CN108333072A - 一种基于响应行为重构的路面动态弯沉校准方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于响应行为重构的路面动态弯沉校准方法及装置属于道路性能评价领域。装置包括刚性平台、拟态位移装置、控制器、波形输入与反馈装置及连接装置；刚性平台与地面固定连接，刚性平台上表面设置直线滑轨，多个拟态位移装置嵌入直线滑轨中，能自由移动位置，也能够在测试开始前固定在直线滑轨的某个位置上。拟态位移装置通过连接装置与控制器相连，波形输入与反馈装置与控制器连接，并且驱动拟态位移装置产生标准的弯沉响应。本发明实现了对动态弯沉标准量值的复现，也为动态弯沉量值溯源铺平了道路。本发明不需要拆卸传感器单独校准，而是能够对设备进行整体校准，校准结果更能全面反映设备的计量特性。

Description

一种基于响应行为重构的路面动态弯沉校准方法及装置

技术领域

一种基于响应行为重构的路面动态弯沉校准方法及装置属于道路性能评价领域。

背景技术

路面动态弯沉测试是实现道路性能评价的重要手段之一。道路行业最常用的动态弯沉测试设备是落锤式弯沉仪(Falling Weight Deflectometer，简称FWD)，目前我国正在服役的FWD设备已多达数百台，对这类动态弯沉测试设备开展计量校准，保障其测量结果的准确可靠，对于提高道路工程施工养护水平具有重要意义。长久以来，行业内一般采用拆卸弯沉传感器(地震波传感器、激光位移传感器等)进行直接校准，但从实际应用的效果来看，现有方法存在测试过程复杂(比如，拆卸传感器费时费力且对设备本身有一定影响)、测试准确度不高(测试过程中外界扰动因素对结果影响显著)以及测试装置维护成本高等问题；此外，由于现有方法均为“只校传感器，不校设备整体”，导致校准结果与设备实际的计量特性并不完全相符。因此，有必要针对现有技术的这些局限性研发新的动态弯沉校准方法及装置。

动态弯沉：路面结构在动荷载作用下产生的路表竖向总位移或者回弹过程中产生的竖向位移，其计量单位为0.01mm。

目前，路面动态弯沉校准测试主要是拆卸FWD设备上的弯沉传感器进行校准，其中有代表性的做法是将弯沉传感器与某种特定形式的装置连接起来开展比对测试，具体又可分为绝对校准法和相对校准法。相对校准法是把测量弯沉的传感器(比如FWD设备上的地震波传感器)全都拆卸下来，用一个刚性的串架将若干个传感器和一个精度更高的标准传感器进行串联；然后将串架直立于地面上开展弯沉测试，通过比较标准传感器和待校传感器的测量结果达到校准的目的。绝对校准法(图1)原理与相对校准法类似，采用某种能够保证绝对刚度的装置(一般是与建筑基础固定连接)将待校传感器与更的标准传感器连接起来进行比对测试。

现有技术存在以下缺点：

(1)测量对象未知，无法复现标准弯沉值，量值溯源困难大

弯沉校准的测量对象是对应于具体弯沉响应过程的弯沉值，现有方法是通过对既有路面施加动荷载来获得被测弯沉的，实际发生的弯沉取决于既有路面结构性能、动荷载、环境因素(尤其是路面结构层的温度场条件)等，这些因素与弯沉之间的定量关系是很难建立的，因而也就无法获知理论弯沉值。现有方法以传感器获取的弯沉为标准来标定待校传感器，但是在下一次测试中由于无法完全还原路面结构、荷载、环境等条件，因此无法实现对标准弯沉值的复现，导致量值溯源存在一定困难。

(2)只校传感器，不校设备整体，测试结果不能完全反映设备计量特性

目前现有的方法均是“只校传感器，不校设备整体”。从测量不确定度来看，拆卸下来的传感器自身引起的不确定度只是设备测试不确定度的一个分量，还有其他因素(例如，FWD设备自身的故障、拆卸传感器造成的支架固定不稳定等)引起的不确定度分量在现有测试方法中被忽略了，这就使得校准测试的结果并不能完全反映设备的整体计量特性。更何况当设备其他部件出现故障时，即便所有传感器都处于正常状态、校准结果也是合格，但是设备却无法正常使用。

(3)现有方法中随机性扰动因素对测试结果影响较大，测试结果准确性难以保证

现有的方法在具体操作层面很难保证基准梁、标定架等校准装置自身的刚度和绝对固定，随机性扰动极易对测试结果产生影响。比如，刚性串架一般由人手扶，稳定性较差；测试环境中风的影响也非常显著；绝对校准法要求连接的基础必须绝对固定且不受动荷载影响，在实际中也很难做到。

发明内容

本专利提出一种基于响应行为重构的路面动态弯沉校准方法及装置，其总体构想是通过对具体弯沉响应行为的两次重构，解决标准弯沉量值复现的技术问题，从而实现对弯沉测试设备的计量校准。第一次重构，是通过为具体的弯沉响应过程建立模型化的数学原理，获得标准弯沉模型及理论弯沉值；第二次重构，是采用位移拟态技术把标准弯沉模型再一次还原为承载标准量值的实际弯沉响应行为，从而实现量值复现。

第一次重构所解决的技术问题

通过对工程中实际路面的9个(或13个)测点的弯沉响应过程进行模型化重建，提出各测点的标准弯沉响应曲线(表1)。第一次重构解决的技术问题包括：实现了对工程中具体路面结构弯沉响应行为的原理性认识；同时，根据建构的标准曲线模型获得了理论弯沉值，为量值溯源提供了依据。

表1对应于FWD各弯沉传感器位置的标准弯沉响应模型

第二次重构所解决的技术问题

采用拟态位移技术，根据标准弯沉模型并通过控制软件编程来设定位移拟态装置的运动速度、加速度、位移、时间等参数，实现对已建构弯沉响应原理的实体化再现。第二次重构，解决了标准弯沉量值载体及复现方式的技术问题。拟态位移装置系统为自动控制闭环设计，采用了致动位移平台，可以准确的复现任意波形的弯沉响应，降低了测试环节中的扰动因素对结果的影响，提高了校准结果的可靠性。

本专利所述动态弯沉校准装置主要由刚性台座、拟态位移装置、控制器、波形输入与反馈装置及连接装置等部分组成，各硬件布局及连接方式如图1所示。

图2中，1为刚性平台，2为拟态位移装置，3为连接装置，4为控制器，5为波形输入与反馈装置，6为直线滑轨。其中，拟态位移装置的数量和位置可以根据待校弯沉设备传感器数量(9个～13个)在刚性平台1上进行调整。

刚性平台1与地面固定连接，刚性平台1上表面设置直线滑轨6，多个拟态位移装置嵌入直线滑轨6中，能自由移动位置，也能够在测试开始前固定在直线滑轨6的某个位置上。拟态位移装置通过连接装置3与控制器4相连，波形输入与反馈装置5与控制器4连接，并且驱动拟态位移装置产生标准的弯沉响应。

其中，拟态位移装置是由伺服电机2-1、无间隙滚珠丝杠及减速装置2-2、激光尺反馈系统2-3、位移平台2-4组成，通过伺服电机经减速装置驱动的无间隙滚珠丝杠带动位移平台准确运动，并由激光反馈系统实现工作台的位置，据此设定运动的速度、加速度、位移、时间。

本专利所述动态弯沉校准装置的技术方案流程如图1所示。

本专利所述动态弯沉校准装置是由拟态位移装置、波形输入与反馈装置、控制器等关键部件协同工作来实现弯沉校准的，总体技术方案实现过程如下：

(1)根据待校设备弯沉传感器的数量和位置，将同等数量的拟态位移装置安装在刚性台座滑轨的相应位置上；

(2)将待校弯沉设备移动至拟态位移装置正上方并使传感器与拟态位移装置相对应；

(3)打开校准装置，进行开机自检；

(4)启动待校弯沉设备，使弯沉传感器的测量部接触拟态位移装置的位移部，打开待校设备的控制程序，做好采集数据的准备；

(5)根据校准测试要求，选择标准弯沉响应激励信号作为输入信号，激发各位移拟态装置产生相应的拟态位移，同时记录待校设备采集到的弯沉数据结果；

(6)对测试的结果进行记录，并且重复(5)直至测试次数达到要求；

(7)停止校准，保存并导出所有原始数据；

(8)所有元器件复位，关闭整个弯沉校准装置。

现有校准技术较难实现量值溯源，本专利首先将实际路面的弯沉响应过程重构为原理性的响应模型，然后再采用拟态位移技术将原理性模型重新还原为现实的弯沉响应行为，最终实现了对动态弯沉标准量值的复现，为FWD设备提供了一种适用的校准方法，也为动态弯沉量值溯源铺平了道路。

相比现有技术，本专利提供的校准方法不需要拆卸传感器单独校准，而是能够对设备进行整体校准，校准结果更能全面反映设备的计量特性。

相比现有技术，本专利的测试方法有效降低了测试环节中扰动因素对结果的影响，保证了校准结果的准确可靠。

相比现有技术，本专利测试方法操作程序更加便捷，极大提高了校准工作的效率。

现有技术通常需要购置一整套弯沉测试设备并且修筑良好的测试场地，设备购置费及土木工程的造价非常高昂，测试场地的后期维护也是一项费时费钱的工作；本专利提供的方法各项装置元件的造价相对较低，后期维护也并不复杂，极大的节约了成本。

附图说明

图1现有的代表性弯沉传感器的校准方法

图2动态弯沉校准装置硬件连接示意图

图2中，1为刚性平台，2为拟态位移装置，3为连接装置，4为控制器，5为波形输入与反馈装置，6为直线滑轨。

图3是拟态位移装置结构示意图

图4位移和移动时间同步校准装置的技术方案流程图

图5具体实例1的技术方案流程图

具体实施方式

本专利可用于校准车载式落锤式弯沉仪FWD，其流程图如图5：

参考图1现有的代表性弯沉传感器的校准方法

图2动态弯沉校准装置硬件连接示意图

图2中，1为刚性平台，2为拟态位移装置，3为连接装置，4为控制器，5为波形输入与反馈装置，6为直线滑轨。

图3是拟态位移装置结构示意图

图4位移和移动时间同步校准装置的技术方案流程图

图所示实例1流程图，实例1技术方案实现过程如下：

(1)根据FWD设备弯沉传感器的数量，在刚性台座上将同样数量的位移拟态装置固定在相应的位置；

(2)将FWD设备行驶至校准装置的上方，使弯沉传感器的位置正对刚性台座上相应的拟态位移装置；

(3)打开校准装置，进行开机自检；

(4)启动FWD设备，将弯沉传感器支架降落到刚性台面，使弯沉传感器测量部接触位移装置的位移平台，打开数据采集系统做好采集准备；

(5)根据校准要求，选择标准弯沉响应激励信号作为输入信号，激发位移拟态装置产生相应的拟态位移，同时记录待校FWD设备采集到的弯沉数据结果；

(6)对正常测试的结果进行记录，并且重复(5)直至测试次数达到要求；

(7)停止校准，保存并导出所有原始数据；

(8)提升弯沉支架并将FWD设备驶离，关闭整个弯沉校准装置。

本专利提供了路面结构相应位置(9个或13个测点)的标准弯沉响应模型(表2)。

在固体力学领域，路面结构弯沉响应行为是一个多层非线性粘弹或弹塑性材料表面动态微变形问题，具有响应时间短(毫秒级)、响应位移小(微米级)的特点，对其开展测试研究的难度较大。申请人采用数值仿真结合激光干涉测试法揭示了动态弯沉响应位移、响应速度及响应加速度特征规律，并且建立了相应的标准模型。在本专利中，标准弯沉模型是校准装置输出位移的依据，因而是本专利所述校准方法的重要核心技术。

本专利提出了一种弯沉拟态位移实现方法及装置

弯沉拟态位移装置由伺服电机、无间隙滚珠丝杠、减速装置及激光尺反馈系统组成，其工作原理是：通过伺服电机经减速装置驱动无间隙丝杠带动滑块进而带动工作台准确运动，并由激光反馈系统实现工作台的位置精确反馈，通过控制软件编程来设定运动的速度、加速度、运动位置、时间等参数，从而实现对弯沉响应过程的拟态复现。拟态位移装置是实现弯沉量值复现的重要技术手段，因而是本专利所述校准方法的重要核心技术。

本专利提供了一种不需要拆卸传感器的条件下对FWD设备进行整体校准的方法。

采用拟态位移技术重构实际路面结构的弯沉位移响应，拟态位移装置在刚性台座上可以自由调节至指定位置，并且与弯沉传感器相对应。通过控制系统输入标准弯沉信号，激发拟态装置输出相应的弯沉响应，复现标准弯沉值，实现对FWD设备的整体检校。这种整体检校方法有效克服了现有技术“只校传感器，不校设备整体”的局限性，全面反映了 FWD设备整体计量特性，因而是本专利对现有技术做出的重要改进。

表2对应于FWD各弯沉传感器位置的标准弯沉响应位移模型

Claims (2)

1.一种基于响应行为重构的路面动态弯沉校准装置，其特征在于：包括刚性平台、拟态位移装置、控制器、波形输入与反馈装置及连接装置；

刚性平台与地面固定连接，刚性平台上表面设置直线滑轨，多个拟态位移装置嵌入直线滑轨中，能自由移动位置，也能够在测试开始前固定在直线滑轨的某个位置上；拟态位移装置通过连接装置与控制器相连，波形输入与反馈装置与控制器连接，并且驱动拟态位移装置产生标准的弯沉响应；

其中，拟态位移装置是由伺服电机、无间隙滚珠丝杠及减速装置、激光尺反馈系统、位移平台组成，通过伺服电机经减速装置驱动的无间隙滚珠丝杠带动位移平台准确运动，并由激光反馈系统实现工作台的位置。

2.应用如权利要求1所述装置的方法，其特征在于：

(1)根据待校设备弯沉传感器的数量和位置，将同等数量的拟态位移装置安装在刚性台座滑轨的相应位置上；

(2)将待校弯沉设备移动至拟态位移装置正上方并使传感器与拟态位移装置相对应；

(3)打开校准装置；

(4)启动待校弯沉设备，使弯沉传感器的测量部接触拟态位移装置的位移平台，做好采集数据的准备；

(5)选择标准弯沉响应激励信号作为输入信号，激发各位移拟态装置产生相应的拟态位移，同时记录待校设备采集到的弯沉数据结果；

(6)对测试的结果进行记录，并且重复(5)直至测试次数达到要求；

(7)停止校准，保存并导出所有原始数据；

(8)所有元器件复位，关闭整个弯沉校准装置。