CN102444079B - 路面弯沉测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种路面弯沉测量系统及其测量方法，该系统包括速度传感器、角速度传感器、加速度计、里程编码器、处理器，所述若干速度传感器分别安装在距离负载原点不同距离的负载横梁上，测量其所在位置处的负载横梁纵向上的变化速度；角速度传感器测量负载横梁转动的幅度变化；加速度计测量测量车上下颠簸的加速度值；里程编码器记录弯沉测量车所行使的里程信息。该测量方法采用多台共梁速度传感器测量路面多点处的路面弯沉变形速度，再根据路面的弹性变形理论与模型反演计算路面的动态弯沉值，适用于动态条件下连续性采样测量，快速高效测量弯沉值，节约人力物力，并且对路段的综合评估更加准确可信。

Description

路面弯沉测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种路面弯沉测量系统及其测量方法。

背景技术

路面弯沉的检测是评价路面承载力的基础，对于工程质量的控制和检验至关重要，此外，它还决定着路网养护决策的科学化水平和可信度，直接影响养护资金分配和旧路改造设计的合理性。虽然世界各国测试弯沉的设备和方法有所不同，但对弯沉基本概念的理解是相同的。弯沉定义一般是指路基或路面表面在规定标准车的荷载作用下轮隙位置产生的总垂直变形值（总弯沉）或垂直回弹变形值（回弹弯沉），以0.01mm为单位。

路面结构承载力的合理定义为：路面结构在达到不能接受的结构性破坏或功能性破坏之前，所能承受的一定类型车辆的通过次数。一般认为，沥青路面开裂造成的结构性破坏主要与面层材料中的最大拉应力或最大拉应变有关，路面出现车辙或者平整度降低造成的功能性破坏主要与基层或路基散粒体材料中的最大压应力或最大压应变有关。

我国柔性路面设计是以回弹模量作为设计参数，以弯沉作为力学控制指标。其力学定义为模型在竖向力作用下的表面竖向位移分量，即路基路面在荷载作用下，顶面发生的垂直变形。虽然大量实践和研究资料表面，路基弯沉与其承载力并不存在简单的线性关系，但弯沉还是从某种程度上反映了路基路面的承载能力。如果弯沉值过大，其变形也就越大，路面各层也就容易破裂。

目前我国路面检测仍主要依赖上世纪60年代从加拿大引进的贝克曼梁路面弯沉测定法，采用人工读数、徒手记录的方式，测速慢、精度低、可靠性差。近来也有采用高精度的激光测距传感器直接测量路面的弯沉变形量，由于道路表面纹理的复杂，此方法只能静态条件，不适合动态条件下测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种路面弯沉测量系统及其测量方法，能够在动态条件下对路面弯沉快速、准确进行测量。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种路面弯沉测量系统，其特征在于，包括速度传感器、角速度传感器、加速度计、里程编码器、处理器，测量车，

所述速度传感器的数量为若干，分别安装在距离负载原点不同距离的负载横梁上，用于测量其所在位置处的所述负载横梁纵向上的变化速度；所述负载原点为后轮中心在负载横梁上的投影；

所述角速度传感器安装在所述负载横梁的中点，用来测量所述负载横梁转动的幅度变化；

所述加速度计安装在车轮后轴中间位置，用来测量测量车上下颠簸的加速度值；

所述里程编码器，用来记录弯所述测量车所行使的里程信息，并由此计算所述测量车的水平方向车速；

所述处理器，用来实时接收所述速度传感器，角速度传感器，加速度计，里程编码器的数据，进行计算处理后得到路面弯沉值。

优化的，所述路面弯沉测量系统还包括温度传感器，所述温度传感器用于测量路面环境温度，并将测量温度值送到所述处理器，所述处理器根据温度值对路面弯沉值进行校正计算后，输出校正后的路面弯沉值。

优选的，所述速度传感器包括第一、第二、第三、第四速度传感器，所述第一、第二、第三、第四速度传感器依次分别安装在距离负载原点100mm、300mm、750mm、3600mm的负载横梁上，分别用于测量其所在位置处的所述负载横梁纵向上的变化速度；

本发明同时提出了上述路面弯沉测量系统的其测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

启动所述路面弯沉测量系统，所述弯沉测量车在待测路面上行驶；

所述第一、第二、第三、第四速度传感器同时分别测量其所在位置处的所述负载横梁纵向上的变化速度；所述角速度传感器测量所述负载横梁转动的幅度变化；所述加速度计测量测量车上下颠簸的加速度值；所述里程编码器记录弯所述沉测量车所行使的里程信息；

所述处理器实时接收所述用来实时接收所述第一、第二、第三、第四速度传感器，速度传感器，加速度计，里程编码器的数据；

所述处理器根据以下公式计算，包括：

$w\left(x\right)=-\frac{A}{2B}(\cos \left(\mathrm{Bx}\right)+\sin \left(\mathrm{Bx}\right))e^{-\mathrm{Bx}}...\left(1\right)$

w'(x)=A(sin(Bx))e^-Bx............................................(2)

式(1)、(2)中，A、B为未知参量，w(x)是以x为变量的路面弯沉量函数，w'(x)是w(x)的导数，表示弯沉斜率，所述x代表各个弯沉测量点到车轮中心着力点的距离值，且

w'(x)=R/V_hor    （3）

式(3)中,R代表所述第一、第二、第三、第四速度传感器所在位置的路面下沉速度R₁、R₂、R₃、R₄；V_hor表示测量车辆的水平速度，由所述处理器根据所述里程编码器记录弯所述沉测量车所行使的里程信息计算得到；

$\left\{\begin{array}{c}{R}_1=D_1-50.6524*V_G+0.017*V_{\mathrm{hor}}+5.63*V_{\mathrm{AR}}-1.2936\\ R_2=D_2-48.256*V_G+0.023*V_{\mathrm{hor}}+4.57*V_{\mathrm{AR}}-1.348\\ R_3=D_3-45.486*V_G+0.019*V_{\mathrm{hor}}+4.43*V_{\mathrm{AR}}-1.4267\\ R_4=D_4-40.049*V_G+0.015*V_{\mathrm{hor}}+3.98*V_{\mathrm{AR}}-1.52\end{array}\right....\left(4\right)$

公式(4)中，

，其中A_C为加速度计测量值，t为加速度计的测量时刻；V_G为角速度传感器测量量，

将公式(4)分别代入弯沉斜率公式(3)，列出4个关于A、B的方程，根据最小二乘原理，可求解A和B；A、B求解出之后，根据公式(1)，可根据不同弯沉测量点到车轮中心着力点的距离值x，计算出各个弯沉测量点的弯沉变化量。

由于路面温度的高低对道路的软硬程度有比较大的影响，为了保证得到的弯沉量可以准确的衡量道路的质量，故建立弯沉温度校正模型。温度传感器测量路面环境温度，并将测量温度值送到所述处理器，

所述处理器根据温度传感器测量的路面环境温度，作如下处理：

设温度传感器测量值为T，温度校正系数Temp为：

Temp=0.000124*T²-0.00298*T+1.096

则校正后弯沉值W(x)为：

W(x)=Temp*w(x)

其中w(x)为原始弯沉量。

本发明的有益效果在于：

现有技术为静态采集，无法满足高速测试的要求，而本发明支持动态采集，在速度上得到很大的提高，支持连续性采样，摆脱了现有技术效率低下的弱点，快速高效测量弯沉值，节约人力物力。现有技术为单点采集，无法满足高频率的要求，而本发明可满足高频率测点采集，支持多种间距的采样，提供连续的测量结果，对路段的综合评估更加准确可信。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为本发明路面弯沉测量系统的仪器位置示意图。

图2为本方法发明的路面变形速度测量原理图。

图3为本方法发明所依据的路面受力后的简化模型图。

具体实施方式

如图1所示，负载横梁6安装在测量车底盘7上，第一速度传感器1、第二速度传感器2、第三速度传感器3、第四速度传感器4依次分别安装在距离负载原点100mm、300mm、750mm、3600mm的负载横梁6上，分别用于测量其所在位置处的负载横梁纵向上的变化速度；角速度传感器5安装在负载衡梁6的中点，测量所述负载横梁转动的幅度变化；加速度计9安装在车轮8后轴中间位置，测量测量车上下颠簸的加速度值；里程编码器挂车前部测距轮处记录弯所述沉测量车所行使的里程信息；

处理器分别与所述第一、第二、第三、第四速度传感器，速度传感器，加速度计，里程编码器通过数据线连接，由于处理器所放位置只要稳固方便接线即可，无特殊要求，故图1中没有标明处理器。处理器实时接收所述第一、第二、第三、第四速度传感器，速度传感器，加速度计，里程编码器的数据，进行计算处理后得到路面弯沉值。

如图2所示，由于测量时速度传感器本身有运动，这种运动可以分解为转动和平移运动。设四个速度传感器所在测量点的实际路面沉降速度为R₁、R₂、R₃、R₄，根据速度合成原理，有如下公式关系：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_1=D_1-50.6524*V_G+0.017*V_{\mathrm{hor}}+5.63*V_{\mathrm{AR}}-1.2936\\ R_2=D_2-48.256*V_G+0.023*V_{\mathrm{hor}}+4.57*V_{\mathrm{AR}}-1.348\\ R_3=D_3-45.486*V_G+0.019*V_{\mathrm{hor}}+4.43*V_{\mathrm{AR}}-1.4267\\ R_4=D_4-40.049*V_G+0.015*V_{\mathrm{hor}}+3.98*V_{\mathrm{AR}}-1.52\end{array}\right....\left(4\right)$

公式(4)中，R₁、R₂、R₃、R₄用来描述路面在受到挤压时下沉的速度。而在实际应用过程中，由于车体自身震动，以及路面起伏等影响，造成速度传感器本身就有了速度或者角度的变化，因此速度传感器测得的速度，是速度激光器光线方向的合成速度。这个合成速度涉及：

1、路面形状的影响

路面形状的起伏，导致仪器本身产生了上下运动，因此通过加速度计计算仪器本身的速度，来平衡路面起伏对速度传感器测量值的影响。

设加速度计测量值为A_C，则路面起伏对速度的影响为

$V_{\mathrm{AR}}={\∫}_{t_1}^{t_2}{A}_c\mathrm{dt}$

2、负载仪器梁转动的影响

路面形状的起伏，导致承载速度传感器的横梁产生了转动，导致速度传感器的激光线产生了角度变化，因此通过角速度传感器来平衡负载梁转动的影响，对速度传感器测量值的影响。

设角速度传感器测量量为V_G，用来衡量负载梁的角度变化。

3、水平车速的影响

由于负载梁的转动，导致速度传感器的激光线产生了角度变化，则水平车速也会与速度传感器测量的速度方向产生夹角，故水平车速也会对速度传感器产生影响。设水平速度为V_hor，用来描述当前车辆速度的状态。

如图3所示，路面结构像一个安置在线性弹簧的基础上的弹性梁，该弹性梁的形变可以由Euler–Bernoulli梁方程表示出来，其中F是该点的正压力，E是路面刚性，I是路面的转动惯量，k是弹性系数。

相应的微分方程如公式5所示。

$\mathrm{EI}\frac{d^4}{{\mathrm{dx}}^4}w\left(x\right)+\mathrm{kw}\left(x\right)=-F...\left(5\right)$

该微分方程的解是可以描述成为一个关于A和B的参数模型如公式(1)、公式(2)。参数A、B与F、E、I、k相关；X代表以车轮中心着力点为原点，横向的距离值。其中X≥0，A＞0，B＞0，则有如下一组公式：

$w\left(x\right)=-\frac{A}{2B}(\cos \left(\mathrm{Bx}\right)+\sin \left(\mathrm{Bx}\right))e^{-\mathrm{Bx}}...\left(1\right)$

w'(x)=A(sin(Bx))e^-Bx............................................(2)

$E=\frac{F^2}{4A^2\mathrm{kI}}=\frac{F}{4\mathrm{IA}{B}^2}...\left(6\right)$

$k=4B^2\mathrm{EI}=\frac{{\mathrm{FB}}^2}{A}...\left(7\right)$

$w\left(0\right)=-\frac{A}{2B}...\left(8\right)$

SCI₃₀₀=w(0)-w(300).........................................(9)

其中弯沉斜率，代表路面下沉速度与水平车速的比值，因此又有

w'(x)=R/V_hor    (3)

其中,R代表某点的路面下沉速度，即，包括R₁、R₂、R₃、R₄。根据弯沉斜率计算公式(3)，将已测得的R₁、R₂、R₃、R₄和V_hor分别代入弯沉斜率计算公式(3)，可以计算出四个弯沉斜率，将该以计算出的弯沉斜率分别代入公式（2），即列出四个关于A、B的方程，根据最小二乘，可求解A和B。将A、B的值代入公式（1），再根据不同的横坐标X，计算出各个位置的弯沉变化量。

由于路面温度的高低对道路的软硬程度有比较大的影响，为了保证得到的弯沉量可以准确的衡量道路的质量，故建立弯沉温度校正模型。设温度传感器测量值为T，温度校正系数如下：

Temp=0.000124*T²-0.00298*T+1.096

校正弯沉值W(x)：

W(x)=Temp*w(x)

其中w(x)为上面计算得到的原始弯沉量，W(x)修正弯沉量。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种路面弯沉测量系统，其特征在于，包括速度传感器、角速度传感器、加速度计、里程编码器、处理器，测量车,

所述速度传感器的数量为若干，分别安装在距离负载原点不同距离的负载横梁上，用于测量其所在位置处的所述负载横梁纵向上的变化速度；所述负载原点为后轮中心在负载横梁上的投影；

所述角速度传感器安装在所述负载横梁的中点，用来测量所述负载横梁转动的幅度变化；

所述加速度计安装在车轮后轴中间位置，用来测量测量车上下颠簸的加速度值；

所述里程编码器，用来记录弯所述测量车所行使的里程信息，并由此计算所述测量车的水平方向车速；

所述处理器，用来实时接收所述速度传感器，角速度传感器，加速度计，里程编码器的数据，进行计算处理后得到路面弯沉值。

2.根据权利要求1所述的路面弯沉测量系统，其特征在于，所述路面弯沉测量系统还包括温度传感器，所述温度传感器用于测量路面环境温度，并将测量温度值送到所述处理器，所述处理器根据温度值对路面弯沉值进行校正计算后，输出校正后的路面弯沉值。

3.根据权利要求1或2所述的路面弯沉测量系统，其特征在于，所述速度传感器包括第一、第二、第三、第四速度传感器，所述第一、第二、第三、第四速度传感器依次分别安装在距离负载原点100mm、300mm、750mm、3600mm的负载横梁上，分别用于测量其所在位置处的所述负载横梁纵向上的变化速度。

4.根据权利要求3所述的路面弯沉测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

启动所述路面弯沉测量系统，所述弯沉测量车在待测路面上行驶；

所述第一、第二、第三、第四速度传感器同时分别测量其所在位置处的所述负载横梁纵向上的变化速度；所述角速度传感器测量所述负载横梁转动的幅度变化；所述加速度计测量测量车上下颠簸的加速度值；所述里程编码器记录弯所述沉测量车所行使的里程信息；

所述处理器实时接收所述用来实时接收所述第一、第二、第三、第四速度传感器，速度传感器，加速度计，里程编码器的数据；

所述处理器根据以下公式计算，包括：

$w\left(x\right)=-\frac{A}{2B}(\cos \left(\mathrm{Bx}\right)+\sin \left(\mathrm{Bx}\right))e^{-\mathrm{Bx}}...\left(1\right)$

w'(x)=A(sin(Bx))e^-Bx............................................(2)

式(1)、(2)中，A、B为未知参量，w(x)是以x为变量的路面弯沉量函数，w'(x)是w(x)的导数，表示弯沉斜率，所述x代表各个弯沉测量点到车轮中心着力点的距离值，且

w'(x)=R/V_hor    （3）

式(3)中,R代表所述第一、第二、第三、第四速度传感器所在位置的路面下沉速度R₁、R₂、R₃、R₄；V_hor表示测量车辆的水平速度，由所述处理器根据所述里程编码器记录弯所述沉测量车所行使的里程信息计算得到；

$\left\{\begin{array}{c}{R}_1=D_1-50.6524*V_G+0.017*V_{\mathrm{hor}}+5.63*V_{\mathrm{AR}}-1.2936\\ R_2=D_2-48.256*V_G+0.023*V_{\mathrm{hor}}+4.57*V_{\mathrm{AR}}-1.348\\ R_3=D_3-45.486*V_G+0.019*V_{\mathrm{hor}}+4.43*V_{\mathrm{AR}}-1.4267\\ R_4=D_4-40.049*V_G+0.015*V_{\mathrm{hor}}+3.98*V_{\mathrm{AR}}-1.52\end{array}\right....\left(4\right)$

公式(4)中，其中A_C为加速度计测量值，t为加速度计的测量时刻；V_G为角速度传感器测量量，

将公式(4)分别代入弯沉斜率公式(3)，列出4个关于A、B的方程，根据最小二乘，可求解A和B；A、B求解出之后，根据公式(1)，可根据不同弯沉测量点到车轮中心着力点的距离值x，计算出各个弯沉测量点的弯沉变化量。

5.根据权利要求4所述的路面弯沉测量系统的测量方法，其特征在于，还包括以下步骤：

采用温度传感器测量路面环境温度，并将测量温度值T送到所述处理器，所述处理器计算校正后弯沉值W(x)=Temp*w(x)，其中，w(x)为原始弯沉量，Temp为温度校正系数，Temp=0.000124*T²-0.00298*T+1.096。

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