CN103061323A - 土石坝坝料压实质量实时监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水利水电工程领域大坝施工质量控制领域，为提供适用于土石坝坝料的，既能实现坝料压实质量实时监测，又能将监测信息远程发送至数据库可供后续质量评估应用，并能实现工地远程监控的装置，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，土石坝坝料压实质量实时监测装置：包括碾轮加速度监测模块、GPS定位模块、数据处理模块，碾轮加速度监测模块的加速度传感器安装在碾压机振动轮上且不随振动轮转动的部位；加速度频谱数据和当前采样时间传输到数据处理模块中。本发明主要应用于水利水电工程。

Description

土石坝坝料压实质量实时监测装置

技术领域

本发明涉及水利水电工程领域大坝施工质量控制领域，具体讲，涉及土石坝坝料压实质量实时监测装置。

背景技术

传统土石坝坝料压实质量评估方法主要是用有限试坑试验结果反映整个施工单元仓面的碾压质量。这种做法一般历时较长、有破坏性，且结果片面性，不能全面反映整个施工单元仓面的碾压质量；同时，由于试验结果无法快速取得，从而影响施工进度，无法满足高强度、高机械化的施工要求。因此，通过实时采集现场碾压过程中的坝料压实状态，用以评估坝料压实质量，对于及时反馈控制施工质量具有重要意义。

目前，在土石坝施工过程质量实时控制方面，钟登华等采用填筑碾压质量实时监控技术[1-3]，实现了碾压过程中对碾压参数(包括行车速度、碾压遍数、激振力状态、压实厚度)的实时监控，对确保土石坝压实质量控制起到重要作用。但该技术仅是施工过程中碾压参数的实时监测，并不能直接反映碾压过程中坝料的压实质量(如压实度或干密度、孔隙率等)。

在道路路基土料的压实质量实时监测装置研制方面，国内外已有较多研究。国外，如美国BOMAG的碾压可变控制器BVC(BomagVario Control)[4，5]，瑞典AMMANN的ACE(Ammann Compaction Expert)[6]，瑞士Geodynamik的碾压度量计(Compactometer)[7]，美国Caterpillar公司的基于碾压机净输出(machine drive power，MDP)的碾压过程监测装置[8]，等。国内，如张润利[9]、居彩梅[10]开发的振动压实度检测仪，杨济安开发的车载压实度检测装置[11]，以及刘泽东等开发的路基压实度检测仪器[12]，等。上述装置基本原理都是监测碾压机碾轮的运动性能(如加速度、振幅、频率等)，通过分析碾轮的运动性能与路基土料压实度之间的关系，建立基于碾轮运动性能分析的压实度表征指标，进而来估计路基土料的压实度。

但上述装置基本集中在道路施工领域，由于土石坝坝料的性质(料性、级配、含水量、干密度等)与路基土料并不相同，从而使得即便是碾轮运动性能(如加速度频谱)相同的情况下，被压料的压实状态并不一致，因而上述这些装置并不能完全适用于表征土石坝坝料的压实质量监测。更重要的是，这些装置所测的压实质量指标要么不能与大地坐标实现对应(如文献[9-12])，即压实质量监测值没有地理属性，使得在实际中不易直接指示所监测的压实质量指标对应的具体位置，故不易实现对质量缺陷部位的反馈补救；要么不能把实时监测到的信息远程发送到数据库存储(如文献[4-8])，仅仅供碾压机司机使用，使得不仅无法供后续的质量评估应用，也无法满足符合国情的前方(工作面监理、施工单位)与后方(现场营地设计、业主等)结合的、“司机-承包商-监理-业主”一体化的质量管理模式。

参考文献：

[1]钟登华，刘东海，崔博.高心墙堆石坝碾压质量实时监控技术及应用[J].中国科学：科学技术，2011，41(8)：1028-1034.

[2]钟登华，刘东海，张社荣等.心墙堆石坝施工质量实时监控方法[P]，发明专利ZL200910069245.9，2010

[3]钟登华，刘磊，刘东海等.心墙堆石坝碾压过程信息自动采集装置[P]，发明专利ZL200910069167.2，2010

[4]BOMAG.Systems for soil compaction：BOMAG Evib meter[EB/OL].2010-1-12

[5]M.Hossain，J.Mulandi，L. Keach，M.Hunt，et al.Intelligent compaction control[A].Proceedings of2006Airfield and Highway Pavements Specialty Conference[C]，Atlanta，2006，26-35

[6]AMMANN.European and U.S.patents on the ACE-system[R].Swiss：AMMAN Verdichtung AG，2002

[7]

J.

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[9]张润利，张俊杰，李熙山.振动压路机压实度连续检测仪[J].工程机械，2000，32(8)：4-6

[10]居彩梅.车载式压实度检测仪[D].西安：长安大学，2001

[11]杨济安.车载压实度检测装置[P].中国，实用新型专利，01249239.6.2002-10-23

[12]刘泽东，杨霏，张建经.路基压实度检测仪器[P].中国，实用新型专利，201020584464.9.2011-08-03

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，提供适用于土石坝坝料的，既能实现坝料压实质量实时监测，又能将监测信息远程发送至数据库可供后续质量评估应用，并能实现工地远程监控的装置，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，土石坝坝料压实质量实时监测装置：包括碾轮加速度监测模块、GPS定位模块、数据处理模块；

碾轮加速度监测模块的加速度传感器安装在碾压机振动轮上且不随振动轮转动的部位；加速度传感器采集到的碾压机碾轮加速度时域模拟信号经信号模数转换，转换成时域数字信号，进而将加速度时域数字信号进行快速傅里叶变换(FFT)，得到碾轮振动加速度的频谱数据，然后将加速度频谱数据和当前采样时间传输到数据处理模块中；

GPS定位模块包括GPS接收机、GPS卫星天线和差分无线电天线，GPS卫星天线安装在碾压机上，用于接收GPS信号，以确定碾压机的位置，GPS定位模块安装在尽量靠近碾轮中心点，差分无线电天线用于接收GPS基准站的差分信号，用于GPS接收机作实时动态差分(Real-time Kinematic，RTK)，用于获得碾压机的实时位置坐标，并将当前采样时间及其相应的碾压机位置坐标传送到数据处理模块；

数据处理模块根据接收到的碾轮振动加速度频谱数据及对应的采样时刻，分析计算当前采样时刻的碾轮振动的基频及压实指标值CV；并将从GPS定位模块接收到的当前采样时间及其对应的碾压机位置坐标，计算得到的基频和CV，由该数据处理模块的标识码ID确定的所安装碾压机的标识进行输出。

还包括有：无线传输模块(DTU)、车载显示模块、碾压机电源模块和数据库服务器；无线传输模块(DTU)将数据处理模块发送过来的当前采集时间及其对应的碾压机位置坐标、碾压机标识、当前采样时刻的基频和CV值实时地传送到远程数据库服务器中，以备后续质量评估与控制应用；

碾压机电源模块通过将碾压机自身的电源电压转化成数据处理模块所需要的电压并供给数据处理模块，数据处理模块根据GPS定位模块、车载显示模块、无线传输模块(DTU)及碾轮加速度监测模块所需的不同电压，经变压后再分别向各模块供电；

车载显示模块安装在碾压机驾驶室内，实时接收从数据模块发送过来的当前采样时刻及其所对应的碾轮振动的基频及压实指标值CV，并在液晶屏上显示当前采样时刻的压实指标值CV和碾轮振动基频，供碾压机司机查看，以辅助其操作；若当CV值未达到设定的控制标准时，需进行补碾、降低碾压机行车速度或改变碾压机振动频率等措施，以确保坝料压实质量。

数据处理模块主要由FLASH存储器、RAM存储器、CPU构成，GPS定位模块发送过来的当前采样时间及其对应的碾压机位置坐标，以及碾轮加速度监测模块发送过来的碾轮振动加速度频谱数据及当前采样时间放入FLASH存储器中进行缓存，RAM存储器用来临时存贮数据，再通过缓存，把上述数据通过“栈”的方式发送给CPU，由CPU对数据进行计算和处理，CPU的计算和处理包括：

(1)根据碾轮振动加速度频谱数据及对应的采样时刻，可分析得到当前采样时刻的碾轮振动的基频及压实指标值CV，具体分析过程如下：首先，比较当前采样时刻加速度信号的各种频率及其对应的幅值，找出最大幅值所对应的频率即为碾压机振动的基频。然后，计算压实质量的表征指标CV，即：

$\mathrm{CV}=n\·\frac{A_2}{A_0}$

上式中，A₀、A₂分别为加速度频谱信号中基频和二次谐波即二倍基频对应的幅值；n为常数。CV值越大，压实质量越好。根据设计所要求的坝料压实质量，设定CV的控制标准值；

(2)将当前采样时间及其对应的碾压机位置坐标、基频和CV，以及由该数据处理模块的ID确定的所安装碾压机的标识传输给无线传输模块(DTU)及车载显示模块。

无线传输模块(DTU)将数据处理模块发送过来的当前采样时间及其对应的碾压机位置坐标、碾压机标识，以及当前采样时刻的基频和CV实时地通过GSM(Global System of Mobilecommunication，全球移动通信系统)通讯模块传送到远程数据库服务器中，该模块工作过程具体如下：

无线传输模块(DTU)由FLASH存储器、RAM存储器、CPU、GSM通讯模块构成，数据处理模块传输过来的数据放入FLASH存储器中，再通过缓存，把数据以“栈”的方式发送给CPU，其中，RAM存储器用来临时存贮数据。接着，CPU对数据进行IP(Internet Protocol，网络之间互连的协议)化，并把IP数据包交给GSM通讯模块，然后GSM通讯模块根据定制的TCP/IP协议，按一定的时间间隔，将当前采样时间及其对应的碾压机位置坐标，碾压机振动基频及CV，碾压机标识等数据通过GPRS(General Packet Radio Service，分组无线服务技术)网络发送到远程数据库服务器。

碾轮加速度监测模块中：对经模数转换得到的碾压机时域数字信号f(t)，属非周期信号，采用傅里叶变换形式表示为：

$f\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}f\left(\mathrm{\ω}\right)e^{\mathrm{j\ωt}}\mathrm{d\ω}$

式中， $f\left(\mathrm{\ω}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}f\left(t\right)e^{-\mathrm{j\ωt}}\mathrm{dt};$

经快速傅里叶变换，碾压机加速度信号分解为无数谐波

的叠加，由此得到碾轮振动加速度的频谱数据，包括组成加速度信号的各种频率及其所对应的幅值即各种谐波。

本发明的技术特点及效果：

(1)可实现土石坝坝料压实质量的实时监测，并能实时指示质量的缺陷区域，以供质量补救；

(2)可实现实时监测的压实质量指标远程发送，供后续质量评估及其他用户应用；

(3)可实现“司机-承包商-监理-业主”一体化的土石坝施工质量管理；

(4)可实时表征施工仓面任意位置处的土石坝坝料压实质量，为土石坝施工质量控制提供新的途径，可为确保大坝施工质量提供有力保障。

附图说明

图1本发明构成框图。

图2本发明集成原理图。

具体实施方式

本系统组成结构见图1，包括碾轮加速度监测模块、GPS定位模块、数据处理模块、无线传输模块(DTU)、车载显示模块、碾压机电源模块和数据库服务器共7个部分。

碾轮加速度监测模块的加速度传感器安装在振动轮上且不随振动轮转动的部位。加速度传感器采集到的碾压机碾轮加速度时域模拟信号经信号模数转换，转换成时域数字信号。进而将加速度时域数字信号进行快速傅里叶变换(FFT)，得到碾轮振动加速度的频谱数据(包括组成加速度信号的各种频率及其所对应的幅值)，然后通过SPI接口(Serial PeripheralInterface，串行外设接口)，将加速度频谱数据和当前采样时间传输到数据处理模块中。

GPS定位模块包括GPS接收机、GPS卫星天线和差分无线电天线。GPS卫星天线安装在碾压机械上，用于接收GPS信号，以确定碾压机的位置，安装部分应尽量靠近碾轮中心点。差分无线电天线用于接收GPS基准站的差分信号，用于GPS接收机作实时动态差分(Real-timeKinematic，RTK)。该模块用于获得碾压机实时的位置坐标，并将当前采样时间及其相应的碾压机位置坐标传送到数据处理模块。

数据处理模块根据接收到的碾轮振动加速度频谱数据及对应的采样时刻，分析计算当前采样时刻的碾轮振动的基频及压实指标值CV；并将从GPS定位模块接收到的当前采样时间及其对应的碾压机位置坐标，计算得到的基频和CV，由该数据处理模块的标识码ID确定的所安装碾压机的标识(即碾压机工号)通过RS-232端口传输给无线传输模块(DTU)及车载显示模块。同时，数据处理模块接收到碾压机电源模块供电后，经电源转化模块，分别通过相应的电源接口向GPS定位模块、车载显示模块、无线传输模块(DTU)及碾轮加速度监测模块供电。

无线传输模块(DTU)将数据处理模块发送过来的当前采集时间及其对应的碾压机位置坐标、碾压机标识、当前采样时刻的基频和CV值实时地传送到远程数据库服务器中，以备后续质量评估与控制应用。

碾压机电源模块通过将碾压机自身的电源电压转化成数据处理模块所需要的电压。该模块调节电压采用自适应的方式，即无论碾压机电源模块输入端电压(即碾压机自身电源电压)的大小，输出端均可输出数据处理模块所需的电压。碾压机电源模块将电源供给数据处理模块，数据处理模块根据GPS定位模块、车载显示模块、无线传输模块(DTU)及碾轮加速度监测模块所需的不同电压，经电源转化模块变压后再分别向各模块供电。

车载显示模块安装在碾压机驾驶室内，可实时接收从数据模块发送过来的当前采样时刻及其所对应的碾轮振动的基频及压实指标值CV，并在液晶屏上显示当前采样时刻的压实指标值CV和碾轮振动基频，供碾压机司机查看，以辅助其操作。司机可通过对显示屏中显示坝料当前的压实指标值CV与设定的标准CV值比较，来判断当前坝料的压实情况，可视情况，采取控制碾压机速度，或改变碾压机振动频率，或增减碾压遍数等措施，以实现对坝料压实质量的实时有效的控制。

数据库服务器主要实现将无线传输模块传输的当前采集时间及其对应碾的压机位置坐标、碾压机标识、基频和CV等数据的接收和存储，以供后续质量分析和其他用户(如业主、监理、设计和施工管理人员等)应用。

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

参照图1和图2，本系统组成包括碾轮加速度监测模块、GPS定位模块、数据处理模块、无线传输模块(DTU)、车载显示模块、碾压机电源模块和数据库服务器共7个部分。

(一)碾轮加速度监测模块

碾轮加速度监测模块由数据处理模块供电(本发明中供电电压为3.3V)。该模块的加速度传感器安装在振动轮上且不随振动轮转动的部位。碾轮加速度监测模块与数据处理模块通过SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)接口连接。加速度传感器采集到的碾压机碾轮加速度时域模拟信号经信号模数转换，转换成时域数字信号。进而将加速度时域数字信号进行快速傅里叶变换(FFT)，得到碾轮振动加速度的频谱数据(包括组成加速度信号的各种频率及其所对应的幅值)，然后通过SPI接口，将加速度频谱数据和当前采样时间传输到数据处理模块中。

对经模数转换得到的碾压机时域数字信号f(t)(属非周期信号)采用傅里叶变换形式可表示为：

$f\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}f\left(\mathrm{\ω}\right)e^{\mathrm{j\ωt}}\mathrm{d\ω}$

式中， $f\left(\mathrm{\ω}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}f\left(t\right)e^{-\mathrm{j\ωt}}\mathrm{dt}.$

快速傅里叶变换(FFT)是不断地把长序列的DFT(Discrete Fourier Transform，离散傅里叶变换)分解成几个短序列的DFT，并利用旋转因子的周期性和对称性来减少DFT的运算次数的一种快速算法。经快速傅里叶变换，碾压机加速度信号分解为无数谐波

的叠加，由此得到碾轮振动加速度的频谱数据，包括组成加速度信号的各种频率及其所对应的幅值(即各种谐波)。

加速度传感器可采用美国ADI(Analog Device Instrument)公司生产的ADIS16227加速度传感器，其最高采样频率为100.2KHZ。可适用于碾压机一般为20～60HZ的激振频率，且具有较高的精度。加速度传感器采用15mm×15mm×15mm的铅合金封装，配有用于螺栓安装的螺纹孔。

(二)GPS定位模块

GPS定位模块由数据处理模块供电压(本发明中供电电压为16.8V)。该模块通过RS-232串行接口与数据处理模块连接。GPS定位模块包括GPS接收机，GPS卫星天线和差分无线电天线。GPS卫星天线安装在碾压机上，且安装部分应尽量靠近碾轮中心点，用于接收GPS信号，以获取碾压机的位置坐标。差分无线电天线用于接收GPS基准站的差分信号，用于GPS接收机作实时动态差分(Real-time Kinematic，RTK)，以提高碾压机定位精度(可达到厘米级)。该模块将当前的采样时间及其对应的碾压机位置坐标按一定时间间隔(如1s)，通过RS-232接口实时地传送至数据处理模块。GPS接收机可采用美国天宝公司的R5GPS接收机。(三)数据处理模块

数据处理模块由碾压机电源模块供电(本发明中供电电压为16.8V)。该模块通过电源转换模块变压后，再分别向CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、FLASH存储器、RAM存储器等单元供电。同时，电源转换模块将输入电压转化成GPS定位模块、车载显示模块、无线传输模块及碾轮加速度监测模块各自需要的电压后，通过电源接口对各模块供电。数据处理模块通过RS-232接口分别与GPS定位模块、车载显示模块及无线传输模块相连接，并通过SPI接口与碾轮加速度监测模块进行连接。

数据处理模块把GPS定位模块通过RS-232接口发送过来的当前采样时间及其对应的碾压机位置坐标，以及碾轮加速度监测模块通过SPI接口发送过来的碾轮振动加速度频谱数据(包括组成加速度信号的各种频率及其对应的幅值)及当前采样时间放入FLASH存储器中进行缓存，RAM存储器用来临时存贮数据。再通过缓存，把上述数据通过“栈”的方式发送给CPU，由CPU对数据进行计算和处理。CPU的计算和处理包括：

(1)根据碾轮振动加速度频谱数据及对应的采样时刻，可分析得到当前采样时刻的碾轮振动的基频及压实指标值CV。具体分析过程如下：首先，比较当前采样时刻加速度信号的各种频率及其对应的幅值，找出最大幅值所对应的频率即为碾压机振动的基频。然后，计算压实质量的表征指标CV，即：

$\mathrm{CV}=n\·\frac{A_2}{A_0}$

上式中，A₀、A₂分别为加速度频谱信号中基频和二次谐波(即二倍基频)对应的幅值；n为常数(本发明中取100)，宜使CV经四舍五入取整后为两位数或三位数，以便于碾压机司机查看。CV值越大，坝料压实质量越好。可通过试坑试验，建立CV与坝料压实质量的定量关系，从而根据设计所要求的坝料压实质量，来设定CV的控制标准值。

(2)将当前采样时间及其对应的碾压机位置坐标，计算分析所得的基频和CV，以及由该数据处理模块的ID确定的所安装碾压机的标识(即碾压机工号)分别通过RS-232端口传输给无线传输模块(DTU)及车载显示模块。

(四)无线传输模块(DTU)

无线传输模块(DTU)由数据处理模块供电(本发明中供电电压为12V)，并通过电源转换模块变压，分别向该模块中的CPU、FLASH存储器、RAM存储器等单元供电。无线传输模块(DTU)将数据处理模块通过RS-232接口发送过来的当前采样时间及其对应的碾压机位置坐标、碾压机标识，以及当前采样时刻的基频和CV实时地通过GSM(Global System of Mobilecommunication，全球移动通信系统)通讯模块传送到远程数据库服务器中。GSM模块可采用西门子MC39i或华为GTM900b。该模块工作过程具体如下：

首先，无线传输模块(DTU)将数据处理模块通过RS-232接口传输过来的数据放入FLASH存储器中，再通过缓存，把数据以“栈”的方式发送给CPU(Central Processing Unit，中央处理器)。其中，RAM存储器用来临时存贮数据。接着，CPU对数据进行IP(Internet Protocol，网络之间互连的协议)化，并把IP数据包交给GSM通讯模块。然后GSM通讯模块根据定制的TCP/IP协议，按一定的时间间隔(如1s)，将当前采样时间及其对应的碾压机位置坐标，碾压机振动基频及CV，碾压机标识等数据通过GPRS(General Packet Radio Service，分组无线服务技术)网络发送到远程数据库服务器。为了保证传输的稳定性，GSM通讯模块对通用GSM模块的控制程序进行以下改进：

1)增加设备数据缓存功能，在GPRS断线的情况下对数据进行存储，缓冲区大小可设为50K；

2)为保证数据传输的实时性，增加断线重拨功能；

3)增加看门狗计时机制(watchdog timer，WDT)，能对设备死机状况进行处理和恢复。看门狗是一个定时器电路，一般有一个输入，一个输出到CPU的复位端(RST)。CPU正常工作的时候，每隔一段时间输出一个信号到输入端，给WDT清零，如果超过规定的时间不清零(一般在程序跑飞时)，WDT定时超过，就会给出一个复位信号到CPU，于是CPU复位，防止死机。WDT的作用，就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。

(五)碾压机电源模块

碾压机电源模块是通过将碾压机自身的电源电压转化成数据处理模块所需要的电压(本发明中采用16.8V)。该模块调节电压采用自适应的方式，即无论碾压机的自身电源电压大小如何变化，该模块均可以输出需要的稳定电压(如16.8V)。碾压机电源模块将所需的稳定电压供给数据处理模块，数据处理模块再根据GPS定位模块、车载显示模块、无线传输模块(DTU)及碾轮加速度监测模块对电压的不同需要，经数据处理模块中的电源转换模块变压后分别向上述模块供电。该模块具体工作过程如下：

首先，接入碾压机的自身电源。考虑到实际碾压机工作中的电源输出不稳定情况，采用电源滤波电路抑制可能输入的尖峰脉冲电压，当输入电压在该模块允许的范围之内时，通过DC-DC变压模块将输入电压转换为所需的电压。然后，经过电源滤波及去纹波电压电路保证输出电压的稳定。最后，向数据处理模块输出稳定的电压(本发明中取16.8V)。GND为接地端，充当电源负极。

(六)车载显示模块

车载显示模块由数据处理模块供电(本发明中供电电压为12V)，然后通过电源转换模块变压，再分别向该模块中的CPU、FLASH存储器、RAM存储器和彩色液晶屏等各个单元供电。车载显示模块通过RS-232接口与数据处理模块相连，获得数据处理模块计算的当前采样时刻的压实度指标CV和碾轮振动基频，并实时地显示在液晶显示屏上。车载显示模块安装在碾压机驾驶室内，供司机查看，以辅助其操作。

车载显示模块硬件部分包括彩色液晶屏、CPU、FLASH存储器、RAM存储器、RS-232接口、电源转换模块等部分。车载显示模块采用Windows Mobile6.0操作系统，运行开发的相应软件，可在液晶屏上实时地显示通过RS-232接口获得的、由数据处理模块传送的当前采集时刻的压实指标值CV和碾轮的振动基频。

碾压机司机可通过对液晶屏中当前土石坝坝料的压实指标值CV与设定的标准CV值比较，来判断当前坝料的压实情况，可视情况，采取控制碾压机速度，或改变碾压机振动频率，或增减碾压遍数等相应措施，从而实现对坝料压实质量的实时有效的控制。

(七)数据库服务器

数据库服务器主要实现对无线传输模块(DTU)传输的当前采样时间及其对应的碾压机位置坐标、碾压机标识，以及当前采样时刻的碾轮振动基频和压实指标值CV等数据的接收和存储。本发明中采用企业级版本的数据库系统，如SQL Server2008。服务器通过光纤连接Internet，根据设定的服务器IP地址，DTU模块向该指定IP地址发送数据，并将接收的数据存储在数据库中。上述接收和存储的信息，可供后续大坝压实质量分析和其他用户(如业主、监理、设计和施工管理人员)应用。

Claims (5)

1.一种土石坝坝料压实质量实时监测装置，其特征是，包括碾轮加速度监测模块、GPS定位模块、数据处理模块；

碾轮加速度监测模块的加速度传感器安装在碾压机振动轮上且不随振动轮转动的部位；加速度传感器采集到的碾压机碾轮加速度时域模拟信号经信号模数转换，转换成时域数字信号，进而将加速度时域数字信号进行快速傅里叶变换(FFT)，得到碾轮振动加速度的频谱数据，然后将加速度频谱数据和当前采样时间传输到数据处理模块中；

GPS定位模块包括GPS接收机、GPS卫星天线和差分无线电天线，GPS卫星天线安装在碾压机上，用于接收GPS信号，以确定碾压机的位置，GPS定位模块安装在尽量靠近碾轮中心点，差分无线电天线用于接收GPS基准站的差分信号，用于GPS接收机作实时动态差分(Real-time Kinematic，RTK)，用于获得碾压机的实时位置坐标，并将当前采样时间及其相应的碾压机位置坐标传送到数据处理模块；

数据处理模块根据接收到的碾轮振动加速度频谱数据及对应的采样时刻，分析计算当前采样时刻的碾轮振动的基频及压实指标值CV；并将从GPS定位模块接收到的当前采样时间及其对应的碾压机位置坐标，计算得到的基频和CV，以及由该数据处理模块的标识码ID确定的所安装碾压机的标识进行输出。

2.如权利要求1所述的土石坝坝料压实质量实时监测装置，其特征是，还包括有：无线传输模块(DTU)、车载显示模块、碾压机电源模块和数据库服务器；无线传输模块(DTU)将数据处理模块发送过来的当前采集时间及其对应的碾压机位置坐标、碾压机标识、当前采样时刻的基频和CV值实时地传送到远程数据库服务器中，以备后续质量评估与控制应用；

碾压机电源模块通过将碾压机自身的电源电压转化成数据处理模块所需要的电压并供给数据处理模块，数据处理模块根据GPS定位模块、车载显示模块、无线传输模块(DTU)及碾轮加速度监测模块所需的不同电压，经变压后再分别向各模块供电；

车载显示模块安装在碾压机驾驶室内，实时接收从数据模块发送过来的当前采样时刻及其所对应的碾轮振动的基频及压实指标值CV，并在液晶屏上显示当前采样时刻的压实指标值CV和碾轮振动基频，供碾压机司机查看，以辅助其操作；若当CV值未达到设定的控制标准时，需进行补碾、降低碾压机行车速度或改变碾压机振动频率等措施，以确保坝料压实质量。

3.如权利要求1所述的土石坝坝料压实质量实时监测装置，其特征是，数据处理模块主要由FLASH存储器、RAM存储器、CPU构成，GPS定位模块发送过来的当前采样时间及其对应的碾压机位置坐标，以及碾轮加速度监测模块发送过来的碾轮振动加速度频谱数据及当前采样时间放入FLASH存储器中进行缓存，RAM存储器用来临时存贮数据，再通过缓存，把上述数据通过“栈”的方式发送给CPU，由CPU对数据进行计算和处理，CPU的计算和处理包括：

(1)根据碾轮振动加速度频谱数据及对应的采样时刻，可分析得到当前采样时刻的碾轮振动的基频及压实指标值CV，具体分析过程如下：首先，比较当前采样时刻加速度信号的各种频率及其对应的幅值，找出最大幅值所对应的频率即为碾压机振动的基频。然后，计算压实质量的表征指标CV，即：

$\mathrm{CV}=n\·\frac{A_2}{A_0}$

上式中，A₀、A₂分别为加速度频谱信号中基频和二次谐波即二倍基频对应的幅值；n为常数。CV值越大，压实质量越好。根据设计所要求的坝料压实质量，设定CV的控制标准值；

(2)将当前采样时间及其对应的碾压机位置坐标、基频和CV，以及由该数据处理模块的ID确定的所安装碾压机的标识传输给无线传输模块(DTU)及车载显示模块。

4.如权利要求1所述的土石坝坝料压实质量实时监测装置，其特征是，无线传输模块(DTU)将数据处理模块发送过来的当前采样时间及其对应的碾压机位置坐标、碾压机标识，以及当前采样时刻的基频和CV实时地通过GSM(Global System of Mobile communication，全球移动通信系统)通讯模块传送到远程数据库服务器中，该模块工作过程具体如下：

无线传输模块(DTU)由FLASH存储器、RAM存储器、CPU、GSM通讯模块构成，数据处理模块传输过来的数据放入FLASH存储器中，再通过缓存，把数据以“栈”的方式发送给CPU，其中，RAM存储器用来临时存贮数据。接着，CPU对数据进行IP(InternetProtocol，网络之间互连的协议)化，并把IP数据包交给GSM通讯模块，然后GSM通讯模块根据定制的TCP/IP协议，按一定的时间间隔，将当前采样时间及其对应的碾压机位置坐标，碾压机振动基频及CV，碾压机标识等数据通过GPRS(General Packet Radio Service，分组无线服务技术)网络发送到远程数据库服务器。

5.如权利要求1所述的土石坝坝料压实质量实时监测装置，其特征是，碾轮加速度监测模块中：对经模数转换得到的碾压机时域数字信号f(t)，属非周期信号，采用傅里叶变换形式表示为：

$f\left(t\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}f\left(\mathrm{\ω}\right)e^{\mathrm{j\ωt}}\mathrm{d\ω}$

式中， $f\left(\mathrm{\ω}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}f\left(t\right)e^{-\mathrm{j\ωt}}\mathrm{dt};$

经快速傅里叶变换，碾压机加速度信号分解为无数谐波

的叠加，由此得到碾轮振动加速度的频谱数据，包括组成加速度信号的各种频率及其所对应的幅值即各种谐波。

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