CN101464239A - 沥青路面层间剪切强度检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沥青路面层间剪切强度检测仪，包括底座、驱动电机、由驱动电机通过传动件带动剪切件剪切试样的推动件及对剪切力进行实时检测的力传感器，所述传动件安装在底座上，还包括对力传感器所检测信号进行分析处理并根据处理结果相应对驱动电机进行控制的数据采集及控制系统以及与所述数据采集及控制系统相接的上位机，所述驱动电机为步进电机，所述数据采集及控制系统为MSP430单片机且其与所述上位机之间通过USB接口进行双向通信。本发明机械结构合理、体积小、重量轻且自动化程度高、使用操作简便，能有效对被检测剪切件进行实时监测和控制且测试精度大大提高。

Description

沥青路面层间剪切强度检测仪

技术领域

本发明涉及一种测试剪切强度的仪器，尤其是涉及一种沥青路面层间剪切强度检测仪。

背景技术

根据沥青路面的施工特点，首先施工完成碎石层，接着再在所形成碎石层上撒乳化沥青后铺设沥青基层，之后在所铺设沥青基层上撒乳化沥青后铺设沥青面层，因此，在碎石层与沥青基层之间便会形成游历粘结层，并且在沥青基层与沥青面层之间也会形成面层粘结层。据资料统计分析，上述两个粘结层对路面的使用性能影响很大。因此，控制施工过程中粘结层的施工质量具有重要的意义。实践中，评定粘结层质量的指标大多采用的是粘结层的抗剪强度和粘结强度。

对沥青路面层间剪切强度进行检测的电动剪切仪，主要由机械机构以及与该机械结构配套使用的数据采集和分析系统组成，但现有电动剪切仪的机械结构部分或多或少存在重量重、使用不便等缺陷，不能实现室内、室外均能进行试验两种功能，而其数据采集和分析系统也不同程度地存在测试精度较低且自动化程度不高等不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种沥青路面层间剪切强度检测仪，其机械结构合理、体积小、重量轻且自动化程度高、使用操作简便，能有效对被检测件进行实时监测和控制且测试精度大大提高，同时在室内室外均能进行试验。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种沥青路面层间剪切强度检测仪，包括底座、驱动电机、由驱动电机通过传动件带动剪切件进行剪切试样的推动件以及对剪切件作用在被测试试样上的剪切力进行实时检测的力传感器，所述传动件安装在底座上，其特征在于：还包括对力传感器所检测信号进行分析处理并根据处理结果相应对驱动电机进行控制的数据采集及控制系统，以及与所述数据采集及控制系统相接的上位机；力传感器接所述数据采集及控制系统，所述驱动电机为步进电机，所述数据采集及控制系统为MSP430单片机且其与所述上位机之间通过USB接口进行双向通信。

所述MSP430单片机为MSP430F14x系列单片机。

所述MSP430单片机为单片机MSP430F149。

所述传动件包括由步进电机进行驱动的蜗轮蜗杆以及与所述蜗轮蜗杆通过螺纹进行连接的水平向螺杆；力传感器安装在螺杆与所述推动件之间；所述推动件由水平向推动杆和通过上下滑动带动剪切件进行剪切试样的滑套，推动杆一端与螺杆相接且其另一端与滑套固定连接，滑套套装在所述被检测剪切件外侧；所述水平向推动杆外侧套装有导座且导座安装在底座上。

所述推动件上设置有回零机构。

所述蜗轮蜗杆通过箱体固定在底座的上方左部，螺杆与所述蜗轮蜗杆之间通过梯形螺纹进行连接，力传感器和推动杆之间通过顶杆进行连接，所述力传感器、推动杆以及滑套从左至右依次连接固定在螺杆右端。

所述步进电机通过同步带驱动蜗杆动作，螺杆对应套装在蜗轮和箱体内部且其与箱体之间通过止推轴承进行连接。

所述蜗轮位于箱体内部中部，所述止推轴承的数量为两个且其分别套装在蜗轮和蜗轮左右两侧的箱体之间。

所述剪切件下部为半圆柱状且其与被测试试样相接触，剪切件上部为圆柱状且其套装在滑套内部。

还包括对所述被测试试样位移进行实时检测的位移传感器，所述位移传感器接所述数据采集及控制系统。

本发明与现有技术相比具有以下优点，1、主要由机械机构以及与该机械结构配套使用的数据采集和分析系统组成，其机械结构简单合理且各部分连接紧凑，主要存在以下优点：①结构简单、合理，主要采用传递力矩大的蜗轮蜗杆传动副和丝杠螺母传动副；②重量轻，其上部箱体即箱体和下部底座均采用铝合金制造，只有内部受力部分采用45钢制造，因而仪器总重量小于15千克，携带和搬运非常方便；③除能够方便完成现场试验外，本检测仪在底座上安装了室内试验试样卡头，因而能够在室内完成试验，并且卡头结构简单，容易操作；④剪切件的高度可以根据需要随时调整，适用于不同高度粘结层试验的需要；另外，剪切件结构为半圆形构件，试验时受力面小，容易与试样切紧，保证粘结层实现水平面剪切。2、数据采集和分析系统具体采用MSP430单片机，它是一种16位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signel Processor)，其将许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案，其主要特点有：①超低功耗，MSP430系列单片机堪称目前世界上功耗最低的单片机，其应用系统可以做到用一枚电池使用10年；②强大的处理能力，MSP430系列单片机是16位单片机，采用了精简指令集(RISC)结构；③高性能模拟技术及丰富的片上外围模块；④系统工作稳定，MSP430单片机均为工业级器件，运行环境温度-40～85℃，运行稳定且可靠性高；⑤方便且高效的开发环境，目前应用较为广泛的是FLASH型，器件内部有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，可以通过JTAG接口将程序下载到FLASH内，同时也可以JTAG接口控制程序运行、读取片内CPU状态，整个开发过程可在同一个软件集成环境中进行。3、数据采集和分析系统与上位机之间通过USB接口进行双向通信，总之，本发明能够实现对剪切力与位移等各种数据进行实时地采集分析与处理，其数据检测部分主要利用USB软、硬接口技术，实现了计算机即上位机的实时检测和控制功能，同时开发相应的计算机应用程序，实现了测试仪的自动化程度；另外，本发明不仅能够应用于施工现场实时检测，而且还可以应用于实验室室内试验，不仅能够完成采集数据而且还具备实时显示的功能，可以看到剪切强度随位移变化的曲线，提高了测试的精度和自动化程度。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明数据采集及控制系统的电路原理图。

附图标记说明：

1—底座；         2—箱体；           3—蜗杆带轮；

4—蜗杆；         5—止推轴承；       6—螺杆；

7—蜗轮；         8—步进电机；       9—同步带；

10—力传感器；    11—推动杆；        12—定位钉；

13—剪切件；      14—滑套；          16—导座；

17—顶杆；        18—位移传感器；    19—回零调整杆；

20—零点调节螺母。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括底座1、驱动电机、由驱动电机通过传动件带动剪切件13进行剪切试样的推动件、对剪切件13作用在被测试试样上的剪切力进行实时检测的力传感器10以及对所述被测试试样位移进行实时检测的位移传感器18，所述传动件安装在底座1上；还包括对力传感器10所检测信号进行分析处理并根据处理结果相应对驱动电机进行控制的数据采集及控制系统，以及与所述数据采集及控制系统相接的上位机；力传感器10和位移传感器18均接所述数据采集及控制系统，所述驱动电机为步进电机8，所述数据采集及控制系统为MSP430单片机且其与所述上位机之间通过USB接口进行双向通信。所述MSP430单片机为MSP430F14x系列单片机，本实施例中，所述MSP430单片机为单片机MSP430F149。所述剪切件13下部为半圆柱状且其与被测试试样相接触，剪切件13上部为圆柱状且其套装在滑套14内部。本发明中，所述数据采集及控制系统对力传感器10和位移传感器18所测得数据进行分析处理后即可得出剪切强度数据和剪切位移数据，通过剪切强度数据和剪切位移数据即可得到被检测沥青路面层间的剪切刚度。

所述传动件包括由步进电机8进行驱动的蜗轮蜗杆以及与所述蜗轮蜗杆通过螺纹进行连接的水平向螺杆6。所述步进电机8具体是通过同步带9驱动蜗杆4动作，螺杆6对应套装在蜗轮7和箱体2内部且其与箱体2之间通过止推轴承5进行连接。所述蜗轮7位于箱体2内部中部，所述止推轴承5的数量为两个且其分别套装在蜗轮7和蜗轮7左右两侧的箱体2之间。所述力传感器10安装在螺杆6与所述推动件之间；所述推动件由水平向推动杆11和通过滑动带动剪切件13进行剪切试样的滑套14，推动杆11一端与螺杆6相接且其另一端与滑套14固定连接，滑套14套装在所述被检测剪切件外侧；所述水平向推动杆11外侧套装有导座16且导座16安装在底座1上。所述推动件上设置有回零机构，本实施例中，所述回零机构为与滑套14固定在一起的纵向回零调整杆19，所述回零调整杆19底部与安装在位移传感器18上的水平杆相接且二者间通过零点调节螺母20进行连接。

本实施例中，所述蜗轮蜗杆通过箱体2固定在底座1的上方左部，螺杆6与所述蜗轮蜗杆之间通过梯形螺纹进行连接，力传感器10和推动杆11之间通过顶杆17进行连接，所述力传感器10、推动杆11以及滑套14从左至右依次连接固定在螺杆6右端。

结合图2，所述单片机MSP430F149通过USB接口与上位机进行通信，所述USB接口芯片为芯片D12，单片机MSP430F149的P5.0、P5.1、P5.2、P5.3、P5.4/MCLK、P5.5/SMCLK、P5.6/ACLK与P5.7/TboutH八个数据输出端分别对应与芯片D12的D0-D7八个数据输入端相接；单片机MSP430F149的P1.5/TA0、P1.6/TA1和P1.7/TA2三个管脚分别与芯片D12的RD、WR和A0三个管脚相接；单片机MSP430F149的P1.3/TA2管脚经电阻R4后接芯片D12的SUSPEND管脚；单片机MSP430F149的P1.4/SMCLK管脚与芯片D12的INT管脚相接。芯片D12的SMCLK和INT管脚分别经电阻R3和R2后接电源端；芯片D12GND、ALE和CS管脚均接地且其Vout3.3、VCC、RESET和DMACK管脚均接电源端。芯片D12的D+管脚经电阻R5和R8后以及其D-管脚经电阻R10和R9后均接地且D+和D-管脚分别经电阻R5和R10后接芯片J1的第3和第2管脚，所述芯片J1的第4管脚接地。芯片D12的XTAL2和XTAL1管脚接晶振Y3且二者分别经电容C7和C6后接地，芯片D12的EOT管脚经电阻R6后接电源端且其经电阻R7后接地，芯片D12的GL管脚经发光二极管LED1和电阻R20后与电源端相接。

本发明的工作过程是：首先将被测试试样即被检测件与剪切件13下部半圆形切紧，用膨胀螺栓将底座1固定后，对整个系统进行上电；由步进电机8通过蜗轮蜗杆和螺杆6相配合驱动推动件带动剪切件13进行剪切试样，在进行剪切试样过程中，接在螺杆6与推动杆11之间的力传感器10实时对剪切件13作用在被测试试样上的剪切力进行检测，并且所述位移传感器18也实时对被测试试样的位移进行检测，同时力传感器10和位移传感器18同步将其所检测数据传输至单片机MSP430F149进行分析处理得出剪切强度数据，单片机MSP430F149同步将其处理结果通过USB接口具体是D12芯片传送至上位机，由上位机相应实时显示不同剪切速度和数据采集频率下的剪切力波形图即剪切力变化曲线(剪切力随剪切时间变化)，根据剪切强度数据和位移传感器18所测得数据即可得到剪切刚度。其中，被检测试样剪切强度的计算公式如下： $\mathrm{\τ}=\frac{P_{\max }}{A},$ 式中：τ——剪切强度；P_max——最大剪切力；A——被检测试样截面积。上位机的主要作用是：将单片机MSP430F149所输入的剪切过程中所采集的数据进行解封装、实时波形显示、对整个数据采集系统开始、停止进行控制，同时还设置一些相应的控制参数以及最终的数据分析处理工作。

实际应用过程中，在单片机MSP430F149向上位机传送所检测的剪切强度数据前，先要对USB设备即USB接口进行初始化，完成上位机的枚举过程；之后，单片机MSP430F149再向上位机发送采集到的数据；另外，单片机MSP430F149根据上位机的要求(命令)控制步进电机8工作。剪切试验之前，剪切试样的剪切速度可以通过上位机软件进行设置；剪切试验完成之后，由于所述推动件上设置有回零机构，则通过上位机控制可以将剪切件13恢复到初始位置即位移传感器18的零位，以备下次剪切使用，具体是先由上位机通过控制步进电机8相应调整回零调整杆19，通过调整回零调整杆19将剪切件13粗调恢复到初始位置附近，之后再通过调整零点调节螺母20将剪切件13精确调整至初始位置。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种沥青路面层间剪切强度检测仪，包括底座(1)、驱动电机、由驱动电机通过传动件带动剪切件(13)进行剪切试样的推动件以及对剪切件(13)作用在被测试试样上的剪切力进行实时检测的力传感器(10)，所述传动件安装在底座(1)上，其特征在于：还包括对力传感器(10)所检测信号进行分析处理并根据处理结果相应对驱动电机进行控制的数据采集及控制系统，以及与所述数据采集及控制系统相接的上位机；力传感器(10)接所述数据采集及控制系统，所述驱动电机为步进电机(8)，所述数据采集及控制系统为MSP430单片机且其与所述上位机之间通过USB接口进行双向通信。

2.按照权利要求1所述的沥青路面层间剪切强度检测仪，其特征在于：所述MSP430单片机为MSP430F14x系列单片机。

3.按照权利要求2所述的沥青路面层间剪切强度检测仪，其特征在于：所述MSP430单片机为单片机MSP430F149。

4.按照权利要求1、2或3所述的沥青路面层间剪切强度检测仪，其特征在于：所述传动件包括由步进电机(8)进行驱动的蜗轮蜗杆以及与所述蜗轮蜗杆通过螺纹进行连接的水平向螺杆(6)；力传感器(10)安装在螺杆(6)与所述推动件之间；所述推动件由水平向推动杆(11)和通过滑动带动剪切件(13)进行剪切试样的滑套(14)，推动杆(11)一端与螺杆(6)相接且其另一端与滑套(14)固定连接，滑套(14)套装在所述被检测剪切件外侧；所述水平向推动杆(11)外侧套装有导座(16)且导座(16)安装在底座(1)上。

5.按照权利要求1、2或3所述的沥青路面层间剪切强度检测仪，其特征在于：所述推动件上设置有回零机构。

6.按照权利要求4所述的沥青路面层间剪切强度检测仪，其特征在于：所述蜗轮蜗杆通过箱体(2)固定在底座(1)的上方左部，螺杆(6)与所述蜗轮蜗杆之间通过梯形螺纹进行连接，力传感器(10)和推动杆(11)之间通过顶杆(17)进行连接，所述力传感器(10)、推动杆(11)以及滑套(14)从左至右依次连接固定在螺杆(6)右端。

7.按照权利要求6所述的沥青路面层间剪切强度检测仪，其特征在于：所述步进电机(8)通过同步带(9)驱动蜗杆(4)动作，螺杆(6)对应套装在蜗轮(7)和箱体(2)内部且其与箱体(2)之间通过止推轴承(5)进行连接。

8.按照权利要求7所述的沥青路面层间剪切强度检测仪，其特征在于：所述蜗轮(7)位于箱体(2)内部中部，所述止推轴承(5)的数量为两个且其分别套装在蜗轮(7)和蜗轮(7)左右两侧的箱体(2)之间。

9.按照权利要求1、2或3所述的沥青路面层间剪切强度检测仪，其特征在于：所述剪切件(13)下部为半圆柱状且其与被测试试样相接触，剪切件(13)上部为圆柱状且其套装在滑套(14)内部。

10.按照权利要求1、2或3所述的沥青路面层间剪切强度检测仪，其特征在于：还包括对所述被测试试样位移进行实时检测的位移传感器(18)，所述位移传感器(18)接所述数据采集及控制系统。

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