一种高精度的模量类智能压实计量指标的测量和计算方法

1.本发明属于道路工程智能压实检测技术领域，具体涉及一种高精度的模量类智能压实计量指标的测量和计算方法。


背景技术：

2.智能压实检测技术是通过在压实设备上配备一系列传感器，检测压实设备的动力学响应(主要是振动压路机钢轮的质心加速度)，再根据动力学响应与材料压实质量之间的联系，提炼出相应的智能压实计量指标以反映压实质量。相对于传统的环刀、灌砂等压实质量检测方法，智能压实检测技术具有连续、快速、全面、无损等优势。
3.智能压实检测技术的核心在于根据实测动力学响应提炼出合适的压实计量指标，当前市场上常用的压实指标包括cmv、ccv、ks以及e
vib
等。其中，振动模量e
vib
是唯一的只与材料性质相关的绝对压实指标，且与工程常用的回弹模量物理意义相同，具有极大的发展潜力。但现有的e
vib
计算方法精度不高，与实际模量对应性差，为此本发明对该指标的计算方法进行了改进。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种高精度的模量类智能压实计量指标的测量和计算方法，该指标的计算方法是在原有振动模量e
vib
基础上的改进，以提高利用e
vib
反映工程实际回弹模量的准确性。
5.为了实现上述技术目的，采用以下步骤来进行e
vib
的计算：
6.一种高精度的模量类智能压实计量指标的测量和计算方法，采用如下步骤：
7.步骤1：采集原始信号：利用压路机振动轮中心轴上的加速度传感器以及位置传感器，采集钢轮振动的竖向加速度以及钢轮偏心块的相位，所述加速度传感器的采样频率宜≥1000hz，量程≥
±
8g；
8.步骤2：利用加速度信号反算振动轮的位移信号：采用分段的二次积分法进行计算；
9.步骤3：计算钢轮与被压实结构的接触力：先根据偏心块位置传感器的监测结果确定激振力的相位，其中，激振力是偏心块旋转产生的离心力的竖向分力，在激振频率一定的情况下，激振力的大小只取决于偏心块的位置，所以监测偏心块位置便可确定激振力的相位，然后根据下式计算振动轮与被压实结构的接触力：
[0010][0011]
式中，fc表示接触力，fe表示激振力的峰值，ω表示激振频率，表示零时刻激振力的相位，md和mf分别表示振动轮和振动轮分配的机架质量，a表示振动轮的竖向加速度，以向上为正；
[0012]
步骤4：计算刚度系数ka和kb：根据步骤2和步骤3中的位移和接触力数据，可以得到接触力-位移滞回曲线。ka是该曲线中，加载区段位移零点处对应的切线斜率，计算时用附
近点的割线斜率代替；kb是曲线中位移最大值点与振动轮静平衡位置点连线的斜率；在计算刚度系数时，位移以向下为正；每个激振周期内都可得到一个刚度系数的计算结果，最终取计算区间内各周期结果的均值；
[0013]
步骤5：计算振动模量e
vib
：先将刚度系数ka和kb分别转换为三维模量e
vib
(ka)和e
vib
(kb)，然后对这两者取均值即可得到修正后的e
vib
指标。
[0014]
作为更进一步的优选方案，步骤2中使用了改进的二次积分法，具体计算方法如下：
[0015]
(1)去除计算区间内原始加速度信号的直流分量：选取一定长度的信号作为计算区间，在计算区间中进一步截取一定长度的加速度信号，所截取的长度应当为钢轮激振周期和传感器采样周期的公倍数；计算截取区间内原始加速度信号的均值，将其视作直流分量的估计并从原始信号中去除，加速度信号理论上直流分量为零，但因为测量误差的影响，实测信号可能并非如此，因此需要去除；直流分量是整个加速度曲线的均值，但实测的只是有限个数据点，因此这些数据点的均值是直流分量的估计,，如下式所示：
[0016][0017][0018]
式中，a表示加速度信号值，n和n
′
分别表示截取区间和计算区间内采样点的数目；
[0019]
(2)将处理后的加速度信号进行数值积分以计算速度信号：每次仅对计算区间内单个周期的数据点进行积分，然后进行积分常量的修正，修正完成后再对各周期的数据进行拼接；积分常量的修正参照单周期内信号积分面积为零的原则，积分面积的计算方法如下：
[0020][0021][0022]
式中，v表示积分得到的速度信号，s表示单周期的积分面积，s1表示激振周期内截取整数个采样周期后残余区段的面积，α表示残余区段相对于采样周期的比例长度，n表示依次选取的采样点数，α和n的计算公式如下：
[0023][0024]
上式中，fs和fe分别表示采样频率和激振频率。在得到积分面积后，积分常量可按下式进行计算，并将其从速度信号中去除：
[0025][0026]v′i＝v
i-δv,i＝1,2,n
[0027]
(3)根据速度信号的积分计算位移信号，计算方法与步骤(2)相同；
[0028]
作为更进一步的优选方案，步骤5中ka和kb与e
vib
(ka)和e
vib
(kb)的转换方法如下：
[0029][0030][0031]
上式中，ν表示压实材料的泊松比，l和r分别表示振动轮的宽度和半径，fm表示位移最大值点对应的接触力，g表示振动轮及其分配机架的总质量；利用上述关系式，再通过迭代法即可得到e
vib
(ka)和e
vib
(kb)。
[0032]
作为更进一步的优选方案，步骤1中，所述位置传感器为霍尔效应传感器。
[0033]
综上所述，本发明的有益效果：
[0034]
(1)本发明对利用加速度信号来反算位移的二次积分法进行了改进，避免了位移信号基线的偏移和扭曲。传统二次积分法在进行积分常量的修正时，直接以计算区间内信号的均值作为修正量，但一方面，整个计算区间内信号点的均值与积分常量未必对应，另一方面，信号点的随机误差会在二次积分过程中累积并放大，过长的积分区间会导致位移波形基线出现扭曲。为此本发明采用了单周期积分然后拼接的方法，减小了随机误差累积的影响，并用积分面积代替均值进行积分常量的估计，可以提高准确性，避免了基线的偏移。
[0035]
(2)本发明对刚度系数转化为e
vib
的计算方法进行了改进，提高了模量反算结果的精度。现有e
vib
指标是根据刚度系数ka进行转换，但转换关系式精度不高，与力学模型的实际模量并不对应，因为ka本身依据的是单(双)自由度动力学模型，与实际多自由度甚至无限自由度体系有所差异。本发明在转换关系式中对该差异进行了修正，同时推导出了kb转化为e
vib
的方法，并将这两者取平均，提高了指标的精度和稳定性。
附图说明
[0036]
图1为振动压实有限元模型示意图；
[0037]
图2为有限元仿真得到的加速度信号；
[0038]
图3为二次积分时按均值法进行积分常量修正后得到的结果示例；
[0039]
图4为二次积分时按周期分段积分并用面积法进行修正后得到的结果示例；
[0040]
图5为接触力-位移曲线及ka和kb两种刚度系数的计算方法示意。
具体实施例
[0041]
下面结合具体实施例和说明书附图进一步阐明本发明的内容。
[0042]
借助有限元仿真的手段对改进二次积分法以及改进指标的效果进行说明。基于平面应变的假定建立振动压实有限元模型，如图1所示。其中压实轮相关参数的选择参考徐工xs263j型单钢轮振动压路机(激振周期为32hz)，压实材料使用纯弹性的假定，有限元模型的计算精度利用lundberg理论解进行了验证。
[0043]
首先，对于二次积分法，以压实材料的模量为100mpa时为例，利用有限元仿真得到
的压实轮质心加速度数据来反算位移信号(加速度信号如图2所示，采样频率为1000hz，计算区间取为0.5s)。利用梯形公式可对离散的加速度数据进行积分，但积分过程中会产生积分常量。为对积分常量进行修正，传统方法采用了去均值的做法，即将积分后计算区间内所有的数据点都减去总体的均值(类似于权利要求2中第(1)步的做法)，但这种方法精度并不高。图3给出了按传统均值法进行积分常量的修正时得到的计算结果，可以看到位移峰值并不稳定，其波形的基线出现了扭曲。这是因为加速度信号和速度信号的随机误差无法通过取均值进行消除，在长时间的积分过程中，这种误差会通过累积被放大。
[0044]
为了克服这一缺陷，本发明提出了分段的二次积分法，即每次仅选取近似一个周期的数据点进行积分，在本例中为个数据点。然后依照单个周期内信号积分面积为零的原则进行积分常量的修正，注意计算积分面积时一个激振周期包含有31个采样周期和0.25个残余周期(对应上文中s1)。修正完成后依次拼接各周期的数据，即可得到波形较为稳定的积分结果。图4给出了利用本发明中的方法进行二次积分后的结果，可以看到位移信号的波形十分稳定，改进积分方法的效果较为显著，这为保障后续指标计算的精度奠定了基础。
[0045]
其次，对于改进指标，在修正前，直接依据力学模型推导得出的转换关系式如下：
[0046][0047]
根据积分得到的位移信号以及按照步骤3计算得到的接触力信号，可以绘制如图5所示的接触力-位移滞回曲线，并计算出刚度系数ka和kb(一般情况下，每个周期都会形成一个滞回曲线，因此最终需要将各个周期的结果取均值)。将ka代入上式并进行迭代运算后，得到的不同压实材料模量条件下e
vib
的计算结果，并与有限元中压实材料模型的实际模量进行比较。可以看到，改进前e
vib
与实际模量的相对误差大都在20％～40％之间，相对较为显著，e
vib
指标值与实际模量并不能对应。表2给出了将ka和kb代入本发明中修正公式后得到的计算结果。可以看到，改进后指标的计算精度得到了很大的改善，与有限元中压实材料实际模量的误差均在10％以内。相对于现有计算方法，本发明提供的改进指标与实际模量的对应性更好，更能发挥出振动模量指标在力学上的优势。
[0048]
表1修正前不同压实材料模量条件下e
vib
的计算结果
[0049]
[0050]
表2不同压实材料模量条件下改进e
vib
指标的计算结果
[0051][0052]
最后，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。