CN109610413A - 基于滞后相位角的坝料压实质量实时检测装置及方法 - Google Patents

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高雷
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Abstract

本发明属于大坝施工质量控制领域，为提出适用土石坝或碾压混凝土坝压实质量的实时检测装置及两种检测方法，提高压实指标表征坝料压实质量的准确度，本发明，基于滞后相位角的坝料压实质量实时检测装置，包括碾振加速度传感器、霍尔传感器、GNSS定位模块、车载集成控制器模块、无线通讯模块和碾压机电源模块共6个部分，其中：碾振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，在对坝料进行振动碾压时，实时采集碾轮竖直方向的振动加速度时域模拟信号，转换成时域数字信号，然后通过接口将一个采样周期内的加速度时域数字信号和对应的采样时间，传输到车载集成控制器模块中。本发明主要应用于大坝施工质量控制场合。

Description

基于滞后相位角的坝料压实质量实时检测装置及方法
技术领域
本发明属于大坝施工质量控制领域，尤其是涉及土石坝料或碾压混凝土坝料在振动碾压 过程中压实质量的实时检测装置及方法。具体讲,涉及基于滞后相位角的坝料压实质量实时检 测装置及方法。
背景技术
国内一些碾压土石坝出现严重渗透破坏、坝体开裂等安全事故以及碾压混凝土坝出现层 间结合不良问题的一个重要原因就是坝料的压实效果不佳。近年来，大坝压实质量实时监控 技术的发展与应用推广[1-3]，为大坝施工质量提供了先进的技术途径。
目前国内外坝料压实质量实时检测中有一类指标是把碾压机—坝料相互作用系统简化为 阻尼弹簧系统，基于加速度时域分析，即基于加速度幅值变化提出的时域压实指标。如：坝 料压实刚度指标Ks [4,5](Roller Integrated Stiffness)，坝料弹性模量指标Evib [6](Vibratory Modulus Value)及地基反力指标Fs [7](Soil-drum-interaction Force)。时域压实检测指标可以很好地表 征土石料压实特性的变化，但是实际上这些指标不仅受加速度变化的影响，而且在检测指标 计算时还需要考虑碾轮激振力与位移之间的滞后相位角的影响。
滞后相位角是指在坝料碾压过程中，碾轮位移落后于激振力的相位差。当前很多研究认 为在坝料压实过程中滞后相位角为90°[8,9]，但实际上，该结论只有在碾轮—坝料共振系统， 即碾压机的振动频率等于坝料的固有频率时才适用[10]。在实际工程中，由于碾压机的使用磨 损，其振动频率会发生改变，往往会小于铭牌标称值，总的来说，滞后相位角会受坝料压实 程度和碾轮振动频率的影响，所以滞后相位角并不是一个定值[10,11]，在现场试验中发现：当 碾压机振动频率一定时，滞后相位角随碾压遍数n的变化呈现“S型”曲线的变化趋势，且 随着坝料压实，滞后相位角逐渐变小。当坝料逐渐被压实时，滞后相位角变化趋于平缓，滞 后相位角的变化可以很好地反映坝料压实质量，故滞后相位角可以作为压实质量的检测指标； 同时，地基反力作为坝料压实质量的检测指标时需要考虑滞后相位角的影响。本专利提出的 基于滞后相位角的坝料压实质量实时检测装置和基于以上两种指标的压实质量检测方法，可 以提高检测坝料压实质量的精度。
参考文献：
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[12]刘东海,连振宏,李子龙.土石坝碾压激振频率和激振力实时监控系统及监控方法 [P].CN103850241A,2014-06-11.
[13]刘东海,林敏,刘磊.碾压过程中土石和沥青混凝土坝料刚度实时检测装置[P]. CN105915594A,2016-08-31.
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在针对现有检测坝料压实质量的地基反力压实指标的 缺陷，提出适用土石坝或碾压混凝土坝压实质量的实时检测装置及两种检测方法，提高压实 指标表征坝料压实质量的准确度。为此，本发明采用的技术方案是，基于滞后相位角的坝料 压实质量实时检测装置，包括碾振加速度传感器、霍尔传感器、GNSS定位模块、车载集成 控制器模块、无线通讯模块和碾压机电源模块共6个部分，其中：
碾振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，在对坝料进行振动 碾压时，实时采集碾轮竖直方向的振动加速度时域模拟信号，转换成时域数字信号，然后通 过接口将一个采样周期内的加速度时域数字信号和对应的采样时间，传输到车载集成控制器 模块中；
霍尔传感器安装在有振幅手轮的碾压机振动轮一侧且不随振动轮转动的部位，感应的磁 铁片粘贴在振幅手轮上且与碾压机偏心块在垂直于振幅手轮的同一平面上，在对坝料进行振 动碾压时，实时采集磁铁片切割磁感线时产生的电压信号，然后通过接口将一个采样周期内 的电压信号和对应的采样时间，传输到车载集成控制器模块中；
GNSS定位模块包括卫星信号接收机、卫星天线和差分无线电天线，卫星天线安装在碾 压机车顶上，用于接收卫星信号，确定碾压机当前位置，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基站的差分信号，接收机作实时动态差分RTK(Real-timeKinematic)， 该模块用于获得任意时刻碾压机位置的坐标，并将该位置坐标与相应的采集时间传送到车载 集成控制器模块中；
车载集成控制器模块安装在碾压机驾驶室内，包括计算分析子模块和车载显示子模块， 在计算分析子模块中，将实时采集的碾轮振动加速度时域数字信号经过滤波处理得到加速度 随时间变化的时域曲线a-t，并计算一个采样周期内的加速度幅值的平均值am；对加速度数据 作快速傅里叶变换得到碾压机实际输出的振动频率f，进而计算偏心块转动角速度ω，对加速 度数据作两次频域积分处理得到碾轮振动位移数据随时间变化的时域曲线x-t；同时，通过对 霍尔传感器实时采集的电压信号V(t)分析处理可以得到偏心块实时转动位置，检测到强电 压信号时，偏心块刚好运动到霍尔传感器感应的位置，进而推求碾压机激振力随时间变化的 时域曲线F-t；对比F-t与x-t曲线的峰值时间间隔Δt；
无线通讯模块将车载集成控制器模块发送过来的当前碾压机标识、当前采样时刻、当前 位置，以及相应的压实质量、和Fs等数据经3G/4G移动通讯网络，传送到远程数据库服 务器中保存，以供后续应用；
碾压机电源模块将碾压机自身的电源电压转化成车载集成控制器模块所需要的电压，并 根据GNSS定位模块、无线通讯模块、碾振加速度传感器及霍尔传感器所需的不同电压，经 电源转化变压后再分别向各模块供电。
求出滞后相位角并在计算分析子模块内计算采样点处考虑滞后相位角的改进地基反 力Fs具体地：
偏心块转动角速度ω：
ω＝2·π·f
激振力F的推求公式：
F＝mereω2cos(ω·t+β)
式中，me、re分别为偏心块质量、偏心距，ω偏心块转动角速度，β为偏心块初始相位角，
滞后相位角计算公式：
式中，Δt为某一遍数下一个采样周期内碾轮位移峰值与压应力峰值之间的时间差均值； k为一个采样周期内位移周期的个数；Δti为一个采样周期内第i个时间差；
考虑滞后相位角的改进地基反力计算公式：
式中，md为碾轮质量，am一个采样周期内加速度幅值的均值。
基于滞后相位角的坝料压实质量实时检测方法，通过试验条带建立压实质量与滞后相位 角的回归模型，即压实质量评估模型；利用安装在碾轮上的碾振加速度传感器采集当前施工 仓面不同采样点处振动加速度数据，用安装在碾轮上的霍尔传感器，实时采集偏心块转动产 生的电压信号；车载集成控制器的计算分析子模块实时计算此时的滞后相位角Δφ；同时， 在计算分析子模块中计算当前采样点处压实质量数据；并与设定的压实质量标准进行比较， 用以辅助碾压机司机操作，及时反馈控制施工质量。
具体步骤细化为：
(1)坝料压实质量可用坝料压实度D来反映，通过试验条带建立压实度D1与滞后相位 角的线性回归模型：
模型：
式中，f(·)为压实度回归函数；β1为回归系数；ε1为模型残差；D1为土石坝料回归模型对 应的压实度；滞后相位角计算公式：
式中，Δt为某一遍数下一个采样周期内碾轮位移峰值与压应力峰值之间的时间差均值；k 为一个采样周期内位移周期的个数；Δti为一个采样周期内第i个时间差；
(2)在车载集成控制器模块内输入事先建立好的压实度回归模型；标准的压实质量控制 要求；
(3)确定当前施工仓面，开始进行压实质量实时检测；
(4)利用安装在碾轮上的碾振加速度传感器实时采集竖直方向上的加速度时域数字信号， 用安装在碾轮上的霍尔传感器，实时采集偏心块转动产生的电压信号，采样点时间间隔t在 满足工程精度要求下取足够小，碾振加速度传感器与霍尔传感器采样频率保持一致，采样频 率fs＝1/t，在车载集成控制器的计算分析子模块中，将实时采集的碾轮振动加速度时域数字信 号经过滤波处理得到加速度随时间变化的时域曲线a-t；对加速度数据作快速傅里叶变换得到 碾压机实际输出的振动频率f，进而计算偏心块转动角速度ω，对加速度数据作两次频域积分 处理得到碾轮振动位移数据随时间变化的时域曲线x-t；同时，通过对霍尔传感器实时采集的 电压信号分析处理得到偏心块实时转动位置，检测到电压信号时，偏心块刚好运动到霍尔传 感器的位置，进而推求碾压机激振力随时间变化的时域曲线F-t；对比F-t与x-t曲线的峰值时 间间隔Δt求出滞后相位角
(5)用安装在碾压机驾驶室顶部的GNSS定位模块实时采集采样点的位置坐标，并将采 样点的位置信息传输到车载集成控制器模块中。
(6)将当前采样位置处的代入压实质量回归模型内，利用计算分析子模块实时计算 当前采样点的压实质量；
(7)车载集成控制器模块的显示屏实时显示碾压机的当前位置，以及全仓面上各位置处 的压实质量，并显示设定的压实质量控制标准，供碾压机司机查看，以便司机判定当前位置 是否达到设定的压实质量。若没有达到，需继续进行碾压；
(8)利用无线通讯模块将车载集成控制器模块发送过来的当前碾压机标识、当前采样时 刻、当前位置，以及相应的压实质量、等数据经3G/4G移动通讯网络，传送到远程数据库 服务器中保存，以供后续应用。
步骤(1)中的模型：D2＝f(Fs；β2)+ε2
式中，f(·)为压实度回归函数；β2为回归系数；ε2为模型残差；D2为土石坝料回归模型对 应的压实度；考虑滞后相位角的改进地基反力计算公式：
式中，md为碾轮质量，am个周期内加速度幅值的均值；
步骤(4)利用安装在碾轮上的碾振加速度传感器实时采集竖直方向上的加速度时域数字 信号，用安装在碾轮上的霍尔传感器，实时采集偏心块转动产生的电压信号，采样点时间间 隔t在满足工程精度要求下取足够小，碾振加速度传感器与霍尔传感器采样频率保持一致， 采样频率fs＝1/t，在车载集成控制器的计算分析子模块中，将实时采集的碾轮振动加速度时域 数字信号经过滤波处理得到加速度随时间变化的时域曲线a-t；对加速度数据作快速傅里叶变 换得到碾压机实际输出的振动频率f，进而计算偏心块转动角速度ω，对加速度数据作两次频 域积分处理得到碾轮振动位移数据随时间变化的时域曲线x-t；同时，通过对霍尔传感器实时 采集的电压信号分析处理可以得到偏心块实时转动位置，检测到电压信号时，偏心块刚好运 动到霍尔传感器的位置，进而推求碾压机激振力随时间变化的时域曲线F-t；对比F-t与x-t 曲线的峰值时间间隔Δt求出滞后相位角根据Fs公式计算采样点处的改进地基反力。
本发明的特点及有益效果是：
本发明旨在克服现有研究方法的不足，提出了适用土石坝或碾压混凝土坝压实质量实时 检测装置及方法。其有益效果如下：
(1)提出了基于滞后相位角的坝料压实质量实时检测装置及两种实时检测方法。两种实 时检测方法：一是基于滞后相位角指标的检测方法；二是考虑滞后相位角的改进地基反力检 测方法，在计算地基反力Fs时考虑滞后相位角的影响，可以提高地基反力作为压实检测指标 表征坝料压实质量时的准确度。
(2)实现了土石坝或碾压混凝土坝全仓面压实质量远程实时监控，为确保大坝施工质量 提供有力保障。
附图说明：
图1是本发明的坝料压实质量检测装置构成图；
图2是本发明的坝料压实质量实时检测流程图。
具体实施方式
本发明旨在克服现有研究方法的不足，针对现有检测坝料压实质量的地基反力压实指标 的缺陷，提出了适用土石坝或碾压混凝土坝压实质量实时检测装置及两种检测方法，提高压 实指标表征坝料压实质量的准确度。为此，本发明采用的技术方案包括土石坝或碾压混凝土 坝压实质量实时检测装置及方法，检测装置包括：碾振加速度传感器、霍尔传感器、GNSS (Global Navigation Satellite System)定位模块、车载集成控制器模块、无线通讯模块和碾压 机电源模块共6部分，组成结构见图1。
碾振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。在对坝料进行振动 碾压时，实时采集碾轮竖直方向的振动加速度时域模拟信号，转换成时域数字信号。然后通 过接口将一个采样周期(时间尽可能短)内的加速度时域数字信号和对应的采样时间，传输 到车载集成控制器模块中。
霍尔传感器安装在有振幅手轮的碾压机振动轮一侧且不随振动轮转动的部位，感应的磁 铁片粘贴在振幅手轮上且与碾压机偏心块在垂直于振幅手轮的同一平面上。在对坝料进行振 动碾压时，实时采集磁铁片切割磁感线时产生的电压信号。然后通过接口将一个采样周期(时 间尽可能短)内的电压信号和对应的采样时间，传输到车载集成控制器模块中。
GNSS定位模块包括卫星信号接收机、卫星天线和差分无线电天线。卫星天线安装在碾 压机车顶上，用于接收卫星信号，确定碾压机当前位置，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基站的差分信号，接收机作实时动态差分(Real-timeKinematic， RTK)。该模块用于获得任意时刻碾压机位置的坐标，并将该位置坐标与相应的采集时间传送 到车载集成控制器模块中。
车载集成控制器模块安装在碾压机驾驶室内，包括计算分析子模块和车载显示子模块。 在计算分析子模块中，将实时采集的碾轮振动加速度时域数字信号经过滤波处理得到加速度 随时间变化的时域曲线a-t，并计算一个采样周期内的加速度幅值的平均值am；对加速度数据 作快速傅里叶变换[12]得到碾压机实际输出的振动频率f，进而计算偏心块转动角速度ω，对加 速度数据作两次频域积分处理[13]得到碾轮振动位移数据随时间变化的时域曲线x-t；同时，通 过对霍尔传感器实时采集的电压信号V(t)分析处理可以得到偏心块实时转动位置(检测到强 电压信号时，偏心块刚好运动到霍尔传感器感应的位置)，进而推求碾压机激振力随时间变化 的时域曲线F-t；对比F-t与x-t曲线的峰值时间间隔Δt，求出滞后相位角并在计算分析 子模块内计算采样点处考虑滞后相位角的地基反力Fs。
偏心块转动角速度ω：
ω＝2·π·f
激振力F的推求公式：
F＝mereω2cos(ω·t+β)
式中，me、re分别为偏心块质量、偏心距，ω偏心块转动角速度，β为偏心块初始相位角。
滞后相位角计算公式：
式中，Δt为某一遍数下一个采样周期内碾轮位移峰值与压应力峰值之间的时间差均值； k为一个采样周期内位移周期的个数；Δti为一个采样周期内第i个时间差。
考虑滞后相位角的改进地基反力计算公式：
式中，md为碾轮质量，am一个采样周期内加速度幅值的均值。
无线通讯模块将车载集成控制器模块发送过来的当前碾压机标识、当前采样时刻、当前 位置，以及相应的压实质量、和Fs等数据经3G/4G移动通讯网络，传送到远程数据库服 务器中保存，以供后续应用。
碾压机电源模块将碾压机自身的电源电压转化成车载集成控制器模块所需要的电压，并 根据GNSS定位模块、无线通讯模块、碾振加速度传感器及霍尔传感器所需的不同电压，经 电源转化变压后再分别向各模块供电。
基于滞后相位角的检测指标的坝料压实质量实时检测方法如下：
(1)事先通过试验条带分别建立压实质量与滞后相位角的回归模型1，压实质量与考虑 滞后相位角的改进地基反力的回归模2；
(2)在车载集成控制器模块内输入压实质量的回归模型、设定的压实质量控制标准，以 及要检测的坝区施工仓面的属性信息和坝区施工仓面电子地图；
(3)确定当前施工仓面，开始进行压实质量实时检测；
(4)利用安装在碾轮上的碾振加速度传感器，实时采集碾轮竖直方向上的加速度；利用 安装在碾轮上的霍尔传感器，实时采集偏心块转动产生的电压信号；同时利用安装在碾压机 驾驶室内的车载集成控制器模块接收碾振加速度传感器采集的振动加速度数据和霍尔传感器 采集的偏心块转动的电压信号，并利用计算分析子模块实时计算碾轮位移与激振力，进而推 求滞后相位角和考虑滞后相位角的改进地基反力Fs；
(5)利用安装在碾压机驾驶室顶部的GNSS定位模块，实时采集采样点的位置坐标；
(6)将当前采样位置处的代入压实质量回归模型1内，将当前采样位置处的Fs代入压实质量回归模型2内，计算分析子模块分别实时计算出当前采样点的压实质量；
(7)车载集成控制器模块的车载显示子模块实时显示碾压机的当前位置，以及全仓面上 各位置处的压实质量，并显示设定的压实质量控制标准，供碾压机司机查看，以便司机判定 当前位置是否达到设定的压实质量。若没有达到，需继续进行碾压；
(8)利用无线通讯模块将车载集成控制器模块发送过来的当前碾压机标识、当前采样时 刻、当前位置，以及相应的压实质量、和Fs等数据经3G/4G移动通讯网络，传送到远程 数据库服务器中保存，以供后续应用。
本发明是基于滞后相位角的坝料压实质量实时检测装置及方法。具体的坝料压实质量实 时检测装置和方法如下：
(一)坝料压实质量实时检测装置
参照图1，本检测装置系统包括碾振加速度传感器、霍尔传感器、GNSS定位模块、车载 集成控制器模块、无线通讯模块和碾压机电源模块共6个部分。
(1)碾振加速度传感器。由车载集成控制器模块供电(本发明中供电电压为3.3V)，加 速度传感器安装在振动轮上且不随振动轮转动的部位，实时采集碾轮竖直方向的振动加速度 时域模拟信号，并将其转换成时域数字信号。碾振加速度传感器与车载集成控制器模块通过 SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)接口连接，将一个采样周期(时间尽可能短) 内的加速度时域数字信号和对应的采样时间传输到车载集成控制器模块中。
三轴加速度传感器可采用美国ADI(Analog Device Instrument)公司生产的ADIS16228 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20～70Hz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。
(2)霍尔传感器。由车载集成控制器模块供电(本发明中供电电压为10V)，霍尔传感 器安装在有振幅手轮的碾压机振动轮一侧且不随振动轮转动的部位，感应的磁铁片粘贴在碾 压机振幅手轮上且与碾压机偏心块在垂直于振幅手轮的同一平面上。然后通过SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)接口连接，将一个采样周期(时间尽可能短)内的电压信 号和对应的采样时间，传输到车载集成控制器模块中。霍尔传感器可采用上海木西公司生产 的MHM12-M10NA-Y3L6霍尔传感器，最高采样频率10.2kHz，检测距离20mm。
(3)GNSS定位模块。由车载集成控制器模块供电(本发明中供电电压为16.8V)，该模 块通过RS-232串行接口与车载集成控制器模块连接。GNSS定位模块包括卫星信号接收机、 卫星天线和差分无线电天线。卫星天线安装在碾压机车顶上，用于接收卫星信号，确定碾压 机当前位置，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基站的差分信号， 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)。该模块用于获得任意时刻碾压机位置的坐标，并将该位置坐标与相应的采集时间传送到 车载集成控制器模块中。卫星信号接收机可采用华测X900GNSS接收机。
(4)车载集成控制器模块。由碾压机电源模块供电(本发明中供电电压为12V)，该模 块通过转换变压后，再分别向其计算分析子模块和车载显示子模块供电，同时，将输入电压 转化成碾振加速度传感器、霍尔传感器、GNSS定位模块、无线通讯模块各自需要的电压后， 通过电源接口对各模块供电。通过RS-232接口分别与GNSS定位模块和无线通讯模块相连接， 并通过SPI接口与碾振加速度传感器和霍尔传感器进行连接。
(5)无线通讯模块。由车载集成控制器模块供电(本发明中供电电压为12V)，无线通 讯模块将车载集成控制器模块通过RS-232接口发送过来的当前碾压机标识、当前采样时刻、 当前位置，以及相应的压实质量、和Fs实时地通过3G/4G网络模块传送到远程数据库服 务器中。3G/4G网络模块可采用华为E8372无线网卡。
(6)碾压机电源模块。通过将碾压机自身的电源电压转化成车载集成控制器模块所需要 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 需的稳定电压供给车载集成控制器模块，车载集成控制器模块再根据碾振加速度传感器、 GNSS定位模块、车载集成控制器模块、无线通讯模块对电压的不同需要，经车载集成控制 器模块的转换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)。
(二)基于滞后相位角指标的坝料压实质量实时检测方法
基于滞后相位角指标的坝料压实质量实时检测方法如图2所示，事先通过试验条带建立 压实质量与滞后相位角的回归模型1，即压实质量评估模型；利用安装在碾轮上的碾振加速 度传感器采集当前施工仓面不同采样点处振动加速度数据，用安装在碾轮上的霍尔传感器， 实时采集偏心块转动产生的电压信号；车载集成控制器的计算分析子模块实时计算此时的滞 后相位角同时，在计算分析子模块中计算当前采样点处压实质量数据；并与设定的压实 质量标准进行比较，用以辅助碾压机司机操作，及时反馈控制施工质量。
该检测方法具体步骤如下：
(1)坝料压实质量可用坝料压实度D来反映，事先通过试验条带建立压实度D1与滞后 相位角的线性回归模型1：
模型1：
式中，f(·)为压实度回归函数；β1为回归系数；ε1为模型残差；D1为土石坝料回归模型对 应的压实度。
滞后相位角计算公式：
式中，Δt为某一遍数下一个采样周期内碾轮位移峰值与压应力峰值之间的时间差均值； k为一个采样周期内位移周期的个数；Δti为一个采样周期内第i个时间差。
(2)在车载集成控制器模块内输入事先建立好的压实度回归模型；标准的压实质量控制 要求，如：粘土心墙坝料压实度大于98％；要检测工作仓面的属性信息，包括仓面的编号、 施工单位、碾压机配置情况及其编号；坝区施工仓面电子地图等。
(3)确定当前施工仓面，开始进行压实质量实时检测。
(4)利用安装在碾轮上的碾振加速度传感器实时采集竖直方向上的加速度时域数字信号， 用安装在碾轮上的霍尔传感器，实时采集偏心块转动产生的电压信号，采样点时间间隔t在 满足工程精度要求下取足够小，碾振加速度传感器与霍尔传感器采样频率保持一致，采样频 率fs＝1/t。在车载集成控制器的计算分析子模块中，将实时采集的碾轮振动加速度时域数字信 号经过滤波处理得到加速度随时间变化的时域曲线a-t；对加速度数据作快速傅里叶变换[12]得到碾压机实际输出的振动频率f，进而计算偏心块转动角速度ω，对加速度数据作两次频域 积分处理得到碾轮振动位移数据随时间变化的时域曲线x-t；同时，通过对霍尔传感器实时采集 的电压信号分析处理可以得到偏心块实时转动位置(检测到电压信号时，偏心块刚好运动到霍 尔传感器的位置)，进而推求碾压机激振力随时间变化的时域曲线F-t；对比F-t与x-t曲线的 峰值时间间隔Δt求出滞后相位角
(5)用安装在碾压机驾驶室顶部的GNSS定位模块实时采集采样点的位置坐标，并将采 样点的位置信息传输到车载集成控制器模块中。
(6)将当前采样位置处的代入压实质量回归模型内，利用计算分析子模块实时计算 当前采样点的压实质量。
(7)车载集成控制器模块的显示屏实时显示碾压机的当前位置，以及全仓面上各位置处 的压实质量，并显示设定的压实质量控制标准，供碾压机司机查看，以便司机判定当前位置 是否达到设定的压实质量。若没有达到，需继续进行碾压。
(8)利用无线通讯模块将车载集成控制器模块发送过来的当前碾压机标识、当前采样时 刻、当前位置，以及相应的压实质量、等数据经3G/4G移动通讯网络，传送到远程数据 库服务器中保存，以供后续应用。
(三)基于考虑滞后相位角的改进地基反力指标的坝料压实质量实时检测方法
基于考虑滞后相位角的改进地基反力指标的坝料压实质量实时检测方法如图2所示，事 先通过试验条带建立压实质量与考虑滞后相位角的改进地基反力的回归模2，即压实质量评 估模型；利用安装在碾轮上的碾振加速度传感器采集当前施工仓面不同采样点处振动加速度 数据，用安装在碾轮上的霍尔传感器，实时采集偏心块转动产生的电压信号；车载集成控制 器的计算分析子模块实时计算此时的滞后相位角和考虑滞后相位角的改进地基反力Fs； 同时，在计算分析子模块中计算当前采样点处压实质量数据；并与设定的压实质量标准进行 比较，用以辅助碾压机司机操作，及时反馈控制施工质量。
该检测方法总体步骤如下：
步骤1：压实质量模型1或2的建立
步骤2：压实质量标准、施工仓面等信息输入
步骤3：当前施工仓面确定，压实质量检测
步骤4：加速度数据和偏心块转动产生电压信号的采集，计算Fs
步骤5：采样点位置坐标采集
步骤6：采样点压实质量计算
步骤7：压实质量信息显示与判断，辅助碾压
步骤8：数据发送与保存
更进一步地具体步骤如下：
(1)坝料压实质量可用坝料压实度D来反映，事先通过试验条带建立压实度D2与考虑 滞后相位角的改进地基反力Fs的线性回归模2；
模型2：D2＝f(Fs；β2)+ε2
式中，f(·)为压实度回归函数；β2为回归系数；ε2为模型残差；D2为土石坝料回归模型对 应的压实度。
考虑滞后相位角的改进地基反力计算公式：
式中，md为碾轮质量，am个周期内加速度幅值的均值。
(2)在车载集成控制器模块内输入事先建立好的压实度回归模型；标准的压实质量控制 要求，如：粘土心墙坝料压实度大于98％；要检测工作仓面的属性信息，包括仓面的编号、 施工单位、碾压机配置情况及其编号；坝区施工仓面电子地图等。
(3)确定当前施工仓面，开始进行压实质量实时检测。
(4)利用安装在碾轮上的碾振加速度传感器实时采集竖直方向上的加速度时域数字信号， 用安装在碾轮上的霍尔传感器，实时采集偏心块转动产生的电压信号，采样点时间间隔t在 满足工程精度要求下取足够小，碾振加速度传感器与霍尔传感器采样频率保持一致，采样频 率fs＝1/t。在车载集成控制器的计算分析子模块中，将实时采集的碾轮振动加速度时域数字信 号经过滤波处理得到加速度随时间变化的时域曲线a-t；对加速度数据作快速傅里叶变换得到 碾压机实际输出的振动频率f，进而计算偏心块转动角速度ω，对加速度数据作两次频域积分 处理得到碾轮振动位移数据随时间变化的时域曲线x-t；同时，通过对霍尔传感器实时采集的 电压信号分析处理可以得到偏心块实时转动位置(检测到电压信号时，偏心块刚好运动到霍尔 传感器的位置)，进而推求碾压机激振力随时间变化的时域曲线F-t；对比F-t与x-t曲线的峰 值时间间隔Δt求出滞后相位角根据Fs公式计算采样点处的地基反力。
(5)用安装在碾压机驾驶室顶部的GNSS定位模块实时采集采样点的位置坐标，并将采 样点的位置信息传输到车载集成控制器模块中。
(6)将当前采样位置处的Fs代入压实质量回归模型2内，利用计算分析子模块实时计 算当前采样点的压实质量。
(7)车载集成控制器模块的显示屏实时显示碾压机的当前位置，以及全仓面上各位置处 的压实质量，并显示设定的压实质量控制标准，供碾压机司机查看，以便司机判定当前位置 是否达到设定的压实质量。若没有达到，需继续进行碾压。
(8)利用无线通讯模块将车载集成控制器模块发送过来的当前碾压机标识、当前采样时 刻、当前位置，以及相应的压实质量、Fs等数据经3G/4G移动通讯网络，传送到远程数据库 服务器中保存，以供后续应用。

Claims (5)

1.一种基于滞后相位角的坝料压实质量实时检测装置，其特征是，包括碾振加速度传感器、霍尔传感器、GNSS定位模块、车载集成控制器模块、无线通讯模块和碾压机电源模块共6个部分，其中：
碾振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，在对坝料进行振动碾压时，实时采集碾轮竖直方向的振动加速度时域模拟信号，转换成时域数字信号，然后通过接口将一个采样周期内的加速度时域数字信号和对应的采样时间，传输到车载集成控制器模块中；
霍尔传感器安装在有振幅手轮的碾压机振动轮一侧且不随振动轮转动的部位，感应的磁铁片粘贴在振幅手轮上且与碾压机偏心块在垂直于振幅手轮的同一平面上，在对坝料进行振动碾压时，实时采集磁铁片切割磁感线时产生的电压信号，然后通过接口将一个采样周期内的电压信号和对应的采样时间，传输到车载集成控制器模块中；
GNSS定位模块包括卫星信号接收机、卫星天线和差分无线电天线，卫星天线安装在碾压机车顶上，用于接收卫星信号，确定碾压机当前位置，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基站的差分信号，接收机作实时动态差分RTK(Real-timeKinematic)，该模块用于获得任意时刻碾压机位置的坐标，并将该位置坐标与相应的采集时间传送到车载集成控制器模块中；
车载集成控制器模块安装在碾压机驾驶室内，包括计算分析子模块和车载显示子模块，在计算分析子模块中，将实时采集的碾轮振动加速度时域数字信号经过滤波处理得到加速度随时间变化的时域曲线a-t，并计算一个采样周期内的加速度幅值的平均值am；对加速度数据作快速傅里叶变换得到碾压机实际输出的振动频率f，进而计算偏心块转动角速度ω，对加速度数据作两次频域积分处理得到碾轮振动位移数据随时间变化的时域曲线x-t；同时，通过对霍尔传感器实时采集的电压信号V(t)分析处理可以得到偏心块实时转动位置，检测到强电压信号时，偏心块刚好运动到霍尔传感器感应的位置，进而推求碾压机激振力随时间变化的时域曲线F-t；对比F-t与x-t曲线的峰值时间间隔Δt；
无线通讯模块将车载集成控制器模块发送过来的当前碾压机标识、当前采样时刻、当前位置，以及相应的压实质量、和Fs等数据经3G/4G移动通讯网络，传送到远程数据库服务器中保存，以供后续应用；
碾压机电源模块将碾压机自身的电源电压转化成车载集成控制器模块所需要的电压，并根据GNSS定位模块、无线通讯模块、碾振加速度传感器及霍尔传感器所需的不同电压，经电源转化变压后再分别向各模块供电。
2.如权利要求1所述的基于滞后相位角的坝料压实质量实时检测装置，其特征是，求出滞后相位角并在计算分析子模块内计算采样点处考虑滞后相位角的地基反力Fs具体地：
偏心块转动角速度ω：
ω＝2·π·f
激振力F的推求公式：
F＝mereω2cos(ω·t+β)
式中，me、re分别为偏心块质量、偏心距，ω偏心块转动角速度，β为偏心块初始相位角，
滞后相位角计算公式：
式中，Δt为某一遍数下一个采样周期内碾轮位移峰值与压应力峰值之间的时间差均值；k为一个采样周期内位移周期的个数；△ti为一个采样周期内第i个时间差；
考虑滞后相位角的改进地基反力计算公式：
式中，md为碾轮质量，am一个采样周期内加速度幅值的均值。
3.一种基于滞后相位角的坝料压实质量实时检测方法，其特征是，通过试验条带建立压实质量与滞后相位角的回归模型，即压实质量评估模型；利用安装在碾轮上的碾振加速度传感器采集当前施工仓面不同采样点处振动加速度数据，用安装在碾轮上的霍尔传感器，实时采集偏心块转动产生的电压信号；车载集成控制器的计算分析子模块实时计算此时的滞后相位角Δφ；同时，在计算分析子模块中计算当前采样点处压实质量数据；并与设定的压实质量标准进行比较，用以辅助碾压机司机操作，及时反馈控制施工质量。
4.如权利要求3所述的基于滞后相位角的坝料压实质量实时检测方法，其特征是，具体步骤细化为：
(1)坝料压实质量可用坝料压实度D来反映，通过试验条带建立压实度D1与滞后相位角的线性回归模型：
模型：
式中，f(·)为压实度回归函数；β1为回归系数；ε1为模型残差；D1为土石坝料回归模型对应的压实度；滞后相位角计算公式：
式中，Δt为某一遍数下一个采样周期内碾轮位移峰值与压应力峰值之间的时间差均值；k为一个采样周期内位移周期的个数；Δti为一个采样周期内第i个时间差；
(2)在车载集成控制器模块内输入事先建立好的压实度回归模型；标准的压实质量控制要求；
(3)确定当前施工仓面，开始进行压实质量实时检测；
(4)利用安装在碾轮上的碾振加速度传感器实时采集竖直方向上的加速度时域数字信号，用安装在碾轮上的霍尔传感器，实时采集偏心块转动产生的电压信号，采样点时间间隔t在满足工程精度要求下取足够小，碾振加速度传感器与霍尔传感器采样频率保持一致，采样频率fs＝1/t，在车载集成控制器的计算分析子模块中，将实时采集的碾轮振动加速度时域数字信号经过滤波处理得到加速度随时间变化的时域曲线a-t；对加速度数据作快速傅里叶变换得到碾压机实际输出的振动频率f，进而计算偏心块转动角速度ω，对加速度数据作两次频域积分处理得到碾轮振动位移数据随时间变化的时域曲线x-t；同时，通过对霍尔传感器实时采集的电压信号分析处理得到偏心块实时转动位置，检测到电压信号时，偏心块刚好运动到霍尔传感器的位置，进而推求碾压机激振力随时间变化的时域曲线F-t；对比F-t与x-t曲线的峰值时间间隔Δt求出滞后相位角
(5)用安装在碾压机驾驶室顶部的GNSS定位模块实时采集采样点的位置坐标，并将采样点的位置信息传输到车载集成控制器模块中。
(6)将当前采样位置处的代入压实质量回归模型内，利用计算分析子模块实时计算当前采样点的压实质量；
(7)车载集成控制器模块的显示屏实时显示碾压机的当前位置，以及全仓面上各位置处的压实质量，并显示设定的压实质量控制标准，供碾压机司机查看，以便司机判定当前位置是否达到设定的压实质量。若没有达到，需继续进行碾压；
(8)利用无线通讯模块将车载集成控制器模块发送过来的当前碾压机标识、当前采样时刻、当前位置，以及相应的压实质量、等数据经3G/4G移动通讯网络，传送到远程数据库服务器中保存，以供后续应用。
5.如权利要求3所述的基于滞后相位角的坝料压实质量实时检测方法，其特征是，
步骤(1)中的模型：D2＝f(Fs；β2)+ε2
式中，f(·)为压实度回归函数；β2为回归系数；ε2为模型残差；D2为土石坝料回归模型对应的压实度；考虑滞后相位角的改进地基反力计算公式：
式中，md为碾轮质量，am个周期内加速度幅值的均值；
步骤(4)利用安装在碾轮上的碾振加速度传感器实时采集竖直方向上的加速度时域数字信号，用安装在碾轮上的霍尔传感器，实时采集偏心块转动产生的电压信号，采样点时间间隔t在满足工程精度要求下取足够小，碾振加速度传感器与霍尔传感器采样频率保持一致，采样频率fs＝1/t，在车载集成控制器的计算分析子模块中，将实时采集的碾轮振动加速度时域数字信号经过滤波处理得到加速度随时间变化的时域曲线a-t；对加速度数据作快速傅里叶变换得到碾压机实际输出的振动频率f，进而计算偏心块转动角速度ω，对加速度数据作两次频域积分处理得到碾轮振动位移数据随时间变化的时域曲线x-t；同时，通过对霍尔传感器实时采集的电压信号分析处理可以得到偏心块实时转动位置，检测到电压信号时，偏心块刚好运动到霍尔传感器的位置，进而推求碾压机激振力随时间变化的时域曲线F-t；对比F-t与x-t曲线的峰值时间间隔△t求出滞后相位角根据Fs公式计算采样点处的地基反力。
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