的摆振运动与轮心的水平振动运动之间保持着一基本不变的原始相位差，如将时间轴的座标相对移动一相应的时间差，则两运动之间将是同步的(见图2)。
在振动力较大的情况下，鼓轮与基础之间将会发生一定的滑转，从而破坏了鼓轮的摆振运动与轮心水平振动的同步关系，而引起两者之间附加的时间滞后和附加的相位差，并且滑转愈大则两者之间附加的时间滞后和相位差也愈大(见图3)。
对于实际的压实过程，由于松土逐步被压实，基础的水平剪切刚度是逐渐增大的，在开始时，由于基础刚度较小，在鼓轮与基础之间基本上不滑转或滑转很小，此时在鼓轮的摆振运动与轮心的水平振动运动之间在消去了原始相位差后基本上是同步的或者相位差很小。随着压实程度的增大，在激振力矩M＝MASinωt的作用下，鼓轮与基础之间的滑转量也余益增大，从而引起两运动之间时间滞后和相位差的愈益增大。当基础压实到一定程度，压实度不再增大时，滑转量与相位差也将稳定在某一量值上。因此两运动之间的时间滞后或相位差可用来估计基础的压实程度。上述两运动之间的相位差不仅可以用它们位移之间的相位差来表示，而且也可用它们的速度，加速度之间的相位差来表示。
为了获得这一相位差，需要检测两个信号，其中鼓轮轮心沿平行于基础并垂直于轮轴方向的振动运动可采用一安装在过鼓轮轮轴并与基础平行的平面内的加速度传感器3，并使它的轴线与轮轴相垂直(见图1)。这种安装方式将使传感器3只感受轮心平行于基础并垂直于轮轴方向的振动运动，而不感受鼓轮与绕其轴心摆振的运动。
鼓轮绕其轴心摆振信号的检测较为复杂。这是因为当鼓轮在滚动时，安装在其上的加速度传感器不仅将感受滚轮摆振的加速度而且还将感受水平和垂直方向加速度在滚轮切线方向的分量。为了从这些加速度中检测出摆振加速度，本发明采用图1所示方案解决这一问题。
在过鼓轮5的轮轴的平面内(图1之平面A)，并与轮心对称的位置上，安装两个加速度传感器1与2。两个传感器的底座平面应与平面A一致，并使它们在鼓轮绕其轴心摆动的某一瞬时所感受的切向加速度，大小相等而方向则或者都是指向底座平面的，或者都是离开底座平面的。为了增大传感器所感受的摆振信号，传感器1、2应安装在轮心较大的半径处，例如在接近轮缘的地方。传感器1与2作感受的信号经合成后输出。此时由两传感器感受的鼓轮水平和垂直振动的信号ax和ay将相互抵消，而只留下鼓轮绕轴心摆动的信号aT。如图4所示传感器1感受的加速度信号为a1＝aT-axSinθ，传感器a2感受的加速度信号a2＝aT+axSinθ，则合成的结果为a1+a2＝2aT。由于振荡轮是在不断滚动的，所以合成的加速度信号将通过安装在振荡轮上的集电器4输给处理装置5。
对所检测的振荡轮的摆振运动和轮心的水平振动运动的信号进行适当的处理后可确定两者之间的时间滞后或相位差。信号处理的方法有三种方案。
方案一是首先确定在一个周期内两信号过零点的时刻，相减后获得一时间差△t，对在若干周期内获得的时间差进行平均化处理后可得一平均的时间差△t，它即代表了两信号之间的相位差。
图4a是按上述方法进行信号处理的框图，从过滚轮中心的平面A内沿轮沿切线方向相向设置的加速度传感器(1)和(2)所得信号经合成后被送至电荷放大器(8)放大，同时轮心水平加速度(3)也经另一电荷放大器(8)放大。数据处理装置为先将两正弦波整形变为方波(9)，同时将第二波形反向(15)，再与第一波形相与得一如图4a(10)所示的脉冲波()，其脉冲宽度就为两波形之间的时间滞后。平均化处理则可由微处理器完成，也可由积分电路求得。
第二种方案是对两信号进行数字离散化后通过离散富利叶变换按虚部和实部之比直接求取在振荡频率处的相位角，从而确定两信号之相位差。
图4b是按此种方法进行信号处理的框图。DFT处理由处理器(13)完成，先进行两通道的离散化处理，采样后分别按两通道作DFT计算，求得基波(振荡频率)处的相位角，两相位角的差值就为要求的△θ。
第三种方案是对两信号作数字离散化后进行互相关函数的处理，从而求取两信号的时间滞后值，这一滞后值即代表了两信号间的相位差。
图4c是此种方法进行信号处理的框图。由处理器14对两信号进行互相关处理，求互相关系数最大处的时间差即为对应两波形之间的相位差。
按照本发明提出的方法在软像胶，半压实土壤和木板基础上所做的试验表明，在没有滑转的弹性基础上和在有一定滑转的土壤基础上以及在有很大滑转的刚性基础上，摆振加速度和轮心水平加速度之间的相位差在数值上是有很大不同的(见图5)。
图6是按照本发明的方法在压实土壤的过程中获得的试验结果。从图中可看到压实遍数的增加相位差也在不断增长并趋向于平稳。这一曲线与用传统方法测定的土壤密实度随压实遍数而增加的曲线是一致的。
权利要求
1.用于以鼓轮一面沿着其支承基础滚动，一面绕其轴心交变振动的方式来进行压实作业的机具上，并在压实过程中估计压实程度的方法，其特征是(1)感受鼓轮绕轴心的摆振运动和轮心沿平行于基础并垂直于轮轴方向的摆振运动，并确定这两运动之间的相位差；(2)这一相位差随基础压实程度的增加而不断增大，而且与压实程度增长的曲线是一致的；(3)通过将在某一压实程度下在某时刻或某一时间间隔内确定的两运动之间的相位差与参考值相比较来估计基础的压实程度，这一参考值是在另一压实程度下或标准压实程度下在某一时刻或某一时间间隔内确定的两运动之相位差。
2.根据权利要求1，所述的方法，其特征是鼓轮轴轴心的摆振运动和轮心沿平行于基础并垂直于轮轴方向的振动运动的相位差用它们的加速度之间或速度之间或位移之间的时间滞后或相位差来代表。
3.根据权利1、2所述的方法，其特征是上述两运动之间的相位差用它们之间的加速度或速度或位移的过零点的时刻之差来表示，这一时间差由在一个周期内或若干周期内获得的平均值来确定。这一相位差也可用对它们的加速度或速度或位移在一段时间间隔内进行富利叶变换处理直接求取在振荡频率处的相位角来确定，或者进行互相关函数处理求取两信号之间的时间滞后来确定。
4.根据权利1、2所述的方法，其特征是用鼓轮绕轴心的摆振运动和轮心沿平行于基础并垂直于轮轴方向的振动运动之间的相位差随压实遍数的增加而不断增大直至一稳定值的曲线来估计基础的压实程度，并通过对这一相位差与基础密实度函数关系的标定将上述曲线转换为密实度随压实遍数而增大的曲线。
5.根据权利3、4所述的方法，其特征是上述两运动之间的时间滞后或相位差也用来估计鼓轮与其所支承的基础间的滑转程度。
6.一种利用权利要求1所述方法，用于以鼓轮一面沿着支承基础滚动，一面绕其轴心交变摆振的方式来进行压实作业的机具上的随车监测装置，它是由传感器部分(1、2、3)和处理装置16(包括8、9、10、11、12、13、14、15)和显示仪表17组成的，其特征是传感器1和2感受鼓轮绕其轴心的摆振运动，传感器3感受轮心沿平行于基础并垂直于轮轴方向的运动，并将它们转换成电信号，处理装置16通过8、9、10、11、15或8、12、13或8、12、14、产生一代表两运动之间相位差的量，这一量即用来估计压实的程度并在显示仪表17上显示出来。
7.根据权利要求7所述的装置，其特征是传感器1和传感器2安装在过鼓轮轮轴的平面A内(见图1)，并与轮心对称的位置上。它们的底座平面与平面A一致，并使它们在鼓轮5摆振的某一瞬时所感受的切向加速度，大小相等而方向则或者都是指向底座平面的，或者都是离开底座平面的。传感器3安装在过鼓轮轮轴并与基础平行的平面内，并使它的轴线垂直于轮轴。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征是将传感器1和2的信号先合成后再输给处理装置16，而传感器3的信号直接输给处理装置16。在处理装置16中用两个过零比较器分别检测传感器1和2的合成信号的过零点和传感器3信号的过零点，然后采用一与门10来确定两者间的相位差，最后利用处理器11进行平均化处理。也可采用处理器13或14将来自传感器1和2的合成信号和来自传感器3的信号经采样后直接完成离散富里叶变换或互相关函数处理以获得两信号的相位角及其差值或两信号之间的时间滞后。
全文摘要
本发明涉及安装在一种以鼓轮一面沿着其支承基础滚动，一面绕其轴心摆振(即绕其轴心顺时针和逆时针交变摆动)的方式(以下简称振荡压实方式)来压实基础的机具上，用来测量压实程度的随车监测装置的测试方法和实现这一方法的手段。本发明的目的在于提供一种简单而可靠的应用于按振荡压实原则工作的压实机具上的随车监测系统。它能在振荡压实的过程中连续、有效地测定基础所达到的压实度。
文档编号E02D1/02GK1042992SQ8810831
公开日1990年6月13日 申请日期1988年11月29日 优先权日1988年11月29日
发明者卫雪莉 申请人:西安公路学院