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CN107219300B - 一种基于相关度的压实度随车检测系统 - Google Patents

一种基于相关度的压实度随车检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于相关度的压实度随车检测系统，包括振动传感器、数据采集仪、上位机、显示器，通过振动传感器采集加速度信号，数据集采仪通过IEPE接口连接振动传感器接收加速度信号，对振动信号进行调理后，AD转换、FFT变换，将频域信息内的幅度和相位发送给上位机，上位机对频谱信息进行基于相关度函数系数的算法计算压实度，并将压实度发送到显示器进行显示。随车检测压实度，在施工过程中可以及时显示压实度的信息，供施工方及时作出改进措施，提供施工质量。

Description

一种基于相关度的压实度随车检测系统
技术领域
本发明涉及一种基于相关度的压实度随车检测系统。
背景技术
当今社会城市化建设处于一个大跨步发展的阶段，人们对道路的铺设不管是质量还是数量的要求都达到了一个前所未有的高度，路堤、路基和基础材料的压实对于公路路面的性能直观重要，占国家高速公路建设预算的极大部分。土壤材料的多相性、设备和操作人员的变化性、以及维持均匀分层厚度核对定水分含量的难度，使得所需的土方压实难以实现。当前的质量控制和适量保证测试装置，通常用于评估不到1％的实际压实面积。
传统的检查压实度的方法，诸如环刀法，灌沙法，水泡法等。都是在压实结束后再对土壤进行抽样检查，这样方法都要依赖细心熟悉的手工操作，费工、费时，且只能提供在数量有限的测试点上获得的结果，因而往往带有较大的随机性。同时，传统的方法也不能在亚视进行的过程中获得压实度的信息，因而在压实不足时，只能返工再压，而在过度压实时则拜拜浪费能量。
因此长期以来人们一直希望能有一种随车检测压实度的装置，并且可以实时显示连续的压实度结果，给操作人员以及施工工艺以指导。。
七十年代以来已先后有几种随车检测装置问世，例如在世界专利W082/01905，瑞典专利SE424455(瑞典Dynapac公司)，该压实度的指标是无量纲的谐波比，即压实计值CMV，这种算法后来实践证明不具有普遍应用价值。
八十年代BOMAG、AMMANN开始制造连续控制压实产品。其原理都是压实计原理，采用谐波比类指标，如德国的10CMV。20世纪90年代后半叶，Bomag引进了提供到哪个台土壤刚度测量的振动模量Evib(如：Krober等人，2001年文章中提出的)。1999年，Ammann也引进了土壤刚度参数ks(也称为KB)(Anderegg 1998年，Anderegg以及Kaufmann2004年)。Evib及ks的引进，标志着向更机械化、与性能相关的土壤属性(例如：土壤刚度/模量)测量的重大演变。至今各大主机厂商都设计出了自己随车压实度监测装置与算法，但是关于压实度监测的算法都存在不足，并不具备普遍性。
作为国内压路机最大生产厂商徐工集团工程机械股份有限公司道路机械分公司，结合已有的压实度大数据、车辆振动参数、土壤属性设计并开发了一种基于相关度的压实度随车检测算法与系统。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于相关度的压实度随车检测系统。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于相关度的压实度随车检测系统，其特征在于：包括振动传感器、数据采集仪、上位机、显示器，
通过振动传感器采集加速度信号，数据集采仪通过IEPE接口连接振动传感器接收加速度信号，对振动信号进行调理后，AD转换、FFT变换，将频域信息内的幅度和相位发送给上位机，上位机对频谱信息进行基于相关度函数系数的算法计算压实度，并将压实度发送到显示器进行显示。
作为优选方案，所述振动传感器的设计对灵敏度、量程、频响、谐振频率、工作温度、防护等级、隔离方式、输出形式、安装形式、系统供电电源、外壳防护措施这些指标做了详细的标准要求。
作为优选方案，所述数据采集仪的设计对系统供电、出线方式、工作温度、储存温度、防护等级、时域信息存储TF卡槽、时域信息存储采样率、时序信息的分辨率、EMC测试这些指标做了详细的要求。
作为优选方案，所述数据采集仪还包括数据存储设备，上电即开启存储模式，进行实时的振动时域信号存储，断电完成存储数据。存储的数据格式应同时存储时间轴信息，存储的数据目的是为了显示器回放压实过程和压实度参数时调用的历史数据。
作为优选方案，所述上位机通过CAN总线接收数据采集仪的频域信息，并对频域信息的相位与幅度参数进行基于相关度算法的压实度计算，并将计算结果通过CAN总线发送到显示器进行显示。
作为优选方案，所述显示器对上位机上传的压实度参数进行实时显示，并且将压实度参数与设计指标进行比较并将结果进行颜色上的划分方便操作人员查看，并且显示器还具有回放显示压实过程及压实度参数的功能。
本发明还提供所述的基于相关度的压实度随车检测系统的检测方法，包括以下步骤：
步骤a：振动传感器采集时域加速度信号；
步骤b：时域加速度信号通过模拟滤波器进行抗混叠滤波；
步骤c：将过滤后的模拟信号以一定的采样速率，进行AD变换；
步骤d：采集一定点数后，进行一次快速傅里叶变换；
步骤e：快速傅里叶变换后的频率信息按幅度和相位进行序列编组；
步骤f：上位机将接收到频谱信息与存储区中保存的经验数据进行相关度函数系数计算；
步骤g：生成相关函数系数函数，并求出该函数的最大值，并以此值作为当前压实度的数值。
有益效果：本发明提供的基于相关度的压实度随车检测系统，具有以下优点：1、随车检测压实度，在施工过程中可以及时显示压实度的信息，供施工方及时作出改进措施，提供施工质量。2、数据采集仪中存储的时域信息，方便操作人员回顾施工数据，便于监理与施工方对施工过程的监控。3、相关度函数的计算考虑到了土壤本身的振动特性，根据大数据拟合出频谱曲线，可以不用对车辆做标定的工作，简化的系统的使用过程。
附图说明
图1为本发明的系统框图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，为本发明一种基于相关度的压实度随车检测系统，包括振动传感器、数据采集仪、上位机、显示器，数据采集仪通过IEPE接口，接收振动传感器的加速度信号通过截止频率为500Hz的模拟滤波器进行抗混叠滤波，然后以4.096KHz的采样速率，对振动信号进行AD变换。每采样4096个点后，进行一次快速傅立叶变换(此时频谱分辨力为1Hz)，后将1-300Hz范围内的幅度和相位发送给上位机，通讯协议及方式见表1。上位机通过相关度算法计算出压实度后将结果通过CAN总线发送到显示器进行显示。
表1频谱信息通讯协议
1、振动传感器的指标为：
●灵敏度：50mv/g
●量程：±25g
●频响：1～5000HZ(±5％)
●谐振频率：20KHZ
●工作温度：-40～100℃
●防护等级：IP67
●隔离方式：与地隔离
●输出形式：整体线密封输出
●安装形式：2-M6
●系统供电电源：DC 9～36V
●外壳防护措施：采用不锈钢材料以确保产品不受湿度盐雾度等腐蚀。
2、数据采集仪的指标为：
●系统供电：9～36V
●出线方式：密封防水，传感器电缆出线2.5m；集采仪CAN电缆出线1米(屏蔽双绞线)
●工作温度：-40℃to+85℃(-40°F to+185°F)
●储存温度：-55℃to 125℃(-67°F to+257°F)
●防护等级：传感器IP67
●时域信号存储TF卡槽：最大支持32G；
●时域信息存储采样率：4.096K
●时域信息的分辨率：1/4096＝250μs.
●EMC：Directive:72/245/EWG
Directive:75/322/EWG
DIN EN 13309，
ISO 7637，
DIN EN 14982
所述的数据采集仪还包括数据存储设备，上电即开启存储模式，进行实时的振动时域信号存储，断电完成存储数据。存储的数据格式应同时存储时间轴信息，存储的数据目的是为了显示器回放压实过程和压实度参数时调用的历史数据。
所述的上位机，通过CAN总线接收数据采集仪的频域信息，并对频域信息的相位与幅度参数进行基于相关度算法的压实度计算，并将计算结果通过CAN总线发送到显示器进行显示。
所述的显示器，对上位机上传的压实度参数进行实时显示，并且将压实度参数与设计指标进行比较并将结果进行颜色上的划分方便操作人员查看，并且显示器还具有回放显示压实过程及压实度参数的功能。
本发明还提供一种基于相关度的压实度随车检测算法，采用相关度函数对加速度信号的频域信息进行处理计算得到压实度的数值，具体步骤如下：
步骤a：振动传感器采集时域加速度信号；
步骤b：时域加速度信号通过截止频率为500Hz的模拟滤波器进行抗混叠滤波；
步骤c：将过滤后的模拟信号以4.096KHz采样速率，进行AD变换；
步骤d：采集4096个点后，进行一次快速傅里叶变换；
步骤e：快速傅里叶变换后的频率信息按幅度和相位进行1-300的序列编组；
步骤f：上位机将接收到频谱信息与存储区中保存的经验数据进行相关度函数系数计算；
步骤g：定义编号m初始值为0对应的是步骤e中数据的1-300的编组序列，m大于300则跳转步骤j，否则计算Rxx(0)当前收到数据的自相关度函数数值和Ryy(0)经验数据的自相关度函数数值，计算公式为
振动频谱信号数列x(n)的自相关函数定义为
步骤h：计算当前数据与经验数据的互相关度函数Rxy(m)，公式为
步骤i：计算相关函数系数函数ρxy(m)，为一个无量纲的函数，且取值范围为[0，1]，公式为m＝m+1；跳转步骤g；
步骤j：对ρxy进行循环比较，找出该函数的最大值，则此值为当前数据的压实度数值。
相关公式及字母说明：振动频谱信号数列x(n)的自相关函数定义为
振动频谱信号x(n)和y(n)的互相关函数定义为：
振动频谱信号x(n)和y(n)的相关系数函数，其定义为：
上式中，m表示序列的循环下标，取值范围为0～300。N表示序列长度，为自然数，本实施例中N取值300。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于相关度的压实度随车检测系统，其特征在于：包括振动传感器、数据采集仪、上位机、显示器，
通过振动传感器采集加速度信号，数据集采仪通过IEPE接口连接振动传感器接收加速度信号，对振动信号进行调理后，AD转换、FFT变换，将频域信息内的幅度和相位发送给上位机，上位机对频域信息进行基于相关度函数系数的算法计算压实度，并将压实度发送到显示器进行显示；
所述基于相关度函数系数的算法计算压实度，包括：
将频域信息按幅度和相位进行1-300的序列编组，得到1-300的编组序列；
步骤g：定义编号m初始值为0对应的是所述的1-300的编组序列；m大于300则跳转步骤j，否则计算Rxx(0)当前收到数据的自相关度函数数值和Ryy(0)经验数据的自相关度函数数值，计算公式为m＝0；
振动频谱信号数列x(n)的自相关函数定义为
式中，m表示序列的循环下标，取值范围为0～300；N表示序列长度，为自然数；
步骤h：计算当前数据与经验数据的互相关度函数Rxy(m)，公式为
步骤i：计算相关函数系数函数ρxy(m)，为一个无量纲的函数，且取值范围为[0，1]，公式为m＝m+1；跳转步骤g；
步骤j：对ρxy进行循环比较，找出该函数的最大值，则此值为当前数据的压实度数值。
2.根据权利要求1所述的基于相关度的压实度随车检测系统，其特征在于：所述振动传感器的灵敏度50mv/g，频响1～5000HZ，谐振频率20KHZ，工作温度-40～100℃。
3.根据权利要求1所述的基于相关度的压实度随车检测系统，其特征在于：所述数据采集仪的系统供电9～36V，工作温度-40℃至+85℃，储存温度-55℃至125℃，时域信息存储采样率4.096K、时序信息的分辨率为250μs。
4.根据权利要求1所述的基于相关度的压实度随车检测系统，其特征在于：所述数据采集仪还包括数据存储设备，上电即开启存储模式，进行实时的振动时域信号存储，断电完成存储数据。
5.根据权利要求1所述的基于相关度的压实度随车检测系统，其特征在于：所述上位机通过CAN总线接收数据采集仪的频域信息，并对频域信息的相位与幅度参数进行基于相关度算法的压实度计算，并将计算结果通过CAN总线发送到显示器进行显示。
6.根据权利要求1所述的基于相关度的压实度随车检测系统，其特征在于：所述显示器对上位机上传的压实度参数进行实时显示，并且将压实度参数与设计指标进行比较并将结果进行颜色上的划分方便操作人员查看，并且显示器还具有回放显示压实过程及压实度参数的功能。
7.权利要求1所述的基于相关度的压实度随车检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a：振动传感器采集时域加速度信号；
步骤b：时域加速度信号通过模拟滤波器进行抗混叠滤波；
步骤c：将过滤后的模拟信号以一定的采样速率，进行AD转换；
步骤d：采集一定点数后，进行一次快速FFT变换；
步骤e：快速FFT变换后的频域信息按幅度和相位进行序列编组；
步骤f：上位机将接收到频域信息与存储区中保存的经验数据进行相关度函数系数计算；
步骤g：生成相关函数系数函数，并求出该函数的最大值，并以此值作为当前压实度的数值。
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