CN1020774C - 高速路平仪 - Google Patents

Abstract

本发明是属于一种公路路面质量检测装置。它由可固定在各种机动车辆上使用的卡紧机构，装有加速度传感器、转速传感器的测量机构，实现传感器耦合、信号积分和放大的信号预处理设备和完成数字信号处理、统计处理分析、路面评价及系统协调控制的微处理计算机等组成。

本发明结构合理简单、重量轻、使用方便；检测精度较高，特别是检测速度，可达每小时50多公里，它可以广泛用于各种公路路面平整度实时测量，以及路谱分析等。也可用于大型场地的测量评价。

Description

本发明属于一种公路路面的检测装置。

在我国，通常测量公路路面平整度是采用三米的直尺由人工方式进行，也有采用位移传感器的路平仪。在国外，还有采用美国专利“检测路面的装置与方法”（US    3353404）所提供的仪器设备来检测路面的平整度以及对所检测到信号由信号处理系统的累积给出其结果。其中所采用的检测设备，主要由一端连接有测轮并与水平面成夹角的测杆，侧杆的另一端通过压力弹簧与车体连接，并且在测杆上和其上方分别安装里程传感器和加速度传感器。采用这种装置测量路面面平整度，则需要专用车，同时，信号处理系统中的模拟处理动态范围小，累积结果与我国公路评价标准不符。因此，很难推广使用。

本发明的目的在于提出一种包含有水平丝杠，垂直丝杠、上下卡板所组成的卡紧机构以及信号处理系统构成的装置，从而可以实时，快速，准确地动态测量各种公路路面平整度及进行路谱分析。

本发明主要由卡紧固定机构、信号测量机构和处理信号的电子设备所组成。

卡紧固定机构主要由固定卡板、垂直丝杠（15）和水平丝杠（12）等组成，采用丝杠螺纹进程形式将卡紧机构固定在运动载体上。旋转垂直丝杠（15）可改变上下卡板（11）、（16）开口大小，旋转水平丝杠（12）可改变横向卡紧深度。滑架（13）是连接卡头与测量机构用的，由于各种车辆 的被卡处与地面高度不等，调节卡头在滑架（13）上的位置，可以适应各种车辆使用。

测量机构装在滑架（13）底部，主要由转动架（10）、立轴（7）、测杆铰接轴（6）、测杆（17）、压力弹簧（8）、压力卡杆（9），导向提升杆（4）和测轮（1）等部件组成。测杆的上端与转动架（10）用铰接轴（6）连接，实现牵引测轮（1）时的转弯运动，同时实现各向力的改变方向功能。测杆（17）中部是压力弹簧（8）及导向提升杆（4）和压力卡杆（9），实现压紧与提起测轮（1）的功能;压力弹簧（8）可以采用弹簧系数为5至20公斤/厘米范围;测杆（17）上装有转速传感器（3），通过软轴与测轮轴（18）连接，完成里程计量;加速度传感器（2）置于测轮轴套上方，结构设计保证在测量时单向加速度计能够真实反映路面的起伏。本发明的测量机构采用弹簧压紧滚轮形式，使紧压在地面上的测轮（1）在前进时随地面起伏而起伏并且滚动前进，将路面平整度转化为振动信号提取出来，通过测轮（1）的转数计算出测量里程。

本发明的测杆（17）与水平面的夹角大小直接影响测量精度。夹角越小，测量精度越高，根据不同路面要求，这个角度一般在15°至35°范围。测量机构的尺度可以通过150至300毫米路面起伏为宜。

测轮（1）直径的大小也关系到测量精度，对路面起伏信号，测轮（1）就象低通滤波器，它的直径大小决定对路面起伏的灵敏度。所以，理论上讲测轮（1）直径越小越好。考虑到测量速度及测量精度的要求，可选用直径线度在100至250毫米范围内。具体选用参数要依路面条件及测量精度和速度而定。测轮（1）外缘为实心橡胶胎，除保证滚动摩擦力外，还可方便地更换。

立轴（7）可360°自由旋转，它可保证测量时自由转向，又可在不测量时提起测轮（1），这样可在不必卸下卡紧机构的情况下提起测轮（1），避免不必要磨损。

为了防止所用车辆振动对传感器的干扰，在测杆铰接轴（6）和弹簧压力轴（5）处装有隔振胶套（19），以减少载体振动造成不必要的测量误差。

加速度传感器（2）所获得的信号，经必要的电子设备预处理变为位移信号如图2所示。经采样转化为数字信号再做分析处理，为适应公路三米直尺评价标准和获得路面其它信息，信号处理算法达到这一目的，可实现路面起伏方差和坑槽超差的统计运算及路谱分析等。

转速传感器（3）所获得的信号表征测量行程，可做为采样的触发信号，对采到的路面起伏数字信号按行程分组，如三米为一组，就象用三米直尺做一次测量所得的数据，对该组数据取算术平均，即：

可获得理想路面的拟合三米线段表示，路面的不平整性以该线段为标准进行比较获得。由此可计算出路面的统计方差和超差，采到的数字信号直接做谱分析，便可获得所测公路的路谱。

本发明的信号预处理是将加速度传感器（2）摄取的振动加速度信号处理成模拟位移振动信号（27），它作为路面不平整性的真实描述。耦合放大器（20）的作用是对不同加速度传感器（2）输出的信号进行处理，以适应后续电路的要求;低通滤波器（21）的截止频率根据路平仪设计的最大测量速度、测轮（1）直径和测量精度而定。图中设计的两级积分器（23）、（25）用放大器（24）分开，目的是使系统具有尽可能大 的动态范围。放大器（22）、（24）、（26）的放大倍数可调，以达到在测量范围内信号最大且不失真为最佳。当然，一般情况经校准后也可正常使用。

数字信号处理框图为图3所示，将模拟位移振动信号（27），由转速传感器（3）信号触发，经A/D转换器（28）转化为离散数字信号记录下来，存放在随机寄存器（34）里，并由双缓冲区交替完成数据输入和处理。功能选择开关（30）可根据实际需要设置各种检测功能，供使用时选择。计数器（31）完成行程计量及采样间隔大小的选取，不同平整性路面可取大小不等。公路评价标准及固定参数存放在只读存储器（35）里;微处理计算机（29）可以是单片机，它完成系统控制、协调及专用数字信号处理，并对所测路面进行评价。测量结果通过打印或显示（33）输出给用户。

本发明所采用的数据处理工作流程如图4所示，开机后，首先对测量功能进行设置（36），可用键盘或拨键开关等方式设置;如测路平还是路谱、方差还是超差等，均在此时设置好。初始化（37）是根据所设置功能，对系统计数器（31），A/D转换器（28）中断申请条件等作参数设置。信息提取（38）根据检测项目，对信号做相应的数字信号处理，将有用的信号提取出来。计算参照平面（39）找出理想平整路面的三米拟合曲线，数字信号再经信号处理和统计处理（40）后，得出实测路面的数字描述，然后按规定标准再作路面评价（41），并输出结果。

本发明由于采用了加速度传感器和转速传感器提取路面平整度信息，完全符合在非惯性载体上检测位移的物理原理;本发明结合现代 先进的计算机高技术，使用加速度传感器可使最大检测速度提高到每小时五十多公里，大大提高了检测效率;同时具备了结构合理简单，使用方便、体积小、重量轻、测试数据可靠和精度高等特点。因此它可以准确实时地对各种不同性质的路面平整度进行检测和评价分析。

图1为本发明的机械结构图。

图2为本发明的信号预处理方块图。

图3为本发明的数字信号处理硬件框图。

图4为本发明的软件工作流程图。

本发明的一个具体实施例在于：取一个直径φ143mm，其宽度为30mm，外缘为实心橡胶胎的测轮（1），由测轮轴（18）把测轮（1）连接于测杆（17）上，将压电加速度传感器（2）和光电转速传感器（3）分别安装在测轮轴套和测杆（17）上，光电转速传感器（3）通过软轴与测轮轴套（18）连接;导向提升杆（4）套有0.8公斤/毫米的压力弹簧（8），它的下端通过弹簧压力轴（5）与测杆（17）连接，它上端的压力卡杆（9）可活卡在转动架（10）上。测杆（17）的上端通过测杆铰接轴（6）与转动架（10）连接，并使测杆（17）与地平面成29°16′的夹角。为了减少载体振动对传感器的干扰，在测杆（17）与导向提升杆（4）和转动架（10）的连接处分别安装有隔振胲套（19），转动架（10）通过立轴（7）安装在滑架（13）上，装有卡板（16）（11）的水平丝杠（12）和垂直丝杠（15）组成卡头;卡头通过连接螺钉（14）固定在滑架（13）的任何高度上。卡头距地面最高距离为650mm，水平丝杠最大卡紧长度100mm，垂直丝杠最大卡紧尺度为180mm;采用这样的卡紧机构和测量机构，可使用各种机动车辆检测反映公路路面的各种信号。将加速度传感器（2）检测到的信号先后经过耦合放大器（20）、低通滤波器（21）、放大器 Ⅰ（22）、积分器Ⅰ（23）、放大器Ⅱ（24）、积分器Ⅱ（25）、放大器Ⅲ（26）等电子设备预处理，可获得路面起伏位移振动信号（27）。光电转速传感器（3）的信号经锁存器（32）、计数器（31）控制完成采样触发，位移振动信号（27）经A/D转换器（28），单片计算机（29）可用（8031），随机寄存器（34），只读存储器（35）、功能选择开关（30）等组成的数字信号处理设备，按图4所示的工作流程对信号进行分析处理评价，将结果打印出来或记录。当然，本发明还可以有其它的实施方案。

Claims (9)

1、一种由卡紧机构和测量机构组成的路平仪，所检测到的信号经过信号预处理系统和数字信号处理系统分析计算，并输出其结果，其测量机构是由一根与水平面成夹角的测杆(17)，测轮(1)，加速度传感器(2)和转速传感器(3)所组成，其特征在于它包含有一个卡紧机构，所说的卡紧机构是由一个连接有水平丝杠(12)和垂直丝杠(15)，垂直丝杆(12)的上、下两端分别接有上卡板(16)和下卡板(11)所组成的卡头，卡头通过螺钉固定在滑架(13)上，滑架(13)下端通过立轴(7)连接有转动架(10)，转动架的一端由测杆铰接轴(6)连接测杆(17)，转动架的另一端经活口卡住压力卡杆(9)，压力卡杆(9)连接在套有压力弹簧的导向提升杆(4)的上端，下端经弹簧压力轴(5)与测杆(17)连接。

2、按照权利要求1所说的路平仪，其特征在于所说的转速传感器（3）的触发采样，是由数字信号处理系统软件按路面行程分组，如三米为一组取平均方式进行，还可以选用任意评价标准对路面完成测量评价。

3、按照权利要求1所说的路平仪，其特征在于所说的立轴（7）可以360°自由旋转。

4、按照权利要求1所说的路平仪，其特征在于所说测杆（17）与水平面夹角是在15°至35°范围。

5、按照权利要求1所说的路平仪，其特征在于所说的测轮（1）直径是150至250毫米范围，并且轮子的外缘为实心橡胶胎。

6、按照权利要求1所说的路平仪，其特征在于所说的测杆（17）是由弹簧压力轴（5）和测杆铰接轴（6）分别与导向提升杆（4）和转动架（10）的连接时，还安装有隔振胶套（19）。

7、按照权利要求1所说的路平仪，其特征在于所说的压力弹簧（8），它的弹簧系数为5至20公斤/厘米范围。

8、按照权利要求1所说的路平仪，其特征在于所说的信号预处理系统中，在两级积分器（23）、（25）的中间，设有放大器（24）。

9、按照权利要求1-8所说的路平仪，其特征在于所说的数字信号处理系统，它所采用的微计算机是一种单片机。

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