CN107386075A - 一种评价路面平整性的压力测试装置与压力检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种评价路面平整性的压力测试装置及压力测试方法，装置包括薄膜压力传感器、多通道信号采集与调制一体机和计算机/服务器；薄膜压力传感器和多通道信号采集与调制一体机通过防干扰线缆连接；测试时，首先将装置置于工程机械零部件中，在工程机械零部件与路面的空隙间铺设双层橡胶垫；其次将薄膜压力传感器的圆形感应区探头夹在双层橡胶垫之间，通道信号采集与调制一体机记录传感器所在测点的压力数据，计算机/服务器处理压力的时域、频域分布特性；最后提取各测点的压力均方根值，绘制测点的压力值横向/纵向分布曲线，进一步评价路面平整性；本发明操作简便、测量精度高、适用广泛，在路面动态平整性监测中具有一定的前瞻性。

Description

一种评价路面平整性的压力测试装置与压力检测方法
技术领域
本发明涉及路面施工检测装置及方法，尤其涉及一种评价路面平整性的压力测试装置，同时涉及一种压力检测方法。
背景技术
道路施工机械按照对路面的宽度、厚度、拱度、平整度、压实度等方面的要求，完成道路面层和基层的摊铺、熨平、压实。而随着经济高速发展，对路面的等级要求也在不断提高，其中对平整性指标逐渐达到了毫米级精度。路面平整度指路表面纵向凹凸量的偏差值来计算国际平整度指数IRI，其作为路面施工验收和路面状况的重要评价指标，能反映出路面纵向的不平整性和行车舒适性。
目前检测路面平整度的设备有连续式平整仪、激光平整仪等，根据不同的原理来反映路面平整度。现有的检测方法针对已成型的路面有一定效果，然而这仅仅是静态测试。工程技术人员更加注重在施工过程中，工程机械零部件与路面沥青层接触的实时动态平整性同样要了解，根据动态平整性结论对于路面最后成型结果能提前预测，具有一定的前瞻性，也有利于工程机械结构改进和振动噪声控制。
所以对于路面平整度，目前偏重成型路面的静态检测，施工过程的动态检测方法相对甚少。
发明内容
发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明的第一目的是基于机械动力学信号处理原理，提供一种用于评价路面平整度动态特性的压力测试装置；本发明的第二目的是基于上述装置，提供一种对压力进行时域、频域分析，并进一步优化道路施工机械结构来实现振动均匀性控制的压力测试方法。
技术方案：一种评价路面平整性的压力测试装置，包括依次连接的薄膜压力传感器、多通道信号采集与调制一体机和计算机/服务器；其中，所述薄膜压力传感器和多通道信号采集与调制一体机通过防干扰线缆连接；所述多通道信号采集与调制一体机设有8个传感器通道，各传感器通道通过防干扰线缆与薄膜压力传感器的管脚连接。
所述薄膜压力传感器包括圆形感应区探头、扁平导线和管脚，所述圆形感应区探头和扁平导线一体成型。
利用所述装置进行评价路面平整性的压力测试，包括以下步骤：
(A)构建所述装置，将其置于工程机械零部件中，所述工程机械零部件与路面之间留有空隙，空隙间铺设双层橡胶垫；所述双层橡胶垫的每层厚度至少为5mm。
(B)将已标定完成的薄膜压力传感器的圆形感应区探头，夹在双层橡胶垫之间，将工程机械零部件与路面预紧，并调整探头位置，使得测点位置所放置的薄膜压力传感器能感应到压力并在计算机/服务器上显示；
(C)使工程机械零部件处于工作状态，多通道信号采集与调制一体机记录每个薄膜压力传感器所在测点的压力数据，计算机/服务器根据压力数据分析处理压力的时域、频域分布特性；
(D)提取每个测点的压力均方根值，绘制所有测点的压力值横向或纵向分布曲线，进一步评价路面平整性。
根据工程机械零部件的具体尺寸规模，横向或纵向布置所述薄膜压力传感器的测点，相邻薄膜压力传感器的间距一致，取0.5～1m。
有益效果：本发明具有以下优点：1.采用压力分布方式来评价路面平整度，能将毫米级路面平整度微小量通过力学指标放大体现，实现道路施工机械对路面施工的动态平整性监测，最终成型路面效果具有一定前瞻性；2.用压力的均匀性测试表征路面的平整度，对于多种工程机械的普遍适用；3.可对道路施工机械结构加以优化，实现振动均匀性控制；4.操作简便，高效精准、成本低。
附图说明
图1是压力测试的弹性力学原理图；
图2是本发明装置的结构示意图；
图3是本发明压力测试实施例的主视图；
图4是本发明压力测试实施例的侧视图；
图5是本发明实施例的路面横截面平整度信息；
图6是本发明实施例所测横向压力分布图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。
(1)压力测试原理
由弹性力学原理，橡胶垫受力采用半无限空间体受均布载荷作用模型。如图1所示，橡胶垫水平边界上受均匀分布的单位面积压力P作用，两层相同的橡胶垫总高度h，水平形变量边界条件ux＝uy＝0，地面处竖直形变量边界条件uz＝uh＝0。由于只考虑竖直方向(Z方向)的形变，当传感器探头在橡胶垫中的深度为z时，橡胶材料在探头位置的形变和应力分别为：
式中，w为形变量；σ为应力；ν为橡胶材料泊松比；ρ为密度；E为杨氏模量；g为重力加速度。
测试中探头位置在此处的应力为与载荷P成线性关系。因此在测试前对传感器进行标定，将偏置量预设进去，从理论上可以将橡胶垫中的应力作为工程机械对路面的压力。
(2)测试装置组成
如图2所示，本发明的一种评价路面平整性的压力测试装置，包括薄膜压力传感器1、多通道信号采集与调制一体机2、计算机(或服务器)3、防干扰线缆4；其中，薄膜压力传感器1与多通道信号采集与调制一体机2之间采用防干扰线缆4相连，多通道信号采集与调制一体机2与计算机(或服务器)3之间采用USB通用数据线连接；所述薄膜压力传感器1与防干扰线缆4的一端相连接，防干扰线缆4的另一端与多通道信号采集与调制一体机2的通道端口相连接。
薄膜压力传感器1包含了圆形感应区探头、扁平导线、管脚，厚度为0.2mm。在量程范围内，感应区受到的压力与输出电平呈线性关系，线性误差在±3％以内。
多通道信号采集与调制一体机2具有8个传感器通道，支持最多60台联机，最多可扩展128通道同时测试。
(3)基于上述装置的进行压力测试的方法与步骤
如图3和图4所示，本发明方法选择一个具体实施例说明具体步骤：
(A)测试前，根据工程机械零部件5的具体尺寸规模，设计相应的传感器测点布置方案，优选为横向或纵向均匀分布，相邻测点间距应当保持一致，一般取0.5～1m；
(B)与地面接触的工程机械零部件5(如箱体、钢轮)，与路面6(如沥青层、混凝土层)之间留一点空隙，铺双层橡胶垫7；
(C)将已标定完成的薄膜压力传感器1圆形感应区探头，夹在双层橡胶垫7之间，将工程机械零部件5与路面6预紧，并调整探头位置，使得测点位置所放置的传感器能感应到压力并在计算机(或服务器)3上显示；
(D)使工程机械零部件5处于工作状态，多通道信号采集与调制一体机2记录每个测点所在的薄膜压力传感器1的压力数据，采集一段时间后计算机(或服务器)3自行处理压力的时域、频域分布特性；
(E)提取每个测点的压力均方根值，绘制所有测点的压力值横向或纵向分布曲线，进一步评价路面平整性。
另外，根据实验情况总结，本发明的双层橡胶垫7每层厚度应至少为5mm，这样才能保证测得的压力准确可靠，其材质为耐油橡胶，物理机械性能要求如表1所示。
表1橡胶垫机械性能要求
(4)测试方法可行性验证
如图3和图4所示，在本发明方法选择的一个具体实施例中，某类道路施工机械的箱体5对路面沥青层6进行摊铺，为了探究箱体高频振动对沥青路面平整性的影响，采用本发明的压力测试装置与方法进行验证。箱体全长13米，共设置14个测点，相邻传感器的间距为1m。考虑到本实施例的箱体由8节拼装组合而成的，每一节至少要1个测点，才能体现出压力的差异性；其次，为了便于标记和测量，在间距上取整，通常1m或0.5m。
通过激光平整仪精确测得的路面横截面平整度信息如图5所示。开启箱体的振动器后，对14个传感器的压力数据进行采集，最终绘制压力值横向分布特性如图6所示。
对比如图5和图6可知，由于路面8m位置处相对突出，导致箱体与橡胶垫挤压过度，测得的压力数据最大。图5的路面平整度信息反映出，总体较为平整，仅8m位置处突出了约2mm，而这一微小差距到了图6的压力分布图中体现地非常悬殊。在图6其他位置上，压力均在10～15N范围之间，变化不大，总体上与图5非常吻合。
由上述具体实施例，验证了本发明的压力测试装置和方法是可行有效的，并体现出毫米级微小量差异通过力学指标放大的优点。根据需要，还可将多台信号采集与调制一体机并联，多传感器并行测试，布置传感器的测试位置可沿路面横向或纵向均匀分布。通过各测点数据的时域信号采集并处理，获得工程机械与路面的压力分布规律，以此来评价每个施工阶段的路面平整性。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表述和阐明了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (5)

1.一种评价路面平整性的压力测试装置，其特征在于：包括依次连接的薄膜压力传感器(1)、多通道信号采集与调制一体机(2)和计算机/服务器；其中，所述薄膜压力传感器(1)和多通道信号采集与调制一体机(2)通过防干扰线缆(4)连接。
2.根据权利要求1所述的压力测试装置，其特征在于：所述薄膜压力传感器(1)包括圆形感应区探头、扁平导线和管脚，所述圆形感应区探头和扁平导线一体成型。
3.根据权利要求2所述装置进行评价路面平整性的压力测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(A)构建所述装置，将其置于工程机械零部件(5)中，所述工程机械零部件(5)与路面(6)之间留有空隙，空隙间铺设双层橡胶垫(7)；
(B)将已标定完成的薄膜压力传感器(1)的圆形感应区探头夹在双层橡胶垫(7)之间，再将工程机械零部件(5)与路面(6)预紧，并调整探头位置，使测点位置所放置的薄膜压力传感器(1)能感应到压力数据并在计算机/服务器上显示；
(C)使工程机械零部件处于工作状态，多通道信号采集与调制一体机(2)记录每个薄膜压力传感器(1)所在测点的压力数据，计算机/服务器根据所采集的压力数据分析处理压力的时域、频域分布特性；
(D)提取每个测点的压力均方根值，绘制所有测点的压力值横向或纵向分布曲线，进一步评价路面平整性。
4.根据权利要求3所述的评价路面平整性的压力测试方法，其特征在于：所述双层橡胶垫(7)的每层厚度至少为5mm。
5.根据权利要求3所述的评价路面平整性的压力测试方法，其特征在于：根据所述工程机械零部件(5)的具体尺寸规模，横向或纵向布置所述薄膜压力传感器(1)的测点，相邻薄膜压力传感器(1)的间距一致，取0.5～1m。
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