道路工程結構狀態與環境參數檢測成套裝備的設計開發

呂承舉，廖寶梁，王桂荃，楊道平

（山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031）

引言

瀝青路面結構性能取決于荷載及環境作用下路面結構響應狀態，現行路面結構響應模型主要基于理論計算和經驗總結，與實際偏差較大。美國較早開展了瀝青路面層間剪應力研究，利用多種方法，從不同角度分析影響路面層間粘結層穩定性的因素，為評價層間粘結層的穩定性提供了良好思路。但其開發的試驗儀器只記錄試件破壞時剪切力的最大值，不能提供連續的力隨時間的變化曲線，不能描繪整個加載過程中層間剪切力的變化趨勢[1]。而國內還沒有評價層間粘結材料試驗方法的統一規范，試驗儀器也各不相同，多數加載方式單一，控制精度較低，無法提供對層間聯結真實狀態進行動態測試。

瀝青路面環境參數檢測方面，美國國家瀝青中心（NCAT）、太原理工大學、大連理工大學等國內外的科研機構，研制開發了不同的檢測系統，多為定期離線數據采集，需要研究人員進行現場測試和數據收集，不但耗費人力、物力、財力，而且采集數據量有限[2-4]。

1 設計思路

成套裝備主要由層間穩定測試雙向精控動態力學加載系統、路面層面響應參數智能采集分析系統及路基路面環境參數長期自動監測系統組成。

1.1 層間穩定測試雙向精控動態力學加載系統的設計

系統包括機械裝置、電機控制系統、信號采集系統和上位機四部分。機械裝置提供層間力剪切操作平臺，由電機控制系統精確施加水平力和軸向力，保證試件軸向受力恒定，水平受力線性增大直至破壞；信號采集系統精確實時采集水平力、軸向力力值和試件位移，及時反饋數據至主控單元進而調整電機控制系統動作；上位機全程記錄信號采集系統采集到的力值數據，準確捕捉力值峰值，如實反映試件在水平剪切力作用下層間力值的變化過程。

機械裝置包括升降裝置、減速裝置、操作平臺、環境箱和臺架，分別完成試件升降、加載過程中降低速度以增大扭矩、測試豎向加載力和橫向剪切力、提供升降和測試的工作平臺以及提供豎向力和橫向力加載過程中的外部保護和環境絕熱箱體，機械裝置中帶有四個限位開關，用于實時保護位移傳感器的工作位置。

控制系統包括主控單片機、采集系統、傳感器、電機控制系統、上位機和顯示終端，分別負責控制整個系統按照既定規則完成各項動作，是整個系統的控制核心，完成機械裝置中垂直加載力、橫向剪切力和試件位移等數據信息的采集，提供試件的力值信息和位移信息，控制試件豎向和橫向的移動，并施加豎向力和橫向力，進行試驗數據的分析、處理和存儲，提供人機交互界面及加載過程展示。

控制系統以STC15W4K32S4單片機為主控單片機，通過主從式串口通訊系統集成了AD采集系統、位移采集系統、電機控制系統、觸摸顯示屏和PC客戶端。AD采集系統采用24位高精度AD轉換芯片ADS1256作為核心器件，每個子板配合2個拉力傳感器實現單板的高精度采集；位移采集系統以分辨率為1 um的光柵尺為核心部件，能精確到1 um的高精度位移測量；電機控制系統能實現1～255級的PWM速度控制；顯示終端包括MCGS顯示屏和PC客戶端，提供人機交互窗口，均可實現采集數據的監測、分析和存儲，手動控制電機的正反轉等功能，MCGS直接安裝于機械裝置中，提高了系統的適用性和靈活性。

1.2 路面層面響應參數智能采集分析系統的設計

系統包括鋰電池組電源、車輛到位感知模塊、數據采集存儲系統和上位機四部分。鋰電池組電源給車輛到位感知模塊和數據采集存儲系統提供12 V直流電源，并可自動開啟太陽能充電系統為電池組充電以保證系統長期運行；車輛到位感知模塊監測車輛是否到位并為數據采集存儲系統提供觸發信號；數據采集存儲系統采集路基形變傳感器信號，并經處理后存儲至大容量Flash存儲器；上位機對采集到的數據進行處理分析并保存，反映路面應變情況。

鋰電池組電源、車輛到位感知模塊和數據采集存儲系統安裝在應用現場，用于實時在線測試并存儲車輛對路面產生的應變數據；上位機用于離線提取、分析已存儲的應變數據。系統功能見圖1。

圖1 系統功能

車輛到位感知模塊包括激光測距傳感器、傳感器信號處理電路、單片機及通訊電路。激光測距傳感器固定在路邊，車輛到達傳感器安裝位置時觸發傳感器，并將觸發信號傳給單片機，單片機根據信號確定車輛是否到位，如車輛到位則啟動數據采集存儲系統開始數據的采集及存儲。

數據采集存儲系統包括路基形變測試傳感器、采集板和主控單元。路基形變測試傳感器是全橋式應變傳感器，受到外力時導體或半導體材料變形引起電阻值變化并經信號放大后向外輸出電壓變化；采集板具備8路應變信號的調理、放大及采集功能，采集板電路通過2.5 V恒壓源給各傳感器供電，傳感器輸出信號先被送入運算放大器進行差分放大，并由低通濾波電路對信號進行處理，然后初步處理的信號送入可調增益放大器中進行二次調節，調節后的電壓信號送入模數轉換器中再進行處理，經處理后的信號傳送到主機板高速RAM中暫存；主控單元能夠同時與3塊采集板相連收集24路應變信號，利用實時時鐘芯片記錄每次采樣時刻，并將信號先暫存至RAM，最終存儲到大容量Flash存儲器中。

上位機分析軟件用VB語言開發，具備從Flash存儲器中提取數據、處理分析和存儲數據、系統參數設置、聯機測試等功能。首先從Flash存儲器中根據存儲時的通道號、數據高位/低位等依次提取各通道數據，提取后的數據及數字濾波后的數據進行存儲，然后開展相關分析工作。

1.3 路基路面環境參數長期自動監測系統的設計

系統包括鋰電池組電源、時鐘系統、數據采集存儲系統和上位機四部分。鋰電池組電源為整個系統工作提供3.3 V穩定電壓；時鐘系統為系統工作提供采集時間信號和時間基準；數據采集存儲系統負責完成無人值守自動采集路基路面溫度、濕度、光照參數等并存儲至SD卡；上位機提供人機交互界面，提取和分析SD卡中數據，為道路材料特性的環境影響因素分析提供可靠手段。

鋰電池組電源、時鐘系統和數據采集存儲系統等安裝在應用現場，自動采集并存儲路基路面的溫度、濕度和光照強度等相關數據信息；上位機則用于離線提取已存儲的應變數據并進行相關數據分析。系統硬件結構見圖2。

圖2 系統硬件結構

鋰電池組電源負責向時鐘系統、數據采集存儲系統、LCD顯示器等提供標準工作電源。為有效提高系統工作時間，系統對數據采集、數據存儲等主要工作模塊均進行了電源控制設計，需要進行數據采集或存儲時打開相關電源，操作完畢后自動關閉，系統不工作時僅需微安級電流維持；時鐘系統由專用時鐘芯片提供日期和時間基準，可設定自動采集時間間隔，并定期喚醒單片機實現數據的定時采集；數據采集存儲系統包括溫度傳感器、濕溫度傳感器、光照傳感器和SD卡存儲單元，負責采集路基路面的溫度、濕度、光照等環境參數，并將采集時間一并存入大容量SD卡中。系統以STC90C58AD為主控單片機，對各外圍器件進行控制管理，系統長時間工作在掉電狀態，時鐘系統計時到采集時刻時提供中斷信號，主控單片機進入中斷程序強行復位，啟動電源控制電路，初始化外圍傳感器、LCD顯示器等，開始讀取日期時鐘，并由傳感器采集環境參數等信息，然后將所有信息保存到SD卡中，待數據保存完畢后重新設置下次采集時刻，主控單片機關閉外圍部件供電，進入掉電休眠狀態，等待下次采集時刻，系統處于微功耗狀態。

上位機可從SD卡存儲器中提取采集到的相關數據并進行分析。同樣根據存儲時的通道號、數據高位/低位等依次提取各通道數據，提取后的數據進行相應處理后開展數據分析，進而得到采集點的路面溫濕度場。

2 實際應用

在實驗室利用層間穩定測試雙向精控動態力學加載系統進行了試件的層間剪切，在山東濱大永久性瀝青路面試驗路、濟萊高速等安裝了路面層面響應參數智能采集分析系統和路基路面環境參數長期自動監測系統。經過多次現場試驗和不同時間段采集數據的處理和分析，驗證了層間穩定測試雙向精控動態力學加載系統，能夠滿足全程記錄試件在恒定軸向力和水平剪切力作用下層間力值的變化過程；路面層面響應參數智能采集分析系統在有車輛經過時，系統能夠自動采集道路多層面應力參數，如實反映路面結構的動力響應狀態，并進行多窗口顯示各通道采集結果；路基路面環境參數長期自動監測系統根據預設的采集間隔能夠實現路基路面溫濕度和光照強度等環境影響參數的自動采集和存儲，對存儲數據分析后形成了某路段晝夜不同時刻溫度沿深度的分布曲線。測試數據見圖3。

圖3 測試數據

3 結語

經過在山東省內多條道路安裝應用，結果表明系統測試精度高、工作穩定、自動化程度高，大幅降低了研究人員的工作強度，提高了檢測效率。