公路連續(xù)式八輪平整度儀的設(shè)計

劉澤浩 李同慶 馮志遠(yuǎn) 李春賀 賈東坡

(河北大學(xué),河北保定 071000)

公路連續(xù)式八輪平整度儀的設(shè)計

劉澤浩 李同慶 馮志遠(yuǎn) 李春賀 賈東坡

(河北大學(xué),河北保定 071000)

本文講解了檢測高速公路質(zhì)量儀器的設(shè)計。在對路面平整度檢測技術(shù)進(jìn)行分析后,提出了基于位移傳感器的路面平整度檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計,描述了其功能和原理,介紹了其硬件部分的組成和軟件部分的設(shè)計,最終完成了對公路連續(xù)式八輪平整度儀的設(shè)計。

平整度 位移傳感器 霍爾傳感器 單片機

1 引言

社會發(fā)展中基礎(chǔ)設(shè)施和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)中道路建設(shè)在交通運輸事業(yè)占有重要地位，作為經(jīng)濟發(fā)展的重要標(biāo)志，它的發(fā)展還關(guān)系著經(jīng)濟發(fā)展的命脈。隨著道路交通事業(yè)的發(fā)展，對公路的養(yǎng)護(hù)與管理也成為了我國道路交通工程方面一項十分重要的工作，但是我國高速公路質(zhì)量的管理水平、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等方面與發(fā)達(dá)國家相比還存在一定的差距。[1]其中如何準(zhǔn)確、高效、便捷地對路面進(jìn)行檢測評定，也成了當(dāng)前一個十分重要的課題。

2 平整度儀的功能

在國際上路面平整度的測量方法并沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。路面平整度在不同的定義和不同的測量的方法下得出的結(jié)果也是不相同的。我國交通部(JT J002-87)版標(biāo)準(zhǔn)的《公路工程規(guī)范中》將對應(yīng)的“路面平整度”定義為“：路表面的縱向的凹凸量偏差值”。[1]簡單得說，平整度反映的是路面凹凸不平程度和高度的變化。本文所設(shè)計的公路連續(xù)式八輪平整度儀就是對路面平整度進(jìn)行檢測的，本設(shè)計最終確定通過路面的縱斷面的一條剖面曲線來檢測出路面的平整度。這條線可以是路面中線，也可以是與其它路面的幾何特征線有一定相對距離的線段，只要這條線的高低變化能在一定程度上代表這條路的質(zhì)量狀況即可。一般來說是沿著車輪方向的軌跡線來進(jìn)行測量，為了使測試可以獲得到更多的路面相應(yīng)細(xì)節(jié)，得到更加準(zhǔn)確、有效的路面比對信息，可以沿著多條軌跡來查看其縱斷面曲線走向。[2]平整度儀搭載在八輪車架上通過車輛或人的牽引在路面上沿所選線段進(jìn)行測量，行進(jìn)過程中儀器中的位移傳感器將道路上下變化的方向和數(shù)值檢測出來，霍爾傳感器將脈沖信號傳遞到控制系統(tǒng)，并轉(zhuǎn)化成行進(jìn)車速和里程，在完成設(shè)定行程后，控制系統(tǒng)結(jié)合以上兩種數(shù)據(jù)，計算出平整度的相關(guān)數(shù)據(jù)，并由系統(tǒng)中SD卡儲存及打印機輸出。

3 設(shè)計原理

公路連續(xù)式八輪平整度儀的原理可以分為兩部分，其一是所用傳感器等硬件部分的原理，其二就是對數(shù)據(jù)處理過程的原理。儀器中的傳感器主要是KTC拉桿式位移傳感器和霍爾傳感器。KTC拉桿式位移傳感器是一種直線位移傳感器，也叫電子尺，實際上就是一個精度較高的滑動變阻器。位移傳感器的功能在于把位移量轉(zhuǎn)換成電壓信號。[3]最終經(jīng)過計算得出相應(yīng)位移量。霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)制成的一種傳感器，它與安裝在車輪上的轉(zhuǎn)盤配合進(jìn)行測量車輛的行駛速度和里程，在整個轉(zhuǎn)盤上等距分布著磁鐵，將轉(zhuǎn)盤固定在車輪上，車輪轉(zhuǎn)過一定的角度，霍爾傳感器在磁鐵磁場的作用下產(chǎn)生電動勢，通過相關(guān)電路向外輸出一個脈沖，控制系統(tǒng)采集脈沖信號，通過脈沖數(shù)和時間就可以判斷出車輛的行駛速度和里程。

平整度儀對數(shù)據(jù)的處理過程主要就是對相關(guān)數(shù)據(jù)的計算，采集到的信號由控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的計算通過單片機來完成。按2012公路工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于路面層項目平整度儀對標(biāo)準(zhǔn)偏差的相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)偏差測量是以全線每車道連續(xù)測量100m為一個測量單元，以100mm的采樣間隔測量該路面的數(shù)據(jù)，用數(shù)理統(tǒng)計的方法計算100m中所有縱斷面高程數(shù)據(jù)的方差。計算公式為：

其中ya為一個步長內(nèi)的所有高程數(shù)據(jù)的平均值;n為一個步長內(nèi)數(shù)據(jù)的個數(shù);yi為一個步長內(nèi)的第i個數(shù)據(jù);σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差，一般以mm為單位。在數(shù)理統(tǒng)計學(xué)中，標(biāo)準(zhǔn)偏差表示為數(shù)據(jù)的波動，σ值越大其表示數(shù)據(jù)的波動也越大。[4]當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)偏差來表征路面平整度時，σ值越大，表明路面狀況波動大，也就是說明路面的平穩(wěn)性差，反之則可表明路面狀況波動小。因此，在標(biāo)準(zhǔn)偏差用以表征路面的平整度時，σ值越小，路面平整度狀況越好，當(dāng)其為0時，為理想路面。

4 總體設(shè)計

平整度儀的總體設(shè)計可以分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，平整度儀硬件部分包括位移傳感器、霍爾傳感器、SD卡儲存器、微型打印機、顯示器、電源電路、放大轉(zhuǎn)換電路、鍵盤以及單片機。通過KTC拉桿式位移傳感器采集路面數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)通過單片機的A/D模塊將傳感器的電壓變化轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，霍爾傳感器測量車輛的行駛速度和里程，將這些數(shù)據(jù)輸入到單片機中，通過計算得到平整度等一系列數(shù)據(jù)，反應(yīng)路面綜合實時數(shù)據(jù)，并通過SD卡將數(shù)據(jù)存儲起來，以便工作人員分析路況。打印機在單片機的控制下在每次行程結(jié)束后自動打印。因為涉及內(nèi)容較多，所以程序采用模塊化編寫，這樣分工方便，融合起來也比較方便，具體將程序分為位移傳感器模塊、速度和里程模塊、計算模塊、顯示模塊、存儲模塊、打印模塊等。各個模塊之間通過總體的架構(gòu)相互連接，最終實現(xiàn)功能。

5 結(jié)語

此設(shè)計經(jīng)歷了一年多的時間，在設(shè)計過程中遇到了很多電路和軟件上的問題，經(jīng)過多方面咨詢也獲得了解決，最后對電子儀器的設(shè)計過程也有了深刻的認(rèn)識，收獲了很多知識和經(jīng)驗。但是由于本人專業(yè)水平有限且時間比較倉促，一些問題還未能及時解決，需要更深入的研究。希望今后會學(xué)習(xí)更多的知識來解決這些問題。國家對公路質(zhì)量要求越來越高，相關(guān)檢測技術(shù)也在發(fā)展，對公路質(zhì)量檢測系統(tǒng)的設(shè)計也需要更加深入的研究。

[1]黃建強.路面平整度檢測系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J].西南交通大學(xué),2011.

[2]周保權(quán),王立民,于慧楠,孫巖.國內(nèi)外路面平整度的情況介紹[J].吉林交通科技,2002.

[3]黨安明,張欽軍.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京大學(xué)出版社,2011.

[4]田金方.數(shù)理統(tǒng)計與數(shù)據(jù)分析[M].機械工業(yè)出版社,2011.