振動壓路機路面碾壓在線監測系統設計

◎楊昆明

振動壓路機路面碾壓在線監測系統設計

◎楊昆明

以LabVIEW作為軟件開發平臺，設計了一種基于LabVIEW的振動壓路機在線監測系統。簡要介紹了系統的總體結構和功能, 重點研究了硬軟件分系統設計中的關鍵技術問題。采用GPS技術將具體位置與系統監測到的加速度、溫度等壓實信息相對應，并以圖形化方式顯示，該系統可為壓實作業提供可靠參考，提高了壓實作業效率。

瀝青路面鋪筑質量的好壞直接關系著路面的使用壽命和行車的舒適程度，路面的壓實度是路面驗收的重要指標。傳統的路面壓實檢測主要采取路面鋪筑完后再進行抽樣檢測，這樣不能及時地給出壓實度結果；檢測點只是簡單的隨機數據采樣，也不能保證全部路段的施工質量。如何在保證施工質量的前提下減少壓路機的碾壓次數及避免“欠壓”和“過壓”，是施工企業急需解決的一個難題。

壓實度檢測原理

在進行碾壓作業時，振動輪的激振信號幅值與被壓材料的壓實度線性相關。在碾壓較松軟的彈性路面時，振動輪的加速度信號呈有規律的正弦波狀態，隨著碾壓遍數的增加，激振信號幅值也隨之增大。當壓實到一定程度以后, 振動幅值增量明顯降低，甚至為零，說明壓實工作完成。

根據上述振動信號的特點，可在振動輪上安裝加速度傳感器，當進行碾壓作業時，通過加速度傳感器連續檢測振動輪在壓實過程中的垂直振動分量，并分析振動信號的振幅和頻率，由計算機根據建立的數學模型和相關算法計算出相應的模量值，代替壓實度判斷壓實狀態，當動態連續檢測的結果達到要求值時，可以停止壓實作業。

硬件構成

硬件部分為所開發的監測軟件提供運行平臺，本系統由傳感器、信號調理器、數據采集卡、計算機、顯示器以及打印機等組成。來自傳感器的信號一般都比較小且經常夾雜一定高頻噪聲，在數據采集之前需先進行放大、濾波、隔離等預處理，以便滿足數據采集系統的要求。

軟件系統設計

本系統是解決路面施工質量檢測、壓路機狀態監測和控制管理問題。檢測參數分兩部分：一是對壓路機自身狀態進行實時監測，主要是為日后設備維護提供依據，信號可以從壓路機原有系統中引出；二是壓實信息檢測，主要是監控施工質量，施工質量參數由各類傳感器測出。本系統采用LabVIEW 2013平臺，系統軟件需完成數據采集、存儲、分析及顯示等功能。

軟件架構。對于動態測試高速數據采集系統，有時計算機內存一次存放不下采集到的大量數據，或者是在采集信號的同時還要分析數據、保存數據，一旦數據讀取和分析處理速度不匹配，就很容易導致讀取數據的重復或丟失。為了避免上述情況發生，整個程序設計建立在LabVIEW生產者／消費者循環模式結構上。

當系統數據采集過快又不能及時處理時，數據會暫時存放在緩沖區內。當消費者循環有能力處理時，才從緩沖區中按照“先進先出”的原則，將數據調入進行數據分析、保存等處理，這樣就能避免因高速采集而造成的競爭、重復分析或數據丟失現象。

數據采集模塊設計。數據采集設備（DAQ）是獲得并轉換物理信號（如電壓、電流、加速度和溫度）為數字格式并存入計算機的儀器。根據LabVIEW在測試測量中與儀器交互的方法和系統的結構特點，本系統在生產者循環中使用LabVIEW的API函數創建數據采集程序，即創建DAQ應用。

數據分析模塊設計。DAQ硬件只是將輸入信號轉換成計算機能識別的數字信號，系統測試任務實質上是由安裝在計算機中的分析軟件完成的。數據分析是將采集到的原始數據經過曲線擬合、統計分析、頻率響應或其他處理方式轉換為有意義的信息，然后再將數據以圖、表或者其他可視化形式顯示出來。

數據存儲模塊設計。數據的存儲是測試系統最主要的功能之一，存儲的數據主要是便于日后調出用于分析研究被測對象狀態變化的歷史趨勢或定期生成報表。本系統利用LabSQL數據庫訪問方法實現在LabVIEW軟件中調用數據庫中的數據信息。在LabVIEW中使用LabSQL調用數據庫非常方便、簡單，無需深入了解ActiveX技術和SQL語言，只需知道各VI的功能和數據庫設計及相關概念，即可設計出滿足要求的程序。

GPS模塊設計。瀝青路面施工時，通過GPS定位系統、加速度傳感器和溫度傳感器等設備，使壓路機運行位置和壓實信息(如行車速度、碾壓遍數、壓實度、瀝青溫度等參數)相對應，以便出現“欠壓”和“過壓”時準確定位地理位置，采取補救措施。

系統標定模塊。在工程應用中，LabVIEW經常用于測量物理量，這時存在一些量的轉化問題，就是將電量值轉換為具有實際意義的物理量值。本系統主要考慮路面壓實度和瀝青溫度。大量工程實踐經驗表明，在一定范圍內，振動輪加速度與壓實度近似為線性關系，要求得兩者之間的函數關系，得通過現場試驗來測得數據。在鋪筑試驗段時，先使用灌砂法測得碾壓每一遍瀝青路面的壓實值，再與對應每一遍檢測到的加速度信號值建立一一對應關系，再將標定系數輸入到用LabVIEW編寫的監測系統程序中，便可將所測加速度值換算成壓實度，就可實時監測顯示壓實度值。

設計了一種基于LabVIEW的振動壓路機在線監測系統，給出了系統的總體結構，詳細論述了系統的硬件組成和軟件分系統，闡述了系統的監測原理，采用GPS技術將壓實位置與壓實信息相對應。該系統可以實時地監控路面的壓實狀態，使機手無需憑猜測和經驗施工，減少了人為因素造成的漏壓或過壓現象的發生，能有效地指導施工人員工作，有利于保證路面施工質量，提高壓實作業的效率。

（作者單位：西安航空學院）