壓路機振動加速度與壓實度關系的研究

王凱凱 WANG Kai-kai；董琴琴 DONG Qin-qin；陳作 CHEN Zuo

（①南充科技職業學院工程與應用技術學院，南充637200；②四川中煙工業有限責任公司成都卷煙廠，成都 610066）

0 引言

振動壓路機是目前首選的壓實設備，因其壓實度佳，壓實深度深，適用要求條件更少，是目前壓實工作的首要選擇和標準化設備。為了能夠實時并準確的得知壓實土壤的壓實情況和判斷壓路機工作過程中是否出現故障，需要得知壓實度和壓路機振動加速度之間的關系。多項研究得出結果表明，在壓實過程中壓實度與振動輪加速度成正相關。在振動加速度的現場采集中，由于外界干擾一直存在，無法阻止其進入到傳感器中，從而導致信號特征提取出現誤差。因此需要把采集到的信號中的噪音剔除，提高信號特征準確度。

在振動測試信號中，常采用濾波技術和小波分析等方法來過濾噪音信號，提取出真實有用的部分信號，進而可得到振動加速度有效值，再測出相應的壓實度，最后采用最小二乘法對加速度有效值與壓實度進行線性擬合。

1 振動加速度信號的采集

1.1 傳感器安裝位置

在本文實驗中，為了獲得更加準確且合理的加速度信號，將DH186 壓電式加速度傳感器布置在壓路機機架的中心位置上。DH186 壓電式加速度傳感器具有較佳的抗干擾性，對數據準確采集亦有幫助。

1.2 數據采集

DH186 傳感器采集到的信號需要在DH5902 數據采集系統中進一步處理，得到需要的數據及相關圖形。

①具有較佳的密封特性及溫度適應性，適用于溫度條件較差區域；具有較佳的抗振、抗沖擊性，適用于條件惡劣區域；具有外接電源及內置電池兩種供電方式，適用于能量獲取不方便區域。

②具有簡單數據分析功能，可實現關鍵數據輸出、現場參數調整；具有實時通訊功能，借助無線網絡等手段上傳采集到的數據到具有計算分析能力的終端設備，加以存儲、分析和保存。

③后續數據處理簡易，在常用Windows 操作系統中均可處理數據，得出結論；可實現多通道同時運行，前端和后臺同時采集、處理，得出結果更快、更便捷；適用范圍更廣。

2 振動加速度信號分析

在信號采集過程中，振動和噪音都會以信號的形式輸入到采集器中。噪音有高頻和低頻兩種，同時還有來自于施工現場的噪音；收集到的振動信號還有來自于摩擦、擠壓和碰撞產生的振動干擾信號。所以，加速度信號還需要進一步分析，得到信號和噪聲，確定所測信號中的有用信號以便下一步分析和反映路面壓實狀況。

在采集信號時，由信號采樣相關規定可知，為了完整錄入采集到的信號，做到信號的不失真，越高的采樣頻率更有利于采樣的完整性。由經驗數據可知，路面在被壓實時，最佳頻率大致為26～54Hz，所以相應的振動壓路機的頻率也在此范圍內。由廠商設計手冊可知，DH5902 動態數據采集分析儀內置的采樣頻率范圍是200～1000Hz。

本文中采用500Hz 和1000Hz 兩個頻率點進行采集。經多次實際測試，在相關數據中表明，在46～54Hz 范圍內應采用1000Hz 的采樣頻率，在26～45Hz 范圍內應采用500Hz 的采樣頻率。并在垂直于地面、左側45 度和右側45度三個方向分別采集三組振動加速度信號，隨機選取其中一段時間的信號進行頻譜分析，采集信號波形及頻譜分析如圖1 及圖2 所示。

圖1 采集信號波形圖

由圖1 和圖2 可知結果可知：在左側45 度和右側45度兩處采集到的加速度信號在基頻處的幅值明顯小于垂直于地面位置采集到的幅值。將數據進行傅里葉變換后得到的圖2 中得到最大幅值為27.1548m/s2。在基頻處，左側幅值為21.5726m/s2，右側幅值為21.7965m/s2。從數值上看，左側45 度和右側45 度在基頻處的幅值大小相近，但進一步分析得出，二者在分量諧波來看二者在二次分量諧波及其他的分量諧波相差顯著。因此通過傳感器在垂直方向加速度更為準確，更加有利于加速度信號的準確采集，故選擇此位置作為傳感器安裝位置。

圖2 頻譜分析圖

3 振動加速度信號濾波去噪

本文根據采集到的加速度信號的特性，選取采樣頻率為1000Hz，截止頻率為70Hz，窗函數為巴特利特的IIR 低通濾波器。在實際振動加速度信號中，隨機選取一段包含有500 個采樣點，壓路機行駛時間為1s 的信號。信號原始波形如圖3 所示，通過該濾波器濾波之后得到如圖4 所示的波形。

圖3 原始波形

圖4 IIR 濾波后波形

4 振動加速度信號數字擬合

4.1 加速度有效值的獲取

在本文的測量方法中，由于DH186 傳感器工作原理是輸出電荷量信號，所以需要再DH5902 動態數據采集儀中轉化成更好量化和測量的電壓信號。再將電壓信號輸入到加速度傳感器中，采用加速度傳感器的靈敏度，可換算成加速度的信號值。

由加速度傳感器原理以及電壓靈敏度Sv和電荷靈敏度SQ兩者的關系可以得到[2]：

式中：

U——信號電壓，V；

c——加速度傳感器電容量，F；

k——儀器放大系數；

SQ——電荷靈敏度，pC/（m/s2）。

通過對振動試驗臺實驗數據的計算得到[3]：

通過以上兩式的計算及換算從而得到真實的加速度數值。可根據式（1）和式（2）來進行轉換，以得到實際的加速度數值。

4.2 壓實度與振動加速度的關系

經過大量研究表明，振動加速度周期與壓路機振動周期同步，通常只有0.02 到0.05 秒，因此，用每個周期的加速度信號峰值來研究壓實度會造成非常巨大的計算量[4]。故本文選取0.4s 內的數據，進行平均值計算作為瀝青路面壓實度的加速度有效值。

本文隨機選取6 組加速度信號，并進行有效值計算，同時測出其壓實度值，并在Excel 軟件內進行二者的相關曲線擬合并輸出關系式。通過對信號進行采集與處理，測出相應點的壓實度，得到如表1 所示的數據。

表1 壓實度與對應加速度有效值

根據相關系數公式（3）可以求得相關系數R=0.9647，說明振動加速度有效值與壓實度的相關性良好。

式中：

R——相關系數；

Xi——加速度有效值；

Yi——壓實度；

X——加速度有效值均值；

Y——壓實度均值。

然后將其擬合得到如圖5 所示壓實度與加速度的相關關系曲線。擬合后得到如下的相關關系式：

圖5 壓實度與加速度擬合曲線

5 結論

本文主要探究壓路機壓實度與振動加速度的關系，在振動壓實測量中，由于DH186 傳感器工作原理是輸出電荷量信號，需要在DH5902 動態數據采集儀中轉化成更好量化和測量的電壓信號。再將電壓信號通過經IIR 低通濾波器進行濾波后輸入到加速度傳感器中，采用加速度傳感器的靈敏度，可換算成加速度的信號值。測得相應的壓實度后，通過與振動加速度有效值的擬合即可得出兩者的關系。由上可知，壓路機壓實度和振動加速度之間存在一定的線性關系，路面壓實度的好壞一定程度上取決于壓路機的振動加速度。