（交通信息工程及控制专业论文）基于PXI和SCXI架构的水泥混凝土路面脱空状况的测试研究.pdf

摘要 水泥混凝土路面在实际使用过程中，随着时间的增长都易出现不同程度的病害，其 中最为严重的就是板下基层与面层的脱空。如果不及时治理，任由脱空区域逐渐增大， 则必会导致面板的断裂及错台，严重时可造成面板的破碎及沉降。因此，如何采用有效 的方法对使用中的水泥混凝土路面进行检测，判断板下基础存在脱空病害与否，并确定 脱空面积的大小，成为了路面养护与维修工作的关键所在。实践证明，采用板下灌浆封 堵是一种有效的治理方法，但这是以准确评定脱空状况为先决条件的，否则将得到适得 ，其反的结果。 目前，测试路面脱空的无损检测方法主要有声击、超声波、雷达、弯沉等检测，本 文提出了一种基于加速度信号的振动检测技术。根据混凝土路面结构不同导致受迫后的 谐振模式不同，计算和判定水泥混凝土路面内部的脱空状况。通过对振动信号的处理和 分析来评价缺陷的发生和发展规律，并确定缺陷的位置。 针对隐蔽而危害却很大的脱空情况，采用加速度信号为测试和判别特征，通过基于 n i p x i 6 0 7 0 e 和s c x i 1 5 3 1 的硬件架构，对水泥混凝土路面在落锤冲击后的加速度激 励信号进行实际的信号采集，并进行时频域的分析和特征提取，获得冲击信号处理的结 果，从而确定水泥混凝土路面是否存在脱空情况，并在理论上对脱空的体积进行计算。 实际的测试和实验研究证明，采用p x i 和s c x i 架构的虚拟仪器测试平台能够方便、有 效的应用于混凝土路面脱空工程测试。 关键词：脱空、无损检测、加速度信号、p x i 和s c x i 架构 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fs e r v i c et i m eo fe x i s t i n gc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t sw h e ni ti s i nu s i n g ，v a r i o u sd i s e a s e sh a v eo c c u r r e df o rm a n ye x i s t i n gc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t s o n eo ft h ep r i n c i p a ld i s e a s e si sv o i db e n e a t hc e m e n tc o n c r e t es l a b s i ft h ev o i ds c o p e s e x t e n dg r a d u a l l y , c e m e n tc o n c r e t es l a b sw i l la p p e a rc r a c k sa n dt h e nr e d u c et oc r a s h s o ， i ft h e r ev o i db e n e a t hc e m e n tc o n c r e t e s l a b ，i ti ss i g n i f i c a n t f o rt h ep a v e m e n t r e h a b i l i t a t i o nt of i n dam e t h o dt od e t e r m i n et h es i z eo f v o i da r e a p r a c t i c eh a sp r o v e dt h a t ， u n d e rt h es e m i g r o u t i n gs e a l i n gi sa l le f f e c t i v et r e a t m e n tm e t h o d ，b u tt h ep r e r e q u i s i t ei s d e p e n d i n g o na c c u r a t et ot h ep o s i t i o no ft h ev o i d sc o r r e c t l y ，o t h e r w i s et h er e s u l t sw o u l d b ec o u n t e r p r o d u c t i v e a tp r e s e n t ，t h e r ea r em a n yn o n - d e s t r u c t i v et e s t i n gi su s e di nt h ev o i d si nt h e p a v e m e n t s ，s u c ha sa c o u s t i cs h o c k ，u l t r a s o n i cw a v e ，r a d a r ，d e f l e c t i o nt e s ta n ds oo n ，a n d t h i sp a p e ri n t r o d u c et h ev i b r a t i o nt e s tt e c h n o l o g yw h i c hb a s eo nt h ea c c e l e r a t i o ns i g n a l s t h ed i f f e r e n ts t r u c t u r eo fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tr e s u l t si nd i f f e r e n tr e s o n a n tp a t t e r n ， a c c o r d i n gt ot h i sy o uc a nc a l c u l a t ea n dd e t e r m i n a t et h ec o n d i t i o no fv o i dw h i c hi nt h e c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t f r o mt h ep r o c e s s i n ga n da n a l y s i so ft h ev i b r a t i o ns i g n a l ，y o u c a nm a k ec e r t a i nt h el a wo ft h eo c c u ra n dd e v e l o p m e n to ft h ef l o w , a n dt od e t e r m i n et h e 1 0 c a t i o no fd e f e c t s f o rh i d d e na n dh a z a r d o u sv o i d so ft h ec e m e n tc o n c r e t er o a ds u r f a c ec o n d i t i o n ，t h e v i b r a t i o na c c e l e r a t i o ns i g n a li su s e df o rt e s ta n dc o n d i t i o nc h a r a c t e r i s t i c sd e t e r m i n e t h e i n c e n t i v ea c c e l e r a t i o ns i g n a l ss h o c k e db yad r o ph a m m e ra r ea c t u a l l yc o l l e c t e du s i n gt h e h a r d w a r ea r c h i t e c t u r ew h i c hc o m p o s e db yn ip x i - 6 0 7 0 ec a r da n ds c x i - - 15 31s i g n a l c o n d i t i o nc a r d t h ec o l l e c t e ds i g n a li sa n a l y z e dt h r o u g ht h ef r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i s a n df e a t u r ee x t r a c t i o n ，t h eg o t t e nr e s u l to fs i g n a lp r o c e s s i n gc a nb eu s e dt od e t e r m i n e w h e t h e rt h e r ei sv o i dc o n d i t i o n ，a n df r o mt h er e s u l tc a nc a l c u l a t et h es i z eo fs p a c es o l d a n ds e r i o u ss i t u a t i o n t h ea c t u a le x p e r i m e n ta n dt h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ts h o w st h a ti t i se a s ya n de f f e c t i v et ot e s tt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no ft h ec e m e n tc o n c r e t er o a d s u r f a c ev o i dc o n d i t i o nw i t ht h eu s eo fp x ia n ds c x is t r u c t u r eo ft h ev i r t u a li n s t r u m e n t t e s tp l a t f o r m k e yw o r d s ：v o i d s ，n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，a c c e l e r a t i o ns i g n a l s ，p x ia n ds c x i a r c h i t e c t u r e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：崩刁 嗣撕彤年r 月如日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：历明明 导师签名： 扮军 6 云 趴年f 月3 口日 k “年石月7 日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 国内外水泥混凝土路面发展概况 高速公路是二十世纪三十年代在西方发达国家开始出现的专门为汽车交通服务的 基础设施，在运输能力、速度和安全性方面具有突出优势，对实现国土均衡开发、建立 统一的市场经济体系、提高现代物流效率和公众生活质量等具有重要作用。目前全世界 已有8 0 多个国家和地区拥有高速公路，通车里程超过了2 3 万公里。高速公路不仅是交 通现代化的重要标志，也是国家现代化的重要标志。 水泥混凝土路面具有承载能力大、稳定性好、使用寿命长、日常养护费用少等优点， 是高等级、重交通公路路面的主要类型之一，各国都在积极发展水泥混凝土路面。2 0 世 纪2 0 年代以来，许多欧洲国家修筑了大量的水泥混凝土路面，特别是在高速公路中，许 多国家都采用混凝土路面作为主要的路面形式。例如比利时由于具有较为发达的钢铁和 水泥工业，水泥混凝土路面的比例居欧洲各国之最，在交通量不大的道路上也采用混凝 土路面。另外，德国在1 9 6 0 年以前及近年来修建的高速公路几乎都采用混凝土路面。 建国初，由于国家建设资金有限，水泥紧缺，在公路上修建混凝土路面的数量很少。 据不完全统计，到1 9 7 0 年我国仅有公路水泥凝土路面2 0 0 k m 。到了7 0 年代，我国某些省 份如浙江、河北、江苏、广东等，才开始较多地在公路上铺筑水泥混凝土路面，至1 9 8 0 年我国水混混凝土路面里程增至1 6 0 0 k m ，1 9 8 0 年以来，通过不断实践、摸索和科学研究 我国修筑水泥混凝土路面的技术逐步完善，质量不断提高，我国公路交通事业得到了快 速发展，截止至1 j 1 9 9 9 年底己有水泥混凝土路面9 8 8 4 6 k m ，截止至1 j 2 0 0 5 年底，我国高速公 路通车里程已经超过4 万公里，继续保持世界第二。 各国对水泥混凝土路面的修筑技术一直在进行研究和总结，水泥混凝土路面在技术 上同臻完善，经济上显示出优势，并得到较广泛的应用。特别是高等级重交通的道路， 水泥混凝土路面得到更广泛的应用。我国公路修建水泥混凝土路面已有几十年的历史， 其中早期修建的水泥混凝土路面己接近使用年限，维修养护工作的任务越来越重。特别 是近几年，随着市场经济的发展，交通荷载的日益重型化，交通量的大幅增长，加速了 路面的损坏。因此，加强对水泥混凝土路面的养护和维修，特别是预防性养护，是公路 交通部门的一个刻不容缓的任务及重要工作内容。 第一章绪论 1 2 问题的提出及研究 水泥混凝土路面具有强度高、网度大、板体性强、耐久性好等优点，是种性能优 良的高等级路面，水泥混凝土路面正在为我国的交通运输事业发挥着巨大的作用。但是 水泥混凝土路面在使用过程中也会出现种种病害，板下脱空就是常见的病害之一。水泥 混凝土路面最严重的病害是路面板块的破碎，它直接危及交通行车安全，而板的破碎往 往是从板底脱空或沉陷开始的。对于已脱空的水泥混凝土路面必须及时采取修补措施， 以防止板体出现断裂和破碎。压浆就是一种常用的修补手段，它具有快速方便、经济实 用、对交通影响小等优点。灌入的浆体在板下硬化后，可以恢复板体与基层的连续性， 有效的改善板体的受力状态。目前许多资料和工程实际中，都广泛的采用了压浆加固技 术对脱空路面进行修补。 压浆技术是水泥混凝土路面修补的一种有效措施，己被广泛认同。但是对于面板的 脱空与否及脱空具体位置、大小等现状，人们无法从路表直接来判定，修复时只能对每 块面板进行压浆，而且对于未出现脱空的混凝土板压浆后，还会对原来接触良好的板体 产生扰动。不但浪费人力、物力，而且可能造成路面的进一步破坏，水泥面板容易产生 新的裂缝，扩大旧的裂缝，路面使用性能下降直至迅速破坏。因此，对使用中的混凝土 路面，如能以一定的方法检测板下基础脱空与否及程度大小，对于指导采取防预性、针 对性的修复措施，以阻止此类结构性破坏的发展将是极为重要的【4 】。 脱空评定的方法有两大类：一类是用实地验证的方法进行评定，如钻孔、移开面板 等，具有一定的破坏性，而且需要大量的人力、物力。另一类目前常用的无损检测：例 如振动测试技术是一种快速、方便、无破损的现代检测技术。它是利用在路面板表面激 振的方法获得混凝土面板的振动信号，由于脱空与未脱空面板的振动信号存在很大的差 异，通过对所得信号的分析处理可实现对路面板脱空的检测。利用振动映像检测技术可 定期、快速的跟踪路面状况，随时掌握路面的变化情况，及时的发现路面板下的脱空及 脱空程度，从而提出相应的修复加固方案，做到防患于未然，也避免了修复中的盲目性， 通过对修复加固前后检测信号的对比还可完成对修复效果的评价。此项检测技术的应用 对改善路面行使性能、节约维护资金、延长路面使用寿命具有显著的社会效益和经济效 益。本文还引入了虚拟仪器技术到振动测量系统中，不仅可以省去相对昂贵的多的实际 测量仪器，而且还利用了计算机对整系统的输出信号进行数据的自动采集、分析、处理 和保存。 2 长安大学硕七学位论文 1 3 水泥混凝土路面的脱空分析 水泥混凝土路面分为面层和基层两部分，底下是原地表泥层，如图1 1 所示。 脱空 弼荔獗獗獗砺甄戮溺蓊露殁溺戳獗戮琵荔黝豸原地表泥层 图1 1 水泥混凝土路面结构图 板下脱空是指面层与基层之间产生空隙，属于路面的结构性损坏。造成板底脱空的 原因是多方面的，是内因和外因共同作用的结果。水泥混凝土路面在使用过程中，由于 板下基层材料的刚度远小于混凝土路面层，在行车荷载的反复作用下，板下基层将产生 塑性变形累计，而出现与板体脱离的现象；同时温度、湿度的变化而引起的混凝土路面 板挠曲，也易造成板下脱空。在雨季，如面层上有裂缝，渗入的雨水将在板下形成积水， 在行车荷载的反复挤压作用下，积水与基层材料中的细粒材料形成泥浆，并沿面板接缝 缝隙处喷溅出来，形成卿泥，卿泥的出现进一步加剧了板下的脱空。实际观测和实践经 验都表明，水泥混凝土路面板下的局部脱空是大量存在的。脱空的出现对水泥混凝土路 面板的受力是极为不利的，在荷载的继续反复作用下，极易导致水泥混凝土路面板的断 裂和破碎等损坏，这将严重影响水泥混凝土路面板的使用性能和疲劳寿命。 板底脱空的原因可概括分为：结构设计原因、施工质量原因和养护管理水平等三类。 1 结构设计原因 路基承受路面传来的荷载，并通过路床和路堤进行传递和扩散，如果设计的路基不 稳定，出现不均匀沉陷，基层将随之变形而致使面板产生脱空。路基设计不仅应具有足 够的强度、稳定度和耐久性，还须对地面水和地下水采取拦截或排出路基以外的措施。 设计不足，解决不了水稳性不良或防冻的问题，选料不当起不到透水和均质的作用。这 种结构的混凝土路面使用一段时间后，基层表面凹凸不平，形成板底脱空。路基、路面 的积水是形成道路多种病害的首要因素，路基路面若排水不畅，在荷载作用下，板底的 积水变成有压水进一步冲击、携带松散粒料沿板缝冲出，产生卿泥，是板底脱空的直接 原因。 2 施工质量原因 第一章绪论 施工控制是保证工程质量、提高路面使用质量的重要环节。施工中选用材料的优劣、 施工季节的选择、合理利用施工机械、施工工艺和施工方法等方面都直接关系着水泥路 面面板的使用寿命，而精心施工对避免和预防混凝土路面的脱空、断板尤为重要。施工 质量不好，强度不均匀或较低，使用中基层松散或在渗水作用下材料被吸往一边，面层 即产生脱空。 3 养护管理水平 由于对水泥混凝土道路的“持久耐用、养护要求不高”片面理解，认为水泥混凝土路 面可“一劳永逸”，使得水泥混凝土路面的养护工作滞后。水泥混凝土面板接缝填料的养 护至关重要，填缝料经一段时间之后发生老化，逐渐失去防止雨水下渗功能，最终脱落， 如不及时更换，将会渗水而导致卿泥现象不断产生，面板边缘脱空而失去支撑。加强养 护工作，及时发现、处理问题，可以避免和减少水泥混凝土面板脱空的产生【7 1 。 1 4 无损检测的发展及现状 近年来我国高速公路建设发展迅速，公路工程质量检测技术也随之发展。传统的钻 探取芯、开挖取样检测手段不但效率低，代表性差，成本高，而且具有破坏性。目前世 界各国都在发展快速、高效、经济、简便的工程量无损检测技术。当今的无损检测技术 在国民经济发展中已具有举足轻重的地位。r 本科技界认为，现在工业是建立在无损检 测的基础之上的。德国的科学家则认为无损检测技术是检测行业的四大支柱之一。我国 建设工程无损检测技术在近2 0 年里得到飞速发展，其若干单项技术在研制和运用水平 都已进入了国际先进行列。自8 0 年代以来，通过多次技术合作和攻关，已制定了回弹 法、超声回弹综合法、取芯法、拔出法等混凝土强度无损检测的规程。这些行业标准和 协会标准，有力促进了无损检测技术在工程中的运用。至今，国内大部分二级检测中心 均已具备了开展无损检测服务的条件。 无损检测技术体系日益完善。除了常用的超声波外，红外成像技术、雷达技术、波 动分析技术、电磁、激光等技术也逐渐被应用。如：远红外成像检n j i - 墙面砖粘贴质量、 雷达探地检测场道、公路质量、波动分析检测桩基质量等在全国各省市都有应用先例。 配套开发和研制的检测设备和仪器已发展到数字式智能化时代，具备了综合性和测试结 果分析、计算的功能，测试数据也由单纯的数理统计进入了信息处理，大部分己配置笔 记本电脑和随机键盘，甚至简单到：“只要轻轻一点，便可什么都管”的傻瓜型。 4 长安大学硕士学位论文 1 5 无损检测在工程中的应用 无损检测技术在工程中的应用已愈来愈广泛。无损检测技术的现场性、实用性、快 速性特点，为工程质量监督工作提供了先进的科学手段，在整个工程建设质量监控中， 其作用亦愈加重要。 1 无损检测技术是工程质量事故检测和处理的法定方法之一。在混凝土结构工 程施工及验收规范( g b 5 0 2 0 4 9 2 ) 中明确规定：“当对混凝土试件强度代表性有怀凝 时，可采用非破损检验方法或从结构、构件中钻取芯样的方法，按有关标准规定，对结 构构件中的混凝土强度进行推定，作为是否应进行处理的依据。” 2 无损检测技术是工程质量预控和监督的有效手段。随着无损检测可靠性的提高， 其检测结果非但是普遍使用的一种质量处理的依据，而且越来越多的工程已将其做为施 工过程中的质量控制手段，使无损检测技术介入施工管理中。如：新拌混凝土快速测定 仪，可在几分钟内测试出出罐的新拌混凝土中水泥含量、水灰比，推定出2 8 d 的强度值， 起到了预先监控的作用。 3 无损检测技术是工程评定和质量评估的重要依据。在以标准试块测定值为代表 来评判工程质量的基础上，运用无损检测结果比较既可验证试块的真实性，也可反映出 真实质量和差异【”】。 1 6 本文主要研究内容 实践证明，采用板下灌浆封堵是一种有效的治理方法，但这是以准确评定脱空状况 为先决条件的，否则将得到适得其反的结果。目前常用的检测混凝土结构内部缺陷的 n d t ( n o n d e s t r u c t i v ee x a m i n a t i o n ) 方法很多，但是真正用于工程上检测水泥混凝土路面的 脱空的方法还很少。其中用激光、雷达检测技术，例如用落锤式弯沉仪( f w d ) 与探地雷 达同时作用脱空判定，不仅设备昂贵，且很难在工程上应用。至于传统的人工敲击听声 法由于受到人的主观判断，且需要熟练的养路工人操作，准确性很难得到保证。因此， 人们希望能找到一种造价低廉，准确性可靠，操作简单且实用的检测方法。 本文从脱空分析入手，根据振动特性，提出了锤击波检测法，它是根据激振器激发 的弹性波的波形特性及传输规律，检测其异变而得到脱空状态。还引入了虚拟仪器技术 到无损检测系统中，不仅可以省去相对昂贵的多的实际测量仪器，而且还利用了计算机 对整个系统的输出信号进行数据的自动采集、分析、处理和保存。 第一章绪论 本文的主要研究内容如下： 1 分析国内外发展状况，了解脱空成因和危害。 2 比较常用的脱空检测方法。 3 熟悉虚拟仪器技术及l a b v i e w 。 4 了解传感器，根据各种参数确定压电加速度传感器型号。 5 对脱空测试系统进行硬件和软件设计，并进行实际的实验操作。 6 将实验波形进行时、频域分析，提取波动特征参数，对有无脱空的实验波形和 数据做大量的比较，得到其规律。 6 长安大学硕士学位论文 第二章脱空检测方法的比较 目前，国内外新型的路面病害体检测方法常用的有声击、雷达、超声波、红外线、 弯沉仪等方法，本章将研究分析超声波和雷达检测系统的工作原理及在路面检测技术中 的应用，并且将常用的脱空检测方法作了简要的比较。 2 1 超声波检测技术 超声波检测技术是近年来发展非常迅速的一项新技术。它的基本原理是用人工的方 法在工程材料和结构中激发一定频率的弹性波。这种弹性波以各种波型在材料和结构内 部传播并由接收器接收，通过分析、研究接收和记录下来的波动信号，可以了解材料和 结构的力学特性或内部的缺陷。一系列的实验表明，在物体内部传播的弹性波的波速、 振幅、频率和波形等波动特征参数与物体的力学参数，如弹性模量、动泊松系数及物体 内部应力分布的状态有着直接关系。另外，波动特征参数还与物体内部的缺陷( 如断裂 面和脱空的大小、形状及分布等) 有关。由于超声波检测与其它的材料实验方法相比有 轻便、灵活、可以大范围测试等一系列优点，因而在交通、地质和水利等工程部门中得 到日益广泛的应用。 2 1 1 目前常用的超声波检测仪器 超声波探伤技术是一种成熟的检测技术。自从我国高速公路兴建以来，对路面的要 求十分严格，不允许在路面结构中出现脱空、松软现象，因此，超声波检测成为了现场 判断路面施工质量的一项技术。超声波检测系统主要由电声换能器( 探头) 和声波检测 仪组成 6 】o 一、电声换能器 在超声波的发射中需要将声频振荡器的电信号转换成发射探头的机械振动，再向被 测介质发送声波。声波在介质中传播一段距离后需要有接收探头接收，转换成电信号后 再进入仪器进行处理、显示和读取。将一种能量转换成另一种能量的器件称为换能器。 上述发射探头和接收探头都是电声换能器。超声波探头根据其构造和使用场合的不同可 以分为直探头、斜探头、喇叭探头和水探头等。 1 直探头 这种探头主要用来发射和接受纵波，它的基本结构如图2 1 所示。 7 第二章脱空检测方法的比较 卜金属盖j2 一绝缘柱：3 - 接触座： 4 一导线螺秆：5 一接线片：6 - 晶片座； 7 一金属外觉：8 一晶片：9 - 保护膜j 1 0 _ 接地铜圈j1 1 - 吸收块 图2 1直探头的构造 2 斜探头 这种探头主要用来发射和接受横波，它是由直探头和变换波形的斜契组成。直探头 发射纵波，经斜契斜射入被测结构中，转换为横波( 如图2 2 ( a ) ) 。斜探头在混凝土结构 检验中很少用到。 3 喇叭探头 喇叭探头主要用于混凝土、岩石一类非金属材料的检验，它的基本构造如图2 2 ( b ) 所示。前盖板由铝等轻金属构成，它的作用是扩大探头对被测结构的作用面积，以提高 探头的指向性。探头的后盖板和压电晶片用螺杆固定，并施加单阻压力，以增加换能器 的机械强度。晶片和后盖板用外壳密封。 4 水探头 水探头检测是放置在液体中，通过液体向被测结构发射声波。它由一个径向振动的 长圆筒形压电晶体构成。如果圆筒的半径远小于波长，就可以看作一个理想的直线振动 源。它的基本构造如图2 2 ( c ) 所示。 图2 2 ( a ) 斜探头( b ) 喇叭探头( c ) 水探头 长安大学硕士学位论文 二、声波检测仪 为使发射探头向被测的构件发送超声波，必须向其提供声频电信号。接收探头接收 声波信号并将其转换为电信号后也必须进行放大、处理和显示，才能进行判断和识别。 上述任务由声波检测仪完成。根据发射的波形，可分为连续波型、调频波型和脉冲波型， 其波型图如图2 3 所示。接收信号的显示有荧光屏显示、数字显示和同时采用荧光屏、 数字显示3 种【6 1 。 撇叫铲* 图2 3 声波检测仪发射的声波类型：连续波、调频波、脉冲波 2 1 2 超声波检测原理 1 声波的传播特性 声波是质点振动在弹性介质内部传播的形式，它是一种能在气体、液体和固体中传 播的弹性波。人耳能听到的声波频率范围在2 0 h z 2 0 k h z 之间。频率超过2 0 k h z 称为超 声波为；低于2 0 h z 称为次声波。声波波长与频率、波速之间的关系可以表示如下： c = 旯幸f( 2 1 ) 式中：c 声波在某介质中的传播速度； 五声波波长； 厂声波频率。 2 波形和传播速度 波速法是超声波检测路基路面的最基本的方法。所谓波速法，即指用波在路基路面 材料中行进的波速来检测其力学性能的一种方法。波的行进速唐与；玄种材料的强度有着 密切关系，而强度又与它的密度、弹性模量以及泊松比有关，。在无限大固体介质 中传播的传播速度： ( 1 ) 纵波。质点振动方向和声波传播方向一致的波称为纵波，它在无限均匀的介 质中传播速度为： 9 第二章脱空检测方法的比较 c 1 ：，i 墨戛 ( 2 2 ) 2 1 丽i 丽 u z 式中：e 弹性模量； p 介质的密度； 泊松比。 ( 2 ) 横波。质点振动方向垂直于声波传播方向的波称为横波，它只能在固体中传 播。在无限均匀的介质中横波的传播速度为： q = 胨= 层 亿3 ， 式中：g 剪切弹性模量。 ( 3 ) 表面波。沿介质表面传递，拨动振幅随深度增加而迅速衰减的波称为表面波， 在介质中的传播速度为： c g = 等笋菘南 亿4 ， 2 _ 1 万湎丽 u j 纵波、横波和表面波速度之间的关系可由下面的公式来表示： c c 揣 亿5 ， c r = c 1 訾 ( 2 6 ) 2 1 3 超声波检测方法 根据探头安放的不同位置，超声波探测可分为穿透法、反射法和沿面法。在脱空检 测中，一般用反射法【3 1 。 超声波反射法测置原理如图2 4 所宗： 图2 4 超声波发射法测量原理 1 0 长安大学硕十学位论文 在图中，发射探头用口角向路面中发射超声波，该波穿透路面结构材料到达路面底 部。如波从发射到接收所经过的路称为s ，时间为f ，则波的平均速度为： y ：曼：l c o s a 删r ：4 2 _ _ z l ( i m s )( 2 7 ) 忙百2 - 删s 。一f ，刚s j j 若超声波在路面中行进的正常波速为v o ，由于路面结构中存在缺损时，例如空洞， 声波产生此小反射和饶射，使时间减缓拉长，由于两探头距离l 一定，因此，波速随即 变小。若用实验得到空洞时的波速为v ，即可得到缺陷波速和标准波速的比值，如下 式所示： 堕：口! o 。在 x 轴的正方向出现正电荷，电偶极矩在y 方向上的分量仍为零，不出现电荷。 当晶体受到沿y 轴方向的压力作用时，晶体的变形如图4 3 ( c ) 所示，与3 3 ( b ) 情况相似，p l 增大，p 2 、p 3 减小。在x 轴上出现电荷，它的极性为x 轴正向为负电荷。 在v 轴方向上不出现电荷。 如果沿z 轴方向施加作用力，因为晶体在x 方向和y 方向所产生的形变完全相同， 所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z 轴方向施加作用力， 晶体不会产生压电效应。当作用力f x 、f y 的方向相反时，电荷的极性也随之改变。 4 2 3 压电加速度传感器工作原理 图3 4 为压电加速度传感器的结构原理图，压电元件一般有两片压电片组成。在压 电片的两个表面上镀银层，并在银层上焊接输出引线，或在两个压电片之间夹一片金属， 引线就焊接在金属片上，输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。在压电片上放置 一个比重较大的质量块，然后用一硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加荷载。整个组件装 在一个厚基座的金属壳体中，为了不使试件的任何应变传递到压电元件上去，避免产生 假信号输出，所以一般要加厚基座或选用刚度较大的材料来制造【2 6 1 。 第p n q 章传感器选型 预压弹簧 压电元件 螺栓 图4 4 压电式加速度传感器的结构图 当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用， 根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即 f = m 木口( 4 3 ) 式中：f - 质量块产生的惯性力； m 质量块的质量； a 加速度。 此时惯性力f 作用于压电元件上，因而产生电荷q ，当传感器选定后，m 为常数， 则传感器输出电荷为 q = d 1 1 f = d 1 1 m a 与加速度a 成正比，因此，测的加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小【2 3 】。 4 2 4 选择压电加速度传感器应考虑的因素 压电加速度传感器在选购时应考虑以下因素： 1 电压输出v s 电流输出 这个是最先需要考虑的。这个取决于系统和加速度传感器之间的接口，选择电压输 出或电流输出。电压和电流之间可以用信号转换器进行转换。 2 频响特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失 真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的 频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性 3 4 长安大学硕十学位论文 较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点( 稳 态、瞬态、随机等) 响应特性，以免产生过火的误差。 3 测量轴数量 对于多数项目来说，单轴或两轴的加速度传感器已经能满足多数应用了。对于某些 特殊的应用，比如u a v ，r o v 控制，三轴的加速度传感器可能会适合一点。 4 最大测量值 测量时若超过最大量程；很容意损坏传感器，应购买前分析最大量程。 5 灵敏度 一般来说，越灵敏越好。越灵敏的传感器对一定范围内的加速度变化更敏感，输出 电压的变化也越大，这样就比较容易测量，从而获得更精确的测量值。但灵敏度越高， 价格越高，应适当考虑价格因素。 4 。3i c p 压电加速度传感器 在m 的调理模块中，s c x i - 1 5 3 1 不带附件模块，所以采用自带放大功能的集成电 路压电式i e p e 加速计，是基于压电转换原理、内装微型集成电路的加速度传感器【1 7 】。 内装i c ( i c p ) 的压电加速度传感器必须由外界提供电源才能工作，它要求的电源 是恒流源供电：典型值为2 4v d c 、4 m a ，而不是电子仪器通常具备的恒压源供电。其 输出的与振动加速度成正比的交流信号是叠加在一输出偏压上( 8 1 2 v ) ，而不是通常意 义上的以地为参考点，不便为用户直接采用。 由于上述两大特点，内装i c ( i c p ) 压电加速度传感器很难为用户直接使用( 专为 其设计的数采器除外) 。s c x i 一1 5 3 1 信号调理器就是为内装i c 压电加速度传感器进行信 号调理而设计，可与国内外同类i c p 加速度传感器配套使用。 一、i c p 加速度信号调理器得主要性能特点如下： 1 向内装i c 压电加速度传感器提供2 4 v o c 、4 m a 恒流供电。 2 将内装i c 压电加速度传感器输出的与振动加速度成正比的叠加在输出偏压上交 流信号，通过c r 隔直电路隔掉输出偏压，变成通常意义上的以地为参考点的交流信号。 3 根据用户要求，增益可在1 1 0 0 之间定做。 二、主要技术指标： 1 恒流源电压：d c l 8 - 3 0 v ； 2 恒流源电流：4 m a 。 第| 八 章传感器选型 三、典型的内置i c 压电加速度传感器内部信号调理电路 图4 5 为典型的简易内置i c 压电加速度传感器内部信号调理电路，在图中：点划 线内为恒流源模块电原理图，模块通过v l 既对l c 0 1 系列加速度传感器提供恒流供电 又将加速度传感器测得的振动加速度信号引出。但此时振动加速度信号叠加在8 1 2 v 直 流偏压上，须经4 7 0 “电容隔直后从v o 输出。脚f l 内接c r 高通滤波器r ，阻值2 0 k o 。 f l 脚接地与否，取决于用户要求的低频下限和测试仪器输入阻抗。一般来说，f l 应比被 测频率低l o 倍以上。f l 脚不接地，c r 高通的r 即为测试仪器输入电阻；f l 脚接地，r 为2 0 k 电阻与测试仪器输入电阻并联。高通3 d b 转折频率f l = l 2 r c r c ( h z ) ，f l 脚通常在 测试仪器输入电阻较大时才接地。例如：假如后续仪器为数据采集器，其输入阻抗为 1 0 0 k ，当f l 不接地时，低频下限为f l = l 2 x 3 1 4 1 6 x 1 0 0 1 0 3 x 4 7 0 x 1 0 6 = o 0 0 3 4 h z ，当f l 接地时，f l = l 2 x 3 1 4 1 6 x 2 0 x 1 0 0 ( 2 0 + 1 0 0 ) 1 0 3 x 4 7 0 x 1 0 击= o 0 2h z 。 i v 吒 山1 x 7 1 8 3 0 v v 1 f l 图4 5 典型i e p e 信号调理电路 本次实验选择兼容i e p e 的b z l l 系列内置i c 压电加速度传感器，该传感器的特点 为： 1 传感器为二线制4 一- - , 2 0 m a 标准电流输出。它与电荷输出型压电加速度传感器相 比，最大的优点是传感器的输出阻抗减小了几百万倍，抗干扰能力等综合指标大大增强。 2 与二线制或多线制电压输出型传感器相比，最大的优点是电缆电阻、接线电阻 及电阻随温度等环境因素的变化都不会对信号造成任何影响。 3 低频特性明显改善，适合低频高敏测量，非常适合本次实验。 4 利用传感器的输出特性，可以对它进行自检，测量更可靠2 7 1 。 b z l l 8 5 内装i c 压电加速度传感器输出电缆端头为标准b n c 插头，连接电缆为低 噪音屏蔽电缆，在传感器基座底下有螺母凹槽，配有5 号螺母用于固定，如图4 6 所示。 长誊天学唾士学位论文 圈4 6压电加速度传寤嚣爰配件 b z l l 9 5 内置i c 压电加速度传感器的参数如下： 线性：! 1 横向灵敏度：1 5 典型值： k 相当于板块厚度的不同，可近似于有脱空时板块厚度变小。厚度不同， 对这个振动冲击能量的吸收也不同。越厚吸收的能量越多，当让反射回取得就越少，传 感器监剽到的冲击响应信号就越大；反之亦然。 本次实验采用自由落体落锤式：采用自由落体形式，能很方便地实现落锤以恒等能 量冲击路面，以克服用手锤带来的力不恒等缺陷：采用落锤式，能以小的锤体重量获得 较大的冲击能量，而且这个能量比较集中，可以增加测量深度。 5 2 2 信号调理系统 传感器获取的信号往往比较微弱，并伴随着各种噪声。另外，不同类型的传感器， 其输出信号的形式也不尽相同。因此，为了抑制信号中的噪声，提高检测信号的信噪比， 便于信息提取，须对传感器检测到的信号进行预处理。所谓信号预处理，即信号调理r 是 指在对信号进行变换、提取、识别或评估之前对检测信号进行的转换、滤波、放大等 处理。 常用的信号调理方 击主要有： 1 信号类型转换 根据需要将信号转变为便于处理的信号形式。常见传感器输出信号的形式有电阻信 号、电容信号、电流信号、微弱电压信号等几种。实际中常常需要对不同形式的信号进 行转换。电阻信号、电容信号、电流信号常需要转换成标准的电压信号。本次实验的内 鬻群一一 霹 镕i $ 脱牛日系统的碰件和戟件设计 置i c ) i t 电加速度传感器输出为电流信号，而s c x i 一1 5 3 1 接受的是电压信号，所以需要一 个信号转换器，将电流信号转换成电压信号。 2 信号放人 信0 放大是增强微弱信号幅度或强度的过程。其目的在于使信号在传输后，特别是 远距离传输肝，有足够的信号强度。常用的信号放大器包括：测量放大器、隔离放大器、 町编程增益放人器等。 3 信号滤波 根据理论分析或实验研究需要。保留用频段信号，对不感* 趣的信号频段或噪声进 行抑制，从而提高信噪比。常用的信号滤波包括高通滤波、低通滤波或带通滤波等。 本次实验信号调理包括硬件调理和软件调理，软件调理将由l a b v i e w 编程解决， 将在r 一节编程旱介绍。硬件调理山信号调理器( s c x i s i g n a l c o n d i t i o n i n g e x t e n s i o n s f o r i n s t r u m e n t a t i o n ) 完成，其包括信号调理机箱( s c x i - 1 0 0 0 ) 信号调理模块( s c x i 一1 5 3 1 ) 和信号连接端n 组成。( n i 仪器的振动加速度测试系统里不带信号连接端口，所以压电 加速度传感嚣必须选择内置i c 的压电加速度传感器) 。 s c x 1 5 3 l 是信号调理系统的主要组成部分它实现放大、滤波及提供激励电压， 流的功能，内部电路图如图5 6 所示删： s c x iir d 0 ：c h a m o k0 - 3 s 啪1 c h e b07 耋= ； ：| ： 一；：_ _ 脚 一： 黧i l 鞴 图5 6s c x i 一1 5 3 1 内部电路图 长安大学硕士学位论文 5 2 3 数据采集系统 数据采集系统一般由数据采集硬件、硬件驱动程序和数据采集函数几个部分组成， 数据采集硬件采用p x i 6 0 7 0 e 完成。 硬件驱动程序是应用软件对硬件的编程接口，它包含着特定的硬件可以接受的操作 命令，完成与硬件之间的数据传递。依靠硬件驱动程序可以大大简化l a b v i e w 编程工 作，提高丌发效率，降低成本。l a b v i e w 7 1 开发环境安装时，会自动安装n i d a q 7 1 软件，它包含两个驱动程序传统n i d a q 和n i d a q m x 。这两个驱动程序各自有单 独的应用程序编程接口，分别有不同的硬件和软件设置方法。因此也形成了两套独立的 数据采集系统。 基于传统d a q 的数据采集系统总体结构如图5 7 所示： 图5 7基于传统d a q 的数据采集系统总体结构 在驱动程序的用户接口m a x ( m e a s u r e m e n t & a u t o m a t i o ne x p l o r e r ) q b 用户可以对硬 件进行各种必要的设置和测试。l a b v i e w 中的数据采集函数按照m e a s u r e m e n t & a u t o m a t i o ne x p l o r e r 中的设置采集数据。用户调用数据采集汉书编写数据采集程序。 基于d a q m x 的数据采集系统总体结构如图5 8 所示： 享目动程序的用户接口 l a b v i e w 数 据 m e a s u 地n 世n t丘 数据采集函数l采 a u t d m d t i o ne x p l 0 圮t 数据采集助手 集 r 程 i iiiill序 i 数据采集硬件ii n i - d a q m x ll 数据采集助手r 图5 8 基于d a q m x 的数据采集系统总体结构 这里同样可以使用m a x 对硬件进行各种必要的设置和测试，然后条用d a q m x 数 据采集汉书编写数据采集程序。但是它还提供了通过数据采集助手d a qa s s i s t a n t 快速 进行交互式的硬件设置和自动生成数据采集程序