基本信息
- 项目名称：
- 基于CAN总线的路基密实度在线测量仪
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 路基压实质量是影响高等级公路使用寿命的重要因素。目前施工或检测部门普遍采用传统的人工抽样方法来测量路基压实程度，费时费力且破坏路基。该系统根据“振动轮—土壤”二自由度振动系统数学模型，通过测量压路机振动轮的纵向加速度间接计算路基压实度，不破坏路面，可实时、连续、移动的检测，并给出路基压实度的定量值。通过实时记录，可为公路质检部门提供路基压实信息。该产品自动化程度高、体积小、方便安装。
- 详细介绍：
- 基本思路：系统使用加速度传感器ADXL150测出压路机振动轮的纵向加速度信号，经放大器增强信号、椭圆带通滤波器滤出高频杂音、峰值检测电路保持峰值，通过A/D转换，得到振动轮的纵向加速度值，根据“振动轮—土壤”的二自由度振动系统数学模型，得出土壤的刚性值。经单片机处理，液晶显示屏显示出密实度值。通过CAN总线与单片机的通信，实时调节压路机的振动频率。 创新点：通过测量压路机振动轮的纵向加速度间接计算路基压实度，该方法不破坏路面，可实时、连续、移动的检测，并给出路基压实度的定量值；利用软件FILTERCAD,基于芯片LTC1068-200CG，设计了具有频率自动跟踪功能的椭圆带通滤波器，实现信号的有效滤波；通过对密实度数据的实时存储和对密实度的标定，建立密实度值数据库，方便工程中调用；通过CAN总线和微处理器通信，智能调节压路机的振动频率和振幅。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的:我国公路建设正处于高速发展时期，而路基压实质量是影响高等级公路使用寿命的重要因素。目前施工或检测部门普遍采用传统的人工抽样方法来测量路基压实程度，费时费力且破坏路基。因此研发一种快速、无损、定量的路基密实度检测仪，以满足对路基压实质量全面实时监控的要求。 基本思路：系统使用加速度传感器测出压路机振动轮的纵向加速度信号，经放大器增强信号、椭圆带通滤波器滤出高频杂音、峰值检测电路保持峰值，通过A/D转换，得到振动轮的纵向加速度值，根据“振动轮—土壤”二自由度振动系统数学模型，得出土壤的刚性值。经单片机处理，液晶显示密实度值。通过CAN总线与压路机通讯实时调节振动频率。 创新点：通过测量压路机振动轮的纵向加速度间接计算路基压实度，该方案不破坏路面，可实时、连续、移动的检测，并给出路基压实度的定量值；利用软件FILTERCAD,基于芯片LTC1068-200CG，设计了具有频率自动跟踪功能的椭圆带通滤波器，实现信号的有效滤波；通过对密实度数据的实时存储和对密实度的标定，建立密实度值数据库，方便工程中调用；通过CAN总线和微处理器通信，智能调节压路机的振动频率和振幅。 技术关键：加速度信号的分析与获取，滤波器的设计，密实度的标定，液晶显示器图形的控制，CAN总线。 技术指标：（1）液晶屏显示出密实度值，振动频率和变化曲线；（2）测量灵敏度为35mv/g；（3）密实度检测误差小于2%；（4） 使用寿命10年以上
科学性、先进性
- 对路基密实度测量，传统上有两种方案：一种方案具有破坏性的测量，如灌沙法、环刀法、水袋法等，此方案在取样品时，需要熟练的手工操作如挖坑、称重等，会破坏土层结构，耗时、耗力，且费用昂贵；另一种方案采用核子仪测定，此方法会对工作人员的身体造成一定的损害 ，而且一旦发生问题还会造成严重的环境污染。这两种方案都是在路基碾压结束后进行测量，一方面难以对压实不足的路段及时了解，引起返工拖延工期，当过多的重复碾压路基时，可能振松已压实的路面；另一方面，由于采样量有限，不能提供压实质量全面信息，而公路筑路材料复杂，这样就极容易出现低质量路段漏检。 本设计的测量仪能对振动压路机进行实时、连续的检测，并给出路基压实度的定量值，可根据实时显示的数值决定是否重复碾压该路基，确保了路基压实的均匀度，并提高了工作效率。通过实时记录，可为公路质检部门提供路基压实信息。该产品自动化程度高、体积小、方便安装。
获奖情况及鉴定结果
- 该作品于2010年12月19号，电子信息工程学院“挑战杯”选拔赛中，荣获一等奖。 该作品于2011年3月18号，河南科技大学第四届“挑战杯”选拔赛中，荣获一等奖。
作品所处阶段
- 目前处于中试阶段。
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 样品、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：将信号源采集仪安装在压路机的振动轮上，正确接通电源后，测量仪即可工作。工作前设定标定值，工作中加速度传感器测得加速度的变化，经系统分析处理，可得出密实度值和振动轮的振动频率。通过测得值和标定值对比及密实度曲线变化情况判定密实度是否符合标准。通过键盘操作可查看历史标定值和密实度值的曲线变化情况。 技术特点和优势：本测量仪体积小，方便安装。以压路机振动轮为振源能够准确、快速地测出密实度值。采用标定，更加有效地提高工作效率。液晶显示更加直接，方便。密实度值曲线能实时反映值的变化，检测路面压实是否均匀。 本测量仪基于振动压实与加速度检测原理，充分利用了先进的数字信号处理技术，可在线实时快速检测，及时确定公路压实情况，极大地减少了人力、物力的投入。 适用范围及推广前景：本仪器适用于公路、建筑用地等工程施工部门对路基密实度的实时测量。其广泛应用将会提高我国高等级公路施工的自动化水平，保证工程质量和进度，产生显著的经济效益和社会效益，弥补我国在路基密实度测量方面的不足。
同类课题研究水平概述
- 一、国外研究综述 20世纪60年代提出了利用振动部件与土基之间相互作用的动力特性来判断压实进程状况的设想，在一些早期专利中，如Martin在1962年的美国专利中提出了在振动轮与土基发生共振状态下，利用垂直方向加速度的振幅最大值来测量土基的压实程度。Kerridge在1965年的英国专利中提出用两个安置在垂直和水平方向上的加速度传感器来感受振动轮支架上某一点的椭圆形运动轨迹，并由此计算椭圆长轴的长度。1970年Konig在德国专利中提出利用振动工作部件与土基之间的冲击反力来测量土基材料的承载密度。瑞典的Geodynamic公司于1975~1977年开发了世界上第一个密实度计，20世纪80年代初在巴黎召开的压实会议上密实度计第一次作为国际性的议题被讨论。20世纪70年代末，一些安装在压路机上的密实度计相继问世并投入市场，如瑞典Dynapac公司根据Thurner提出的方案研制的密实度计，德国Bomag公司在20世纪80年代初研制的BTM密实度计，日本铺道公司技术开发部在20世纪80年代末研制的一种CDS压实文件记录系统等。当前国外多见的是Geodynamic 公司生产的ALFA-022R 型密实度计。 二、 国内研究综述 20世纪80年代后国内开始在密实度计方面进行研究。如徐州工程机械厂与宝应四明有限公司研制的MC-960A密实度计，该装置由传感器、测量分析仪、数据采集器和打印机等四部分组成。该装置通过加速度传感器检测振动轮上的振动信号，并转换为电信号，经放大后送入滤波电容，两个滤波器分别将信号中的基波和二次谐波分量选出，并且各自经过交直线性转换和压频转换，再经过除法电路由计数器分别显示出土壤的密实度。水利水电科学院研制的YS-1密实度计工作原理与SMC-960A一样，即利用谐波与基波的比值反映土壤密实度的大小。2001年，陕西西安铁道部20局工程机械厂，率先引进了Bomag公司的密实度计TERRA，并安装在了YZ20型大吨位压路机上。但由于该装置售价高达数千美元，未能在国内得到进一步的推广。目前河北工业大学张润利、长安大学汪贵平等研究小组对振动压路机的连续压实进行了研究并研制出了一些产品，江苏理工大学徐刚研究的瞬态冲击法可以快速无损测量路基的密实度是一种很有发展前途的现场密实度检测技术。
