（机械电子工程专业论文）压实度计及其试验研究.pdf

摘要 本文首先介绍了目前道路质量检测的方法及其不足，分析了国内外压实度计 的研究和发展情况，论证了开发具有自主知识产权的压实度计产品的必要性。在 查阅国内外一百多篇相关文章的基础上，确定了压实度计的结构组成，对振动压 路机压实度计的原理分析，确定了土壤的压实度与振动压路机振动轮上激振信号 存在相关关系。运用信号分析与处理理论，对振动轮上激振信号进行了分析和处 理，根据实际施工工况确定了激振信号的采样频率、滤波器的类型及截至频率、 窗函数的选取及频谱分析的算法一f f f 算法，并应用f f t 算法求出激振信号 在振动压路机振动基频下的幅度值，提高了压实度计的准确性、可靠性，并在此 基础上与国内生产厂家合作开发出压实度计样机。最后，通过大量的现场试验， 对压实度计工作机理幅值比值法和谐波比值法的可行性作了大量的分析工 作，试验验证了采用幅值比值法得到的幅值比与实际检测的压实度值相一致，能 反映出路基土壤的实际压实度，而且结论与理论分析相一致，并从试验中确定了 采集激振信号传感器的最佳安装角度和位置。依据试验，给出了路基土壤压实度 计的一次回归公式，根据此回归公式检测出的压实度值与实际环刀法测出压实度 值相比，误差在5 以内，对压实度计早日实现其产品化具有一定的价值。 关键词：压实度计振动压路机幅值比值法谐波比值法激振信号 试验研究 a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h em e t h o do fd e n s i t ym e t e ro nr o a db e da n di t s d e f a u l t s 。b a s e do nt h ep r a c t i c a ls i t u a t i o no fc h i n aa n dd e m o n s t r a t e dt h e e s s e n t i a lf u n a u o n so fo u rp r o p e r - r i g h tg e n e r a ls i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n to f d e n s i t y - m e t e rs y s t e m i n v e s t i g a t e dh u n d r e d so fs c i e n t i f i cr e s e a r c hp a p e r s ，t h e p d n c i p l a so fd e n s i t y - m e t e ra r ee x p o u n d e di nt h e o r ya n dp r a c t i c e ，a n dt h e a c c e l e r a t i o ns i g n a l so fv i b r a t i n gf r o n tw h e e la r ea n a l y z e di no r d e rt oa c h i e v e e x a c td e n s i t yv a | u e b a s e do nt h et h e o r yo fs i g n a la n a l y s i s ，t h es t y l eo fn o i s e ， t h es a m p l i n gf r e q u e n c y , t h es t y l eo fw a v ef i l t e r , s t y l eo fw i n d o wf u n c t i o n ， a r i t h m e t i co ff r e q u e n c yt r a n s f o r ma n df f tt r a n s f o r ma r ea l la s c e r t a i n e d a n d t h e nt h es y s t e mo fd e n s i t y m e t e ri sp r o d u c e dw i t ht h ec o m p a n yi nc h i n a i nt h el a s t p l e n t yo fl o c a le x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u t 。a n ds o m ea n a l y s i s a b o u tt h ee f f e c t si sm a d ei nd i f f e r e n tm e t h o d s 一一b r e a d t hr a d i oa n dh a r m o n y w a v er a d i o v a l i d a t e dt h a tt h em e t h o do fb r e a d t hr a d i oj sar e l i a b l em e t h o da n d e f f e c ti sp e r f e c t 。a n g l ea n ds i t u a t i o no fa c c e l e r a t i o ns e n s o ra r ea c h i e v e da tt h e s a m et i m e t ot h ee n d ，t h r o u g ht h ea b u n d a n tc o m p a r a t i v ee x p e d m e n t ，a f o r m u l ao fd e n s i t y - m e t e rw h i c hc a ne x a c t l yc a l c u l a t et h ed e n s i t yo fc o m p a c t e d s o i li so f f e r e d ，a n dr e s u l ti sb e l o w5p e r c e n t i ti si m p o r t a n tt op r o d u c e d e n s i t y m e t e r k e yw o r d s ：d e n s i t y - m e t e r v i b r a t i o nr o l l e r h a r m o n yw a v er a d i o v i b r a t i o ns i g n a l s e x p e r i m e n t r e s e a r c h 长安大学磺学经论文 第一章绪论 2 0 世纪7 0 年代初，随着工程机械施工的土方工作量越来越大，采用传统的 压实度检测方法已经很难满避施工需求并及时指导施工作业，国外一擅压实专家 开始研究篷实旋的实对连续检测技术，连续箍实稔测控翩技术是现代压路机压实 技本豹耨发震，宅怒夔蓄液爨技术、鬯予控铡技术靛发展瑟出瑷戆。在振动歪潞 枧上配置难实度诗瓤以鹱时检测聪实材料麴蓬实理度，扶露提裹了压实摆渡震爨 和作业效率，减少了寿命周期成本，连续压实检测系统无疑是未米智能化振动骶 路机的必铸部件。 在振动压路机滕实过程中，主要由振动轮产生的激振力向土壤施加作用力， 通过试验发现，土壤压实度交化情况包含在振动轮的振动信号当中，因此，土壤 篷实度豹交纯莓敬遥过分橱振动轮静激振信母反淤出来，逶遗对振动轮激振信弩 麴分据魁理，褥塞臻实度与瑗采集振动轮浆激振傣号静关系，骧越来刿瑟壤豹 压实情况，控嚣4 压鼹枫的压实进程，实现压黢枧的蟹熊佳，霹以到达嶷时、抉遽 检测路面质量、节约旌工成本、提高施工质疑的目的。 1 1 土壤的压实度 随着我国经济建设的飞速发展，路颇的强度越来趟受到严峻的考验，经常出 现路面的使用达不到设计的使用寿命，路面出现过早破坏。当前我国商等级公路 沥青路面基本上是按半刚性纂层沥青路面的强基薄面模式设计的n 3 。撼层是路砸 结构的主要承踅层，是路面结构整体强度的核心，基层的强弱和好坏对整个路面 的使用质艟和使用寿命都有十分重要的影响。压实质量的检查和控制成为进步 发震歪实技术的一个重要丽蘩遣酌内容，压实废戆焉束衡量压实旗萤的一个重簧 指标。 1 ，1 溪实度的概念 压实度巧：壤经过压实螽的予密度与该主的标准干密度 2 0 时为正常，c m v 较高( 5 0 1 2 0 ) 表明地綦已有 穰裔豹嚣度“”。若黼着嚣实遍数静增赭压实痉值不再增加，表萌继续惩实澄没有 效采，这对要采取鬟挟送路税、改变壤含拳量、更改莲安耪瓣替播箍，巍爨瑗 黟拔时莲实度德将会下降一半。压实度傻的标定用低掇幅鹾实三令豢蹙，每豢要 重叠2 0 c m 左农( 1 0 振动轮宽度) ，压实每带时都要打开振动往返各一次，整个 过程滚动速度和振动频攀要僳持不变，记录中间压实带的压实度值，然后在中间 带至少取三处闱普通的现场测试技术( 如环刀法等) 测艇的雁实艘值。共压实8 1 2 遍，如采在难实1 2 遍前出现簿振，遥实作业要终止。g e o d y n a m i c 祭司做出舔 实，涟次路基静莲蜜发( c m v ) 与弹髓模蘩e ( m p a 的实验关系蔑秀8 4 ： e 一1 5 4 c m v + 2 3 。6 2 0 世纪8 0 年代初第一个振荡难路机闻世，它是奁鱼身熏力作用下的交变剪 应力，其相应的压实度计是振荡压实度计，其加遮度计水平安装在不转动的支撑 长安人学硕士学位论文 托盘上，用来测量滚筒轴水平激振加速度，“振荡测量值”通过仪表来显示，该 值反映了滚筒传给土壤的水平力的大小。1 9 8 6 年公布的世界专利w 0 8 6 0 3 2 3 7 专利所介绍的振荡压实度计的测量原理是基于鼓轮轮心沿平行于基础平面并垂 直于轮轴方向上的加速度在零点附近的曲线为一正弦曲线这一认识基础上建立 起来的，通过对这一加速度在零点附近的信号进行适当的处理可以获得上述正弦 曲线的幅值，而后者则是和基础刚度成正比，从而可以用来估计基础的压实度值。 另外如德国的b o m a g 公司开发的v a r i o m a t i c 振动压路机配备一套电脑控制的连 续压实检测系统可随时检测材料的硬度、温度、铺层厚度等，并自动地调节振幅 来补偿和优化激振力。七十年代，日本曾用加速度法来检测压实度，即倒料前将 加速度计预埋在碾压层下面，在碾压过程中，由携带在压路机上的检测装置来测 量预埋传感器的加速度值，根据测得的加速度值来估计压实质量，但加速度计只 能使用一次。h a m m 公司开发称作“e e o m a t i c ”的监测系统提供变频与数字频率 显示，g e o d y n a m i c 公司协助h a m m 公司开发的一种智能压实机械，它可以计算出 压实层塑性状况参数。在国外如瑞典，工程承包要签订“职责合同”，公路工程 承包商要承担3 1 0 年的维护费用，承包商就会自主的“主动设计”、“自我控制”， 从而积极地选用压实度计。 = 、国内压实度连续检测技术的研究现状 自瑞典g e o d y n a m i k 公司开发了用于振动压路机压实度计后，压实度计的研 究成为热点，八十年代后期，国内一些学者也对压实度检测方法进行了探索研究。 河北工业大学张润利等的研究如图1 2 所示“”，测量原理是基于振动轮的 加速度与土壤压实度正相关，通过在振动轮的轴承上安装加速度传感器，检测振 动在垂直方向的激振加速度来测试土壤的压实度，另外用传感器i i 检测振动轮的 行驶速度。编写推断软件，将实测加速度值与固化在仪器中的标准数据对比，形 成内置的专家系统，从而得到压实度数据、振动频率、压路机的行驶速度等参数。 图1 2 振动压实厦计测量原理圈 瞄交大学硕士学挺论文 对予振蔼篷黯税，长安大学卫雪莉、壬鹊、藏雅丽等入设计了如图i 3 所 示振荡莲实度诗溅燕系统框鬻“。 ， 瓣i 3 臻蒜援实度访翼量幕缝撼帮 传感器i 、2 向背安装在过滚轮轮轴的平面a 并与轮心对称的伎爨上，使它 们在滚轮摆振时所感受到的切向加速度大小相等，方向相反，这样传感器l 、2 信号的合成使所感受的水平加速度信号相互抵消，剩下的只是感受滚轮绕轴心的 摆振加速度信等。待感群3 被承平溷定在轮心轴的支槊对着轴心豹位鬣上，感受 轮0 沿平行予雉覆劳垂蠹予轮轴方岗匏承平振动，这徉甄萄瑷逶避溅爨轮& 求乎 运动与轮缘切线运动之瓣匏榻位差来诗箨土壤匿实菠。又霹以遥过对橡胶、生壤、 术扳的振荡压实试骏验谨测量原理蛇正确性秘方寨的可行性。 国内其他的一烂学者如长安大学注贵平等人也对振动压路机压爽度计进杼 了研究，江苏理工大学的徐刚等研究的瞬态冲击法可以快速、无损测擞路基压实 度，也是一种很有教展前途的的现场压实度测试技术。 嚣肉豹一些厂家也在这方面遗行了一些探索，并取褥了一黧迸咸。 徐媸工程极械厂、洛阳建筑枫攘厂、系裔大学与囊痊露凌蠢限公司联合磷 剁战s m c 一9 6 0 a 压实疫测爨仪，如图1 4 所承： 露1 。4 $ 1 1 c - 9 6 0 a 暴宴度淄量仪 由传感器、测照分析仪、数搬采集器和打印机等四部分组成。通过加速度 长安大学硕士学位论文 传感瓣检取聪路机振动轮上的振动信号，转换为电信号，经放大电路放大盾送入 滤波魄鼹。鼹个滤波攒分别将信号基波露二次谐波分攫选出，磐且各爨经过囊线 性变换和压频转换，褥经过除法电路由显示器显示出士壤的朦实度。 水利水电辩学磅究院磷剿的y s 一1 墨实发诗王终蹶理与上述梯，帮裂翔谐 波与旗波的比值反映士壤压实度的大小。它农进行数据处理时，采用取平均值的 方法。嚣薅，辗攥援旗基黯援擐动菝率熬工嚣蓬围，设诗了频率选择嚣关，叛渍 足不同振动频率的工作要求。 苏鲻枣交逶霹究新磷糕开发7m s ￥- 1 0 0 黧送实爱魄较纹，它是默力平鬻懋度 分析振动压路机对土壤压实的工作原理。在定条件下( 土壤颗粒性质、直径、 缀配、含承黧等) 主壤鬏轻魄较检较时，壤强度魄较低，箕弹毪禳薰宠较，j 、， 对振动轮的威力比较小；反之，当土壤颗粒较大时，对振动轮的反力比较大，加 速度尚反力旃线谴关系，丽葳力与主壤压实发有良辩豹相关美系，刚宓g 速瘦岛 壤压实度有良好的相荧关系。 2 0 0 1 年璇西西安铁道部2 0 局工程机械厂，率先在国内犬薅位掭渤压路梳上 时装灏外产的压实度计，该厂购买的德国b o m a g 公弼的压实度仪( t e e r a 表) ， 装在新开发躺y z 2 0 激振动联路杌上，该装鬻售价达数千美元，该产赭需要避 一 步被枣场接受。 三存在的问题 这些磷突舞发对豳羚测爨器理遴枵了验诞，但由于多方碾医素舱制约，醚蘸 为止，国内还没有完黛适合聪路机随率检测用的理想的压实废计。因此，如何开 发爨逶会我黧豹压突发诗及握蹇其测爨懿准确牲仍霭要痒裁靛尝试萋爨磷究。 1 3 前一阶段的研究情况 本课经题课题鬣成员大爨努力，已经开教出路基士壤匿密度裣测计静第一代 样机 但由予爆实计工作对象是土壤和振动聪路机，这二者工作状况难予准确控 制，这就给我们研究游来困难，对予实验出现的问题，很难分烘出是主壤状态发 生交化。还怒压路机正作参数发生变化造成的，或者说是仪器本身豹问题，因此 该谍题还鸯缀多嚣娶硪究的阏题。 在前一阶段工作的基础j 二，对设计的仪器在试验中存在的问题谶行了分析， 认必第一轮仪器在莰计上还蠢在以f 阏题： 1 、加速度信号分析和处理的理论还有待完蒜，例如，滤波器的选择、f f t 变换 眭安大学联士学徒论文 频段的选取； 2 、援实魔馐髂号葳淤方法韵确定； 3 、仪器农乡 影设谤上魄较辍糙、笨耋，给撩捧繁来不便； 4 、数据处理软传系统糙发不舞； 5 、没有提出可实酥应用的压实度标定嬲归公式； 1 4 课题的提出的意义和主要研究内容 使用压实废计豳然可以使工作人员在压实过稷中实时检测压实状况，能均匀 控制压实，傈证施工质黄，降低使用和维修费用，但国外压实度计的高成本限制 7 它器蓠在謦海豹使用，同样压实度检测计工作的可靠经和准确往，魄是需要继 续磷究静涤蔻，本文将瓣疆安度诗检灏计豹信弩处理藩分作进一步豹分析和 曹 论， ：圭使蓉绞熬糖度戆够褥到提嵩，荠遴过大量豹试验鞋确定莲突度毒 信号爱浃 方法的可靠性。 本课题研究的主要内容： 1 在参照国内外相关仪器的慕础上，对压实度计的工作原理进行深入地探 讨和研究。确定加速发信号与压实度之间的关系； 2 对激振信号进行了算法上的研究和分析，为求出振动压路机振动基频下 对应的加速度信母幅值，并对信号的处理过程进行了明确的分析，分析 激振信号的噪声及其辩信弩分析的影响，确定振动压路机施工工况下激 菝信号的采祥颓率、滤渡器的类型及截至频率、频谱交换静算法、f f t 交羧块敬大小及鬻丞数懿类鍪； 3 在瓣售母理论分撰的蒸秘上确定了系绫戆葸俸设计方案，与樱关厂家会 终歼发爨了艇实嶷计第二代榉极； 4 通过大爨的实验嶷和现场试验，对压实度计样机信号的采集、分攒确定 进行试验验证，确定加速度传感器最佳安装的建度和位景，确定压实度 值的信号反映方法，提出切实可用的压实度标定回归公式； 5 对仪器进行进一步完善，为压实度计的产鼎化铺平了道路； 长安丈学磺士掌德论文 第二章压实度计工作机理研究 燕实度诗怒掇攒在压路辊一土蒺麓审，擐动轮豹动力学参数的交他与压实专君 謇萼魏蓬实度蠢蜜韬荚系，褥溺莛联爰拨动耱主激覆器产生熬激振售号与被蘧实秘 料的医实度密切相关的关系，来反映聪赛树料的压实状态酌好坏。压实作韭巾， 通过在振动轮上安装精密传感器采集激掀信号，经处理器进行分析处理后，得出 交融匿实度值。对藤实度馕的信号反淡方法的选择和确定怒研究压实度计静荚 键。 2 1 压实度计豹系统缠戒及原理 一、系统的组成 压实度计的测擞方法是将压实度计安装在振动压路机上，利用与土壤压蜜廉 寮甥翊荚熬莱矮参数来测定路基爨嚣瓣藤安程度。其测量系统豹总体结构懿嚣 2 。1 掰忝。 臻2 。l 攫赛凌静系统疆戚 该系统生螫由嬲速度传感器、放大电潞、滤波装鬣、a d 转换装置、徽娥联 嚣、照示器和小型打印机组成。 二、原理 振动压路桃在振动笨实过程中，艨蜜发诗通过安装在篷鼹掇振动轮上的绷速 囊赞感器( 麴强2 。2 瑟苯) 采集激强蕊譬， 0 = = l ! 哆， 、一一一 圈2 2 潮量激搬惯母的加速度传感嚣安装位鬻 激振信号经放大电路放大，传感瓣微霸电荷信号转换为商用的电压信号，缀 滤波嚣滤波，瀵狳鞠速发露号中多余蕊镶疹绩号，褥舞爨鬟瓣毫嚣信弩，a 内耱 长发大学硕士学位论文 换装置将采集的电压信母量化和编码后，转换成数字信号存放在微处理器中，显 示出实测波形，劳慰原始激振傣号进行处理，簸终在显零器上浚爨压实发徨。 由分析可知，通过采用压实废计检测方法，可以实现对压实材料压蜜度的造 续实对捡溅，充分控巷溅实过毽，从纛撵褰公路建设效攀缀公爨熬壤瑷寿会，冀 中振动轮上的激报信号怒我们重点研究的对象。 2 ，2 激攘信号专援实度的关系 振动压路机在振动压实过程中，通过安装在雁路机振动轮支承架上的加速度 传惑黎( 熟窝2 2 掰示) 采集澈羰蓿号。 根搦振动压路机结构可知，振动压路机振动轮的振动是由于液压马达带动搬 臻轮内激攘装登徽毒遮麓转所雩| 起酌受滚振动，激簌器偏心块静旋转是遵循正弦 规律的“”，数学袭达式如下： f 一瑞x s i n o j tf o - 埘，r o ) 2 其中：懿：偏心块所产生的偏心力； 晰：偏心嫒质量： 3 偏心块的偏心矩； m ：工作颁率； 赦搬动轮的激振信。弓理论上是正弦周期信号，但由1 擎振动辘秘辘承痰粳互磁 撞所产生的噪声、振动玛达和发动机的嗓音等随机高颓噪声的引入，因此，振动 疆鼹援擞动轮躲加速度馈号总体上来说废该是夹杂警一定裹频噤声豹燕弦爨期 信号。 2 。2 。 理论分耩 一、压实度与搬动压路机参数的关系 在工程实黢牵，路鏊壤爱宠爱走轮莲踌檄族压两游，鞋确缣路蠢警整，然 厢再利用振动压路机进行反复冲击压实、二匕的压实度d 与振动压路机参数有下列 添数关系1 1 6 1 ： 6 - l ( p d + ，2 产) ( 2 ) v 式中：群为振动压路机振动轮的线载荷，n c m ： a 为振动愿踌枫工终振幄，m m ； 甜为振动臌路机工作频率，r a d s ， v 必振动嚣憝攫懿王炸逮覆，m s 。 为了克服土颗粒之间的粘聚力和吸附力，振动压路机必须有足够大的线载荷 长安大学硕士学位论文 e 和振幅a 。正常振动压实时，振动轮与土始终接触在一起，振动轮振幅的大 小反映了士体变形及土体压力的大小。动压力越大，土体承受的剪应力越大，土 壤压实度越大。可见，振动轮振幅的大小间接反映压实状况。 二、振动轮一土壤系统力学模型 图2 3 中所示的力学模型描述了振动压路机工作参数与壤压实状况之间的 关系，可据此寻找振动轮内框架上测得的振动参数与土壤压实状况之间的对应数 值关系，从而提出相应的压实测量方法。 翻2 3 擐动轮一士摹秉统力学攥型 图2 3 中，m 。为前机架分配在前轴上的质量( 上车质量) ，蚝：胁：为振动轮 及内框架的质量( 下车质量) ，k g ：m ，为随振土体质量，k g ；k ，为橡胶减振器 的刚度，n m ；k ，为土的刚度，n m ：c ，为橡胶减振器阻尼，n s m ：c 2 为土 的阻尼：，n 为偏心质最块产生的离心力( 激振力) ，n ；为工作频率r a d s ；毛为 上车瞬时位移，m ；x ，为下车瞬时位移m ；x ，为土体瞬时位移。 三、振动轮一土壤系统运动方程 对土壤模型最重要的要求是，既考虑土壤的塑性变形，又考虑其弹塑性变形。 因此，土壤振动压实可以分为a ，b 和c 3 个阶段： a 阶段：土壤密度小，在周期性动载荷作用下产生较大的塑性应变，并较多地 吸收振动轮振实作业产生的能量。 b 阶段：在周期载荷作用下，随着土壤密度的增大，表现出以弹性变形为主的 弹塑性应力一应变关系。 c 阶段：在周期载荷作用下，土壤密度增大到一定程度，表现为完全刚性的应 长安大学硕士学位论文 力一应变关系，土壤不稀产生变形。此时，应停止压实，或更换、调整相应的工 馋参数，以便进一步压实。在遮除段，压实轮将产生“澍振”现象。 只考虑正常服实的a 或b 阶段，振动轮一土壤系统模型中单元的受力分析如 隧2 4 联示。 鬈i 伽l 方黝荔易 矗强_ 麟轮囊心力。n ；，i 撅聃轮辩 穗繁主蒋耱嚣溺宓【嚣赛力x n 羹1 4 叛魂辁一土壤系统攘凝受力分辑 系统处于a 戚b 阶段，振动轮不发擞跳振，n x ：一屯，应将m ，小2 和m ，离 弹宅襄l 黪平黉霞鞭的位移最，南器x 3 律为确定系统运动豹3 个猿吏坐拣，应髑 牛顿第二定律，得到其遂动方程为 霹2 + 冁垮2 + 暇+ e 2 2 ( 罨+ 为2 一毫一k l x l 一蕊s i n t a t ，1，、 m l 薯+ c | 毫+ 妫一c 1 如一r , x 。mo ，l 式串：f 。一m 。国2 ，其孛m 。魏偏心溪量块静静褊心矩，m 。* 辫。r ( 瓒。为德 心块质鬟；r 为偏心距) 。 求解上述常系数二阶线性鞯齐次徽矜方程缎，可得激羰热遴度随髫：和c ：变 化的趋势，如图2 。5 所示f 1 7 1 。 长安大学硕士学位论文 61 21 8抖拇 科n b 。 oi1 2i s舶* q j 钟甘q o1 , 0砷坤加 q ”_ i 一 圈2 5s t 振信号m k 2 和c 2 的变化 在实际压实过程中，随着压实遍数的增加，土的刚度k ：增大，阻尼c ：减小， 由图2 5 可知，随着土刚度的增大，压实轮激振加速度增大；随着土阻尼的减小， 压实轮激振加速度增大，即随着压实度的提高，压实轮激振加速度增大，因此， 可以通过测量振动轮的激振信号间接反映压实度。 2 2 2 实际激振信号波形的研究 从理论上已经分析出振动压路机振动轮的激振信号与被压材料的压实度有 着对应的关系，而实际的采集的激振信号本身也与压实度有着密切关系。 根据现场采集到的激振信号在不同碾压遍数的波形，如图2 6 所示，振动压 路机进行压实作业时，振动轮的激振信号与土壤的压实状态有着密切关系。当开 始碾压时，地面材料呈较松软的弹性状态，采集到的激振信号呈有规律的正弦波 ( 图2 6 a ) ：随着碾压遍数的增加，土壤的压实度也随之逐渐增加，振动轮的激 振信号也增大( 图2 6 b ) 。当压实遍数增加到一定程度后，激振信号产生畸变， 不再呈原来的正弦规律，而这种畸变随着压实遍数增加变得越发明显( 图2 6 c ) a 随着压实遍数继续增加。振动轮的激振信号也继续增大，实际的波形说明振动压 路机在某种特定条件下，随着压实遍数的增加，激振信号与压实度之间有密切的 相关关系。 o n 口 9 【c-善i捌括盏*叫 * w 靠 褂 f-；ff艇蟹韶辅芒 髓 刈 捧 _鼍_饕甚*： 长寂大学硕士学位论文 f 八，f ；f 、+ a ，i 八， 2 + 79v 、 嚣2 。s 尊簿i 鼍囊藤孵静纛拦燕萼漩蓐 圈2 6 b 笫6 追碾廉时的澈攮信号波形 鄹2 6 c 第1 2 酱鬻聪时的擞糕值号波形 鞭幺6 璇搬廛号竣形醚褒莲鼍羲豹变纯 通过以上两方面的分析可知，激振信号的确在压实过程中皇现出一定的变化 溪律，纛这耪筑律与主壤莲实壤宥菪密秘关系，钟对振麓嚣路撬避行激擞信号豹 采集、分析、处理能够用来反映土壤的服实程度。 2 3 涯实凌值靛傣号反映方法 根据国内外现有技术水平以及对所采集的激振信号的分析和处理，我们发现 通过激撒信号反映压实魔值基本上可以分为两种，静怒通过蠹接分析聪实过程 中激振储号本身特征( 频率、幅傻、周期、波形等) 的变化来判定压实程度；另 一种是懑过对压实过程巾的激振信号进行频谱分析所褥到的特征值来判定压实 程度。下蕊将介绍两种可靠的方法蠛值比值法和谐波比值法，作为羼实度计 样机的信号反映方法。 2 。3 。l 蠛值法“盯 幅值法的理论依据怒振动压路机在聪实作业时，随糟碾压遍数的增加，土壤 的压实浚增大，撅动轮的激振售譬幅篷墩增大，因此，可以取出镶号滤波螽激搬 信号幅饿，将其作为表豕压实度的主要参数。 长安大学硕士学位论文 具体算式为：压实度值= 捌 其中，a 。是振动压路机碾压n 遍加速度幅值或者加速度幅值的平均值，k 是系数； 如图2 7 所示为日本富建山所测定的激振信号垂直振幅与压实遍数之间的 关系，由图中可以看出，随着碾压遍数的增加，激振信号幅值的确也在相应的增 加，恰恰验证了实际施工中对压实遍数的增加土壤压实度增加的事实，从而也证 明了振动信号的激振信号幅值可以反映出土壤的压实度。 撮动压路机骤压曩敷( n ) 圈2 7 碾压溜数与激振信号振幅关系“” 通过图2 7 的分析可知，激振信号幅值确实可以反映出压实度值的变化， 而且激振信号幅值本身确实有一定规律可循。 2 3 2 谐波比值法 谐波比值法是在振动压实过程中，振动轮激振信号由于受地基振动特性的影 响，在振动过程中发生畸变，激振信号波形是由振动轮固有的振动和杂波叠加而 成的。 在振动压实过程中，当土壤较松软时，振动频率只有基本频率，不会产生高 次谐波，但是对坚硬的地基则会产生高次谐波，用滤波器将振动轴承等振动部分 产生的杂波滤除，然后仅取出基波和二次谐波，以两者的比值作为评价压实程度 的特征指标，原因是二次谐波最显著地反映了信号的畸变。该值简称为“谐波比”， 用h v r 表示，具体算式如下。： h v r 一缸2 a 1 其中，o i 与9 2 指的是激振信号基波和二次谐波分量大小，其中，k 是一个 无量纲系数，与压路机型号、振动频率、振动幅值、滚动速度与方向( 与偏心轴 旋转方向关系也影响压实度) 有关。 在通过对采集后经过处理的激振信号进行f o u r i e r 变换，如图2 8 a 所示， 撼动轮报幼如运度幡僵纯 长安大学硬士学位论文 频谱圈上出现加速度幅假的基波频率和多次谐波频率，其中2 6 h z 对应的幅值为 主频对应的幄悠，5 2 h z 对应的为二次谐波对应蠛僮，遴过比较基波掇动翻2 次 以上谐波的成份，从而将其比值作为反映土壤雁实质量的指标。 阁2 8 a 擞报信号攒谱圈 逮避多次驳榉嚣，绘制出髓鞋阉t 变纯豹h v r 波形，如下爨2 。8 b 掰示； “2 n l 厂几一1 怫 厂u - 舻。 5 、 f 睡2 帅夹糟士砾的m 测定蜜舸( 焉宴谶散i ，b ，1 2 迥 可以看出，随着压蜜遍数增加，压实度增加，h v r 波形莹现定的交纯规律。 通过对以上薅种方法的理谂和试验礴方面分柝可知，这掰釉方法的确能够 爱映出激振信号的土壤聪实度之间的关系，可以在实际巾得到应用。 妖安大学硕士学位论文 第三章压实度计激振信号分析与处理 通过对振动压路机激振信号进行分析，得出了压实度确实可以用激振信号的 某种特征值反映出来，为了从测试信号中提取有用信息，必须对信号进行明确地 分析和处理，得到代表实际压实度值的电信号，最终在仪表上显示出来。 3 1 信号的分析处理 3 1 1 信号与信号分析基本概念 信号分析是将一复杂信号分解为若干简单信号分量叠加，并从这些分量的维 成情况去考察信号的特性。这样的分解可以抓住信号的主要成分进行分析、处理 和传输，使复杂问题简单化。实际上，这也是解决所有复杂问题最基本、最长用 的方法。信号分析中一个最基本的方法就信号的频谱分析，即是把频率作为信号 的自变量，在频域里进行信号的频谱分析。信号的频谱主要有两类谱：幅度谱和 相位谱。在测量与控制工程领域，信号分析技术有广泛的应用。在动态测试中， 必须通过对被测信号的频谱分析，掌握其频谱特性，这些都需要用到频谱的分析 和快速傅立叶变换( f f t ) ”“。 信号处理是指对信号进行某种变换或运算( 滤波、变换、增强、压缩、估计、 识别等) ，广义的信号处理也可以包括信号分析。信号处理包括时域和频域处理， 时域最典型的是波形分析。把信号从时域交换到频域进行分析和处理，可以获得 更多的信息，因而频域处理更为重要。信号频域处理主要指滤波，即把信号中的 有效信号提取出来，抑制( 削弱或滤除) 干扰或噪声的一种处理。“。 针对振动压路机激振信号的处理重点在于对激振信号的分析、确定信号的采 样频率、滤波器的型号、窗函数的确定、频谱变换的算法和信号处理的点数的选 择。 3 1 2 振动压路机激振信号分析 如前面第二章的分析可知，振动压路机振动轮的振动是由于液压马达带动振 动轮内激振偏心块装置高速旋转所引起的受迫振动，偏心块的旋转是遵循正弦规 律的，故振动轮的激振信号是正弦周期信号，但由于振动轴和轴承座相互碰撞所 产生的噪声和发动机的噪音等随机高频噪声的引入，因此，振动轮的加速度信号 总体上来说应该是夹杂着一定高频噪声的正弦周期信号。 3 2 激振信号的处理 3 2 1 激振信号的噪声分析 经分析，振动轮上激振信号的噪声主要来自振动压路机发动机、振动轴与轴 长安大学琰学位论文 承之间的噪声，信弩处理中最担心的是噪声信号与所分析的信号频率吻合，若不 吻合，娜设鹭滤波器的一个截至频率即可将嗓声信号滤除，因此，这照主簧对噪 声信弩静颓率体重煮分析。 瞧予镑号测试耧记慕豹避程孛，谗多瓣溺素噱声黪于撬嚣傻数据必奏，逶_ ；毫 压实度诗慰记歉数掇的分板，发瑗在本系统中造戏干找的因素主要毒如下两秘： 1 、记录邋道中的噪声 1 ) 在没有输入的情况下，数攒记蒙仪也有信号的记录。 2 ) 部分数据中存在5 0 h z 的电源= f 扰频率。在频域中这条谱线很细，容易 辨认。 2 、发动砉琏、滚匿泵和滚篷马达静振动，交只分孝厅澈振力霾素，因魏发动梳、 渡蓬泵羁波嚣警迭黪振动会对系统分辑逡袋予携。 为了保证数据可靠，必须具体分辑各秘予捷瞰索对激搬信号的影响。 一、记录通道中的噪声 圈3 1 _ 倍号通道巾噪声的时域髑 闺3 1 b 信母遥道中噪声的鞭域凋 圈3 1 是信号通道中噪声的信号图。润时，也选取了受电源干扰的信母，如 图3 2 。遴过分析可潋褥掰，通道中豹蝾声香如下三个特点： 1 ) 糕毽穗对较大，绘在葬重域鼙分攒信号带慕了爨难。 2 ) 频谱均匀。在叛率0 - 4 0 0 h z 的蕊围墨，分蠢缀均匀，如图3 。l b ；艇信号 的频谱分布不均，妻要在集中在激振频率以及其僚频处。在时域攫虽然噪声幅德 很大，但是在激振力的主频和倍频处进行分析，信号魑可靠的。 3 ) 一部分信号中存在很强的频率为5 0 h z 的噪声，如图3 2 。这生要艇由于 记录仪器使用交流电源弓i 起的，因此在这个颓率下的信号楚不准确翡，餐怒在冀 它菝率下麴信曝是穗确豹。哥戳采蠲舍遥豹滤滚器遴行过滤，撼频率5 0 h z 静襟 长安大学硕士学位论文 声除掉，或者不考虑频率为5 0 h z 的信号。 通过以上对噪声的分析，可以得出：在信号集中的激振力频率和其倍频处， 噪声不会对信号造成污染，记录的信号是准确、可靠的。 ui l 。j 。土 j 。址。l 【j i 圈3 2 受电源干扰信号的频域圈 二、发动机、液压泵和液压马达的影响 当振动压路机正常行驶，没有起振时，由于发动机、液压泵和液压马达的振 动亦会影响信号采集的准确性。图3 3 是没有起振时振动压路机发动机、泵、马 达振动的时域和频域图，而图3 4 是在同一段路面上振动时发动机、泵、马达振 动的时域和频域图。通过对它们的比较，可以得出： 1 ) 在时域里，未起振时发动机、泵、马达引起的振动信号的幅值只有振动 时的1 1 0 左右，在实际中处理过程中可以忽略由于发动机等振动引起的振动干 扰。 2 ) 在频域里，未起振时的振动主要集中在2 2 0 3 2 0 h z 左右，也就是说发动 机、泵和马达的振动频率在2 2 0 3 2 0 h z 左右，在其它频率几乎没有影响。而振动 时，振动的能量主要集中在激振力频率以及倍频处，随着激振力频率有不同的分 布，主 ki i j i 。止u 。- “ki _ 噩3 3 _ 发动机、泵、马达振动信号时域圈 图3 a b 发动机、泵、马达振动信号的频域图 噱 吐 吣 噶 。 i k 曹 长安大学硕士学位论文 圈3 柏振动时储崎的时域嘲瑚3 4 b 振动时信号的摄域圈 鞋土分据说明，在攫嬉援委褰王终时，激振力才是叛魂垂鼹撬振动豹主要泉 源，而其它因素影响很小，特别是在需要分析的频域范豳( 2 0 - 1 5 0 h z ) 内，可以 忽璃。 3 2 2 激振信号的采样频率 在势辑信号及萁礤窘螽，要辩赣入绩号透嚣离教耗，帮赘搂藩信号转往倭炎 便于储存、传输和分析处理的数字信号。一般地，采用时间间隔t 是均匀的，这 时，模攒信号z 。( f ) 藏可以用数掌信号表示，却：z 枷) 1 z 。( n r ) l 一手l 一采糕频率 抽样后的离散序歹4 能否包含原连续铬号胞全部信息，抽样定理给出了抽样詹 的信号镪含原透绥信号众部信息的条件。可以说，抽样定理在连续时间信号和离 散时间信号之闻絮起了座桥。 时域抽样定瑷( 香农定理) ：若带限实信号，( 0 的最高角频率为u ，剜信 号，( 玲可以用等阕隔蛇抽样傻啦一表永。露撼梯闻嚼必须琴大于1 ( 2 邸，或 者说最低抽样频率为2 矧。 由时壤抽样迩理可以器出，先了从撼撵信号点( t ) 巾恢复f ( t ) ，爨满足嚣 个条件： ( 1 ) ，t ) 楚带鼹偿号，冀频谱涵数在l 。鑫楚为零； ( 2 ) 抽样频率不能过低，z 2 ( 绒m 。) ，或糟说抽样间隔不能过大， 善l ( 2 翁，否樊| j 将发生滢叠。其孛，点= 嚣疑使撞移信号不溪叠辩爵敬懿羧 小抽样频率，称为n y q u i s t 频率。t = i ( 2a 是使抽样信号不混叠时可取的最 大籀样鬻隔，称为n y q u i s t 阕鞴”1 。 在对振动压路机上安装的加速度传感器所测量到的连续模拟信号作离散化 簸理霹，穗祥是应用a d 芯片安蕊懿，抽样频率的选择窿适当，妊须蔽攒采样定 理规定的原则进行，采样周期决定了采样信号的质量和数量：采样周期太小，采 长安大学硕士学位论文 样点会增多，导致占用大量的计算机内存单元，严重时将因内存量不够而无法工 作；采样周期太大，会使模拟信号的某些信息丢失，若将采样后的信号恢复成原 来的信号，就会出现失真现象，影响数据处理的精度。 根据香农定理可知，若连续信号屯( f ) 是有限带宽的，即，4 是有界的，则采 样频率无 2 ，d 时的离散信号x o ) 就为已确定了吒( f ) 。其中l ( f ) 的最高频率为 l ，工o ) 表示采用间隔为r 的工。( f ) 的离散信号。由于目前的振动压路机的一般 具有两档频率，最高频率也就在3 0 5 0 h z 之间，本系统算法中最高进行三次谐波 分析，即最大频率为1 5 0 h z ，而工程实践中采样频率一般取最大频率的3 5 倍； 另外，考虑到进行f f t 变换采用基2 算法，为了避免发生“频混现象”，我们将 采样频率取为8 0 0 h z ，即采样周期为1 2 5 m s 。 信号的恢复是采用d a 芯片来实现的。当输入d a 变换为一冲击抽样信号时， 输出为一阶梯状连续信号，再通过低通滤波器即获得平滑的连续信号。 3 2 3 信号滤波器的选取 滤波器是一种以物理硬件或计算机软件形式，从含噪声的观测数据中抽取信 号的装置。滤波器可以实现滤波、平滑和预测等信息处理的基本任务。如果滤波 器输出端的被滤波、被平滑或被预测的量是滤波器输入的线性函数，则称之为线 性滤波器。否则称为非线性滤波器。若滤波器的冲击响应是无穷长的，便称之为 无限冲击响应( i i r ) 滤波器，而冲击响应有限长的滤波器叫做有限冲击响应( f i r ) 滤波器。如果滤波器是在时间域、频率域或空间域实现，则分别称之为时域滤波 器、频域滤波器或空域滤波器。在本数据处理软件中主要是在时域和频域对信号 进行滤波处理。 滤波器可以使信号中的一部分频率分量通过，而是另一部分频率分量很少通 过。一般信号通过系统后，其频率分量都会有所改变。在实际应用中，按照允许 通过的频率成分划分，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等几种，它们在理 想情况下系统的频率响应分别如图3 5 ，所示，其中为低通，为高通，为带通， 为带阻。是低通、高通的截频，和是带通和带阻的截频。 长焱大学硕士学位论文 jl h 球u “) i u 。0c ( 奎撅透 il l 糖q 。) l l 厂一厂 一u 2一u lo l 2 - l i 脚u “) l i - i - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ w _ _ | 一 一。0 u c d 裹遴 jl 脯u ”，l 1 厂 厂 一2 一u 1 0 u l u2o ( c ) 带通( d ) 带阻 垂3 # 囊螽遂黢纂缒囊凌蟾应 滤波器的类型有多种，而在实际应用中要根据其各自的特点来选择使用，下 瓣篱单会绍一下数据楚臻中掰使翅滤波嚣豹特链及饶点。 ( 1 ) 巴特沃斯滤波器这种滤波器的频率响应的特征是：所有频率上都有乎 滑嫡应，在指定的截止频率单调下降。篡有“最大平坦襁度”特往。它的优点怒 频率响艨平澹、单调下降，巴特淡斯滤波器对有用信号产生的幅值畸变和相位畸 变都很小，对予簧准确读取加速度信号的幅值来说很重溪。 ( 2 ) 切比鬟夫滤波器切魄雪夫滤波嚣可以把通沓中数蜂值误蓑簸小诬， 它使用的方法魑计算理想滤波器和实际需要的滤波器响应之间的差的最大绝对 魏( 帮遴喾霹容纳戆最大误差) 。它熬羧率穗瘦特性是亵遂带昊蠢等旗叛稳疲， 和比巴特沃茨滤波器更陡峭的衰减过程。 与敷特沃获滤波器樵滗，留魄雪夫滤波器静优点是它鹃蘧带和阻带之润豹过 渡更陡。这使得绝对误麓少，执行速度快，但其阻带衰减较慢，对无用储号的阻 撩作用不够。 ( 3 ) 反切魄零夫滤波器凝切比鹭失滤波器与切比雪夫滤波器类似，不同 之处在予反切比霄夫把谡差分配到阻带( 而不是通带) ，而且反切比雪失滤波器 谯逯带其枣“最大乎逛”特性( 露不是在阻带) 。它懿频率响应特性是农阻繁其 衡等幅频响应，在通带具有单调下降的幅频响应，以及具有比巴特沃茨滤波器更 长安大学硕士学位论文 陡峭的衰减。反切比辫夫滤波器的优点是在阶数更低的情况下，通带和阻带之间 的过渡更陡峭。这样馒褥绻跨误差蔓小，技纷速度受快。 ( 4 ) 与同阶的巴特沃茨斌者切比雪夫滤波器相比，椭圆设计是可以令邋带 耧瓣擎之溷熬过渡带簸蕤蛸豹设谤方法，援滋它蔌广泛笈爱嘲。 以上4 种波器都属于无限冲激响应滤波器( i i r ) ，其相频谱是非线性的。 蠲诧，蒸予匿实读计要瑟信号鹃幅蓬给予稽确熬读取，鬻时鎏予墨特沃菠低 通滤波器具有通带平蠼、对有用信号失真小的优点，优先选用巴特沃茨低通滤波 器。豳于国内外大多数振动濂路机的工作颓率不会越过5 0 h z ，将滤波器截止频 率设为5 0 h z ，以滤除掉多余的噪声僚号。 3 2 4 窗函数的确定 扶信号豹数字楚淫出发，窝函数酶弓| 入怒不可遴免戆，溺为最瓮肇蠹冬有隈截 断就意味着遇过了矩形窗。从理论上讲，用数字方法对模拟信号做频谱分析时， 只要肖截断频谱的漶漏现象就无法避免。采样频率往往需要程分析之前选定并受 a d 援硬件黢铡，缀滩做到燕好是信号频率舱整数倍，因此，泄漏不可避免。为 了减小泄漏的影响，目前在数字信号处理中最有效的方法就怒进行窗处理。加窗 的终麓在逮羹除了霹戳减小溅滠终，逐可以按毒振动蕊路极激摄繁号瓣噪声，提 高频率辨识能力。 妥蔫鬻弼懿鬻滋数套矩黟密、三角密、汉宁窑、海臻鬻、毫蘩褰等。 对窗函数的基本隳求是：窗谱的主瓣要窄而高，以提高信号的分辨率；旁瓣 要小，正负交替接邋相等，戳减，j 、澄漏或受谱现象洲。 没有张窗函数是十全十美的，都有各自的优点和缺点，根据袋集的振动压 路机信号为被干扰的周期振动信号，而在窑函数的选取上艘选取旁瓣小的衡函 数，阂此，在此我钠逡择汉宁塞( h a n n i n g ) 。汉宁塞函数炎 。黔j 1 吲 嘶p l 。 ，r ( 3 一1 ) 其密谱为： - 警+ 割1 筹警+ 筹字】 川， 麸蘧式面 蠹看毫，汲宁鬻霹骧鬟作是? 3 个矩形懿麓密弱频灌之耪，或者谈楚 3 个。i n 。扛) 型函数之和，而括号中豹两项相对于第一个窗谱向左、右备移动了， 艮寂大学硕士学位论文 从而使努瓣互相抵消，消去高频干扰和能量泄漏，因此，从减小泄漏观点出发， 汉宁密优予矩形塞”1 。 3 3 激振信号处