碾压过程中土石和沥青混凝土坝料刚度实时监测装置的制造方法
【专利摘要】本发明属于土石坝施工质量控制领域，为提供一种新的土石坝料和沥青混凝土心墙坝料的压实质量实时监测装置，可提高被压坝料压实质量评估的精度，提高沥青心墙土石坝施工中两种坝料共存时施工质量控制的便捷性，有助于确保高土石坝的施工质量。为此，本发明采用的技术方案是，碾压过程中土石和沥青混凝土坝料刚度实时监测装置，包括六个部分，分别为坝料刚度监测模块、定位模块、控制器单元、电源模块、车载跳频组网网际协议IP(Internet Protocol)通信模块和远端跳频组网IP通信模块。本发明主要应用于土石坝施工质量控制场合。
【专利说明】
碾压过程中土石和沥青混凝土坝料刚度实时监测装置
技术领域
[0001 ]本发明属于土石坝施工质量控制领域，尤其是涉及土石坝料和沥青混凝土心墙坝 料在振动碾压过程中压实质量(坝料刚度）的实时监测。具体讲，涉及碾压过程中土石和沥 青混凝土坝料刚度实时监测装置。
【背景技术】
[0002] 有效控制高土石坝的土石坝料、沥青混凝土心墙坝料的碾压质量是确保大坝施工 质量的关键。根据现行土石坝施工规范，强调"以碾压过程控制为主，并按抽检的方式检测 压实质量" [1][2]。为克服常规土石坝碾压质量控制手段受人为因素干扰大、管理较粗放而难 以确保施工质量、用有限的试坑检测去反映整个工作面的碾压质量而往往会存在较大误 差，以及会对工作面施工作业带来干扰等问题，钟登华等 [34]提出了土石坝填筑碾压质量实 时监控技术，实现了碾压过程中对行车速度、碾压遍数、激振力状态、压实厚度的实时监控， 对确保土石坝压实质量控制起到重要作用。但该技术仅是施工过程中碾压参数的实时监 测，并不能直接反映碾压过程中坝料的压实质量(如密度、孔隙率、压实度或刚度等）。在此 基础上，刘东海等[6-8]提出了土石坝料压实质量实时监控指标CV(Compaction Value，压 实值)和THD(Total Harmonic Distortion，总谐波失真），建立了CV、THD与土石坝料压实质 量之间的相关关系，可用于实时评估土石坝料的压实质量，具有较好的效果。但是，基于碾 轮振动加速度频谱分析的CV和THD指标也不是直接量测被压坝料的压实质量，而是通过被 压料不同密实状态对碾轮的振动响应不同，来建立这些指标与压实质量的关系，从而间接 地评估被压坝料的压实质量。
[0003] 上述研究的弊端在于:基于碾轮振动加速度频谱分析的指标易于受到下垫面坝料 差异的影响，尤其是当前碾压层厚较薄时，检测到的频谱分析图表现的并不是实际坝料的 压实情况，容易出现异常值。同时，尚无证据表明，CV与THD指标能适用于沥青混凝土心墙坝 料。这对于沥青心墙堆石坝施工中同时涉及土石坝料和沥青混凝土心墙坝料的质量控制， 采用CV或THD指标进行压实质量监控带来不便。
[0004] 在公路施工领域，国外碾压机生产厂商，如AMMANN公司，利用振动轮与地面的相互 作用关系，开发了路基土料刚度指标Kb及相关装置 [9_11]，可实现碾压机司机实时查看当前 施工路段的压实情况。但是，由于路基料与土石坝料、沥青混凝土心墙坝料的料性不同，该 指标并不能直接适用于这两种坝料;而且该装置只能供车载端司机使用，无法供工程参建 各方的远程控制，从而不能实现适合中国国情的"司机-承包商-监理-业主" 一体化控制模 式。因此，有必要研制一种能直接监测被压坝料的压实状态、且能同时适用于土石坝料和沥 青混凝土心墙坝料的压实质量实时监测装置。在本发明中将采用坝料刚度来直接表征土石 坝料和沥青混凝土坝料的压实质量。
[0005] 参考文献：
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【发明内容】
[0017] 为克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种新的土石坝料和沥青混凝土心墙坝 料的压实质量实时监测装置，可提高被压坝料压实质量评估的精度，提高沥青心墙土石坝 施工中两种坝料共存时施工质量控制的便捷性，有助于确保高土石坝的施工质量。为此，本 发明采用的技术方案是，碾压过程中土石和沥青混凝土坝料刚度实时监测装置，包括六个 部分，分别为坝料刚度监测模块、定位模块、控制器单元、电源模块、车载跳频组网网际协议 IP(Internet Protocol)通信模块和远端跳频组网IP通信模块；
[0018] 坝料刚度监测模块包含加速度传感器和单片机，封装后安装于碾压机振动轮的中 心轴且不随振动轮滚动处;坝料刚度监测模块将由传感器采集及单片机计算得到的坝料刚 度指标kstiff、碾压机碾轮振动基频及当前采样时间，通过相应接口传输给控制器单元；
[0019] 定位模块包括接收机、卫星天线和差分无线电天线，卫星天线安装在碾压机上，用 以确定碾压机的位置，安装位置应尽量靠近碾轮中心点；差分无线电天线实时接收差分信 号，用于接收机作实时动态差分(Real-time Kinematic，RTK);定位模块用于实时获得碾压 机位置坐标，并将当前采样时间及相应的碾压机位置坐标传送到控制器单元；
[0020] 控制器单元接收坝料刚度监测模块发送的坝料刚度指标kstlff、碾轮振动基频及当 前采样时间，同步接收定位模块发送的碾压机位置坐标及其采样时间；然后根据相同的采 样时间，将两组数据进行匹配;接着将当前采样时间、坝料刚度指标k stlff、碾轮振动基频和 碾压机位置坐标数据打包成IP数据包后通过相应接口，传输给车载跳频组网IP通信模块； 同时，控制器单元接收到电源模块供电后，经电源转化模块，分别通过相应的电源接口，根 据各模块所需的不同电压，分别控制电源模块向坝料刚度监测模块、定位模块和车载跳频 组网IP通信模块供电；
[0021] 车载跳频组网IP通信模块将控制器单元打包发送的IP数据包，包括当前采样时 间、坝料刚度指标kstlff、基频和碾压机位置坐标，将该IP数据包调制解调成无线电信号，经 UHF(Ultra High Frequency，高频无线电波)天线与远端跳频组网IP通信模块进行通信，将 上述IP数据包发送到远端跳频组网IP通信模块中；
[0022] 远端跳频组网IP通信模块按照车载跳频组网IP通信模块预定的离散变化规律进 行跳频通信，经UHF天线接收车载跳频组网IP通信模块发送的无线电信号，然后调制解调成 IP数据包，并经Internet网络将数据发送到远程服务器数据库中。
[0023]其中车载跳频组网IP通信模块具有多个通信频率，采用数字信号处理DSP (digital signal processor)进行频率转换，与远端跳频组网IP通信模块进行跳频通信。
[0024] 坝料刚度监测模块中，加速度传感器实时采集振动轮的加速度模拟信号，经信号 模数转换成时域数字信号，并将时域数字信号传输给单片机，单片机将加速度时域数字信 号进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)，得到振动轮加速度的频域数字信 号;接着，对加速度频域数字信号进行积分，得到该采集时间间隔内的碾轮振动的位移，进 而利用式(1 )，实时计算该采集时间内被压坝料的刚度指标：
[0025]
(1)
[0026] 式中，πω是振动轮参振质量，mf是车架的质量;g是重力加速度，Xd是当前采集时间 内振动轮的垂直位移最大值，毛是当前采集时间内的加速度最大值。
[0027] 被压坝料的刚度指标kstlff具体计算过程为：
[0028] (1)根据经快速傅里叶变换FFT得到的频域数字信号，得到各频率所对应的简谐波 a(t)k：
[0029] a(t)k = Ak cos( ωkt+Φk) (3)
[0030] 其中，t为采样时刻，k为频率点号，Ak、ω _ φ设别为频率点号k的幅值、圆频率和 初相位角。
[0031] 由此，得到该采样时间段内幅值最大值的频率，则该频率即为碾压机的基频;进一 步地，对简谐波a(t)k进行二次积分，得到k频率点号下位移谐波S(t) k:
[0032] S(t)k = Ask cos( Oskt+Φ sk) (4)
[0033] 其中，4* 二/ ，Φ sk= Φ k-π，ω sk= ω ko
[0034] 然后，将所有频率点号下的位移谐波信号叠加，得到该采集时间间隔内某个采样 时间点t的碾轮振动的实时位移s(t):
[0035]
(5)
[0036] 式中，N为各频率的总数。
[0037] (2)统计该采集时间间隔内所有采样时间点S (t)的最大值S( U)max，即为该采样时 间内碾轮振动的位移最大值Xd，U为S(t)最大时的采样时刻;根据振动位移与加速度的关 系，得到Xd所对应位置处的加速度值即为该采样时间间隔内的加速度最大值％。
[0038] (3)根据式(1)，可实时计算当前采样时间被压坝料的坝料刚度指标kstlff。
[0039] 本发明的特点及有益效果是：
[0040]本发明提供一种新的土石坝料和沥青混凝土心墙坝料的压实质量实时监测装置， 其有益效果如下：
[0041 ] (1)可实时计算被压坝料的刚度指标，用以直接表征被压坝料的压实质量，从而避 免采用碾轮加速度频谱分析的指标易于受到坝料下垫面差异的影响而带来的测量误差，从 而可提高被压坝料压实质量评估的精度。
[0042] (2)该装置可同时适用于土石坝料和沥青混凝土坝料的压实质量实时监控，可提 高沥青心墙土石坝施工中两种坝料共存时施工质量控制的便捷性。
[0043] (3)该装置可将实时采集到的坝料刚度数据进行远程发送，便于工程参建各方对 施工质量进行同步控制，可实现符合中国国情的"司机-承包商-监理-业主"一体化控制模 式，有助于确保高土石坝的施工质量。
【附图说明】：
[0044] 图1本发明构成框图。
[0045] 图2坝料刚度监测装置。
[0046]图3装置集成原理图。
【具体实施方式】
[0047]本装置作为车载装置，安装于用于土石坝料和沥青混凝土坝料施工的碾压机上。 该装置主要包括六个部分，如图1所示，分别为坝料刚度监测模块、定位模块、控制器单元、 电源模块、车载跳频组网IP通信模块和远端跳频组网IP通信模块。
[0048] 坝料刚度监测模块包含加速度传感器和单片机，封装后安装于碾压机振动轮的中 心轴且不随振动轮滚动处。加速度传感器实时采集振动轮的加速度模拟信号，经信号模数 转换成时域数字信号，并将时域数字信号传输给单片机。单片机将加速度时域数字信号进 行快速傅里叶变换(FFT)，得到振动轮加速度的频域数字信号（各种频率及其所对应的幅 值）。接着，单片机对加速度频域数字信号进行积分，得到该采集时间间隔内的碾轮振动的 位移，进而利用式(1 )，实时计算该采集时间内被压坝料的刚度指标：
[0049]
⑴
[0050] 式中，Hid是振动轮参振质量，mf是车架的质量，πω和mf可以根据厂家铭牌得到；g是 重力加速度，Xd是当前米集时间内振动轮的垂直位移最大值，毛是当前米集时间内的加速 度最大值。
[0051 ]被压坝料的刚度指标kstlff具体计算过程为：
[0052] (1)根据经快速傅里叶变换(FFT)得到的频域数字信号，可得各频率所对应的简谐 波a(t)k:
[0053] a(t)k = Ak cos( ωkt+Φk) (3)
[0054] 其中，t为采样时刻，k为频率点号，Ak、ω _ φ设别为频率点号k的幅值、圆频率和 初相位角。
[0055] 由此，可得到该采样时间段内幅值最大值的频率，则该频率即为碾压机的基频。进 一步地，对简谐波a(t)k进行二次积分，得到k频率点号下位移谐波S(t) k:
[0056] S(t)k = Ask cos( Oskt+Φ sk) (4)
[0057] 其中，為j .二為 / <，Φ sk= Φ k-π，ω sk= ω ko
[0058] 然后，将所有频率点号下的位移谐波信号叠加，得到该采集时间间隔内某个采样 时间点t的碾轮振动的实时位移S(t):
[0059]
(5)
[0060]式中，N为各频率的总数。
[0061 ] (2)统计该采集时间间隔内所有采样时间点S (t)的最大值S( U)max，即为该采样时 间内碾轮振动的位移最大值Xd，U为S(t)最大时的采样时刻。根据振动位移与加速度的关 系，可得Xd所对应位置处的加速度值即为该采样时间间隔内的加速度最大值毛。
[0062] (3)根据式(1)，可实时计算当前采样时间被压坝料的坝料刚度指标kstlff。
[0063] 最后，该模块的单片机将计算得到的kstiff、基频及当前采样时间，通过相应接口传 输给控制器单元。
[0064]定位模块包括接收机、卫星天线和差分无线电天线。卫星天线安装在碾压机上，用 以确定碾压机的位置，安装位置应尽量靠近碾轮中心点。差分无线电天线实时接收差分信 号，用于接收机作实时动态差分(Real-time Kinematic，RTK)。该模块用于实时获得碾压机 位置坐标，并将当前采样时间及相应的碾压机位置坐标传送到控制器单元。
[0065] 控制器单元接收坝料刚度监测模块发送的坝料刚度指标kstlff、碾压机碾轮振动基 频及当前采样时间，同步接收定位模块发送的碾压机位置坐标及其采样时间；然后根据相 同的采样时间，将两组数据进行匹配;接着将当前采样时间、k stlff、基频和碾压机位置坐标 等数据打包成IP数据包后通过相应接口，传输给车载跳频组网IP通信模块。同时，控制器单 元接收到电源模块供电后，经电源转化模块，分别通过相应的电源接口，根据各模块所需的 不同电压，分别向坝料刚度监测模块、定位模块和车载跳频组网IP通信模块供电。
[0066] 电源模块将碾压机自身的电源电压转换成控制器单元所需的电压，并供给控制器 单元。该模块相当于电源稳压器，当碾压机自身电源由于运行过程出现电压或负载变化时， 该模块可进行自适应调整，以保持输出给控制器单元的电压稳定。
[0067] 车载跳频组网IP通信模块将控制器单元打包发送的IP数据包，包括当前采样时 间、坝料刚度指标kstlff、基频和碾压机位置坐标等，将该IP数据包调制解调成无线电信号， 经UHF(Ultra High Frequency，高频无线电波)天线与远端跳频组网IP通信模块进行通信， 将上述IP数据包发送到远端跳频组网IP通信模块中。其中车载跳频组网IP通信模块具有多 个通信频率，可以使用数字信号处理技术(digital signal processor，DSP)进行频率转 换，与远端跳频组网IP通信模块进行跳频通信。
[0068]远端跳频组网IP通信模块按照车载跳频组网IP通信模块预定的离散变化规律进 行跳频通信，经UHF天线接收车载跳频组网IP通信模块发送的无线电信号，然后调制解调成 IP数据包，并经Internet网络将数据发送到远程服务器数据库中，以备后续各参建单位进 行大坝施工质量评估与控制的应用。
[0069]下面结合附图和【具体实施方式】进一步详细说明本发明。
[0070] 参见图1和图3,本装置主要包括坝料刚度监测模块、定位模块、控制器单元、电源 模块、车载跳频组网IP通信模块、远端跳频组网IP通信模块等六个部分。
[0071] (一)坝料刚度监测模块
[0072] 坝料刚度监测模块是本发明的核心内容，本发明中上位机软件使用的开发平台是 基于Windows的Microsoft Visual Basic 6.0,单片机程序设计的集成开发环境使用MDK FOR ARM。硬件包含美国ADKAnalog Device Instrument)公司生产的ADIS16228加速度传 感器和ST公司研发的STM32F405单片机。将二者封装在IOcmX 4.5cm X 3cm的铅合金盒中即 为本发明中的坝料刚度监测装置，如图2所示。
[0073] 将坝料刚度监测装置安装于振动轮的中心轴且不随振动轮滚动处。本发明中加速 度传感器采样频率设置为320Hz，加速度传感器实时采集振动轮的加速度模拟信号，经信号 模数转换成时域数字信号传输给单片机，单片机通过SPI接口（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）接收加速度传感器传来的当前加速度时域数字信号，然后将这 些数据放入单片机的FLASH存储器中进行缓存，单片机的RAM存储器用来临时贮存数据。经 过缓存后，这些数据通过"栈"的方式发送给单片机的CPU(Central Processing Unit，中央 处理器），由CPU进行计算和处理。
[0074] 在本发明中利用512个加速度时域数字信号进行一次快速傅里叶变换。因此，当 CPU获取完成加速度传感器传输的512个时域数字信号时，即为一次采样周期，并对这些时 域数字信号进行快速傅里叶变换，得到振动轮加速度的频域数字信号。同时，利用CPU对加 速度频域数字信号进行积分，得到该采集时间间隔内的碾轮振动的位移，进而根据碾轮与 被压坝料的相互作用理论，可以得到该采样时间段内的压实监测指标一一坝料刚度k stlff的 计算公式：
[0075]
( 1 )
[0076] 式中，πω是振动轮参振质量，mf是车架的质量，πω和mf可以根据厂家铭牌得到；g是 重力加速度;Xd是振动轮的垂直位移最大值是加速度最大值。
[0077] 该采样时间段内的坝料刚度kstlff的具体计算过程为：
[0078] (1)经快速傅里叶变换(FFT)得到的频域数字信号，频域数字信号包含的幅值Ak、 圆频率ω k及初相位角φ !^表达式为
[0079]
(6:2:)
[0080]其中，ak、bk为傅里叶变换后复数的实部和虚部，fk为所对应的频率，k为频率点号。 [0081 ]本发明中k取值范围为0<k〈512，即频域数字信号包括512个频率及其所对应的幅 值。其中，根据快速傅里叶变换原理可得，频域数字信号各频率之间的间隔为0.625Hz，共 256个频率点，最大频率点为160Hz。
[0082] 通过统计512个Ak大小得出一个采样周期内幅值Ak的最大值Amax，则该幅值所对应 的频率即为碾压机的基频f max。
[0083] 由上述频域数字信号可得各频率点所对应的简谐波a(t)k:
[0084] a(t)k = Ak cos( ωkt+Φk) (3)
[0085] 其中t为采样时间点。
[0086] (2)利用单片机对加速度频域数字信号中的各频率点所对应的简谐波a(t)k进行 二次积分，得至I丨该颇率点下仿務谐波S( t k:
[0087]
[0088]
[0089] 然后，将所有频率点号下的位移谐波信号叠加，得到该采集时间间隔内某个采样 时间点t的碾轮振动的实时位移S(t):
[0090]
(5)
[0091 ]式中，N为各频率的总数。
[0092] (3)统计该采集时间间隔内所有采样时间点S (t)的最大值S( U)max，即为该采样时 间内碾轮振动的位移最大值Xd，U为S(t)最大时的采样时刻。根据振动位移与加速度的关 系，可得Xd所对应位置处的加速度值即为该采样时间间隔内的加速度最大值毛。
[0093] (4)根据式(1)，可实时计算当前采样时间被压坝料的坝料刚度指标kstlff。
[0094] 最后，该模块的单片机计算得到的kstlff、基频以及当前采样时间，通过RS-232接口 传输给控制器单元。
[0095] (二)定位模块
[0096]本发明中采用北斗卫星导航系统，该定位模块供电电压为12V，模块通过RS-232串 行接口与控制器单元连接。定位模块包括北斗接收机、卫星天线和差分无线电天线。卫星天 线安装在碾压机械上，用以确定碾压机的位置，安装部分应尽量靠近碾轮中心点。差分无线 电天线用于接收基准站的差分信号，用于北斗接收机作实时动态差分（Real-time Kinematic，RTK)，以提高碾压机定位精度(可达到厘米级）。该模块将当前的采样时间及其 对应的碾压机位置坐标按一定时间间隔（I s )，通过RS-232接口实时地传送至控制器单元。 [0097](三)控制器单元
[0098]控制器单元采用高等级CPU处理和数字信号处理系统，由电源模块供电，本发明中 供电电压为12V。该模块通过电源转换模块变压后，再分别向CPU(Central Processing Unit，中央处理器）、FLASH存储器、RAM存储器等单元供电。同时，电源转换模块将输入电压 转化成坝料刚度监测模块、定位模块、车载跳频组网IP通信模块各自需要的电压后，通过电 源接口对各模块供电。控制器单元通过RS-232接口分别与坝料刚度监测模块、定位模块以 及RJ45网络IO接口与车载跳频组网IP通信模块相连接。
[0099]控制器单元把定位模块通过RS-232接口发送过来的当前采样时间及其对应的碾 压机位置坐标，以及坝料刚度监测模块通过RS-232接口发送过来的基频、坝料刚度指标 kstiff及当前采样时间放入FLASH存储器中进行缓存，RAM存储器用来临时存贮数据。再通过 缓存，把上述数据发送给CPU，由CPU对采样时间进行匹配，并将采样时间及其对应的碾压机 位置坐标、基频和坝料刚度指标k stiff打包成IP数据包，通过RJ45网络端口传输给车载跳频 组网IP通信模块。
[0](四）电源模块
[0101] 电源模块将电源供给控制器单元，控制器单元根据坝料刚度监测模块、定位模块 和车载跳频组网IP通信模块所需的不同电压，经电源转化模块变压后再分别向各模块供 电。供电模块可以通过碾压机上自带的24V电源，利用电源转换器转换为坝料刚度监测模块 所需的3.3V供电以及车载跳频组网IP通信模块和定位模块的12V供电。也可以采用12V蓄电 池对控制器单元进行供电。该模块具体工作过程如下：
[0102] 首先，接入碾压机的自身电源。考虑到实际碾压机工作中的电源输出不稳定情况， 采用电源滤波电路抑制可能输入的尖峰脉冲电压，当输入电压在该模块允许的范围之内 时，通过DC-DC变压模块将输入电压转换为所需的电压。然后，经过电源滤波及去纹波电压 电路保证输出电压的稳定。最后，向控制器单元输出稳定的电压(本发明中取12V)。GND为接 地端，充当电源负极。也可采用12V蓄电池直接供电，但考虑到需长时间供电工作，因此采用 接入碾压机自身电源更为合适。
[0103](五)车载跳频组网IP通信模块
[0104]车载跳频组网IP通信模块安装在碾压机驾驶室内。通过RJ45网络KKInput/ Output Interface，输入输出）接口接收控制器单元传输过来的IP数据包后放入FLASH存储 器中，再通过缓存，将数据以"栈"的方式发送给CPU。其中，RAM存储器用来临时存贮数据。接 着，CPU将IP数据包调制解调成无线电信号，并交给无线射频处理单元由UHF(Ultra High Frequency，高频无线电波)天线以无线电信号方式发送到远端跳频组网IP通信模块。其中， 车载跳频组网IP通信模块中的无线射频处理单元具有多个通信频率，可以快速使用数字信 号处理技术(digital signal processor，DSP)进行频率转换，与远端跳频组网IP通信模块 中的无线射频处理单元进行跳频通信。
[0105] (六)远端跳频组网IP通信模块
[0106] 远端跳频组网IP通信模块安装在项目部中，供电可利用交流电，经由电源转换模 块转换成远端跳频组网IP通信模块所需的电压进行供电。远端跳频组网IP通信模块中的无 线射频处理单元按照车载跳频组网IP通信模块中无线射频处理单元预定的离散变化规律 进行跳频通信，经由UHF天线接收车载跳频组网IP通信模块发送的无线电信号，并将无线电 信号放入FLASH存储器中，再通过缓存，将无线电信号以"栈"的方式发送给CPU。其中RAM存 储器用来临时存贮数据。接着，CPU将无线电信号调制解调成IP数据包，并通过RJ45网络IO 接口，经Internet网络发送至远程服务器数据库中存储，以备后续各参建单位进行大坝施 工质量评估与控制的应用。
【主权项】
1. 一种娠压过程中±石和渐青混凝±巧料刚度实时监测装置，其特征是，包括六个部 分，分别为巧料刚度监测模块、定位模块、控制器单元、电源模块、车载跳频组网网际协议IP (Internet Protocol)通信模块和远端跳频组网IP通信模块； 巧料刚度监测模块包含加速度传感器和单片机，封装后安装于娠压机振动轮的中屯、轴 且不随振动轮滚动处;巧料刚度监测模块将由传感器采集及单片机计算得到的巧料刚度指 标kstiff、娠压机娠轮振动基频及当前采样时间，通过相应接口传输给控制器单元； 定位模块包括接收机、卫星天线和差分无线电天线，卫星天线安装在娠压机上，用W确 定娠压机的位置，安装位置应尽量靠近娠轮中屯、点；差分无线电天线实时接收差分信号，用 于接收机作实时动态差分(Real-time Kinematic，RTK);定位模块用于实时获得娠压机位 置坐标，并将当前采样时间及相应的娠压机位置坐标传送到控制器单元； 控制器单元接收巧料刚度监测模块发送的巧料刚度指标kstiff、娠轮振动基频及当前采 样时间，同步接收定位模块发送的娠压机位置坐标及其采样时间；然后根据相同的采样时 间，将两组数据进行匹配;接着将当前采样时间、巧料刚度指标kstiff、娠轮振动基频和娠压 机位置坐标数据打包成IP数据包后通过相应接口，传输给车载跳频组网IP通信模块；同时， 控制器单元接收到电源模块供电后，经电源转化模块，分别通过相应的电源接口，根据各模 块所需的不同电压，分别控制电源模块向巧料刚度监测模块、定位模块和车载跳频组网IP 通信模块供电； 车载跳频组网IP通信模块将控制器单元打包发送的IP数据包，包括当前采样时间、巧 料刚度指标kstiff、基频和娠压机位置坐标，将该IP数据包调制解调成无线电信号，经UHF (叫化a化曲化equency，高频无线电波)天线与远端跳频组网IP通信模块进行通信，将上 述IP数据包发送到远端跳频组网IP通信模块中； 远端跳频组网IP通信模块按照车载跳频组网IP通信模块预定的离散变化规律进行跳 频通信，经UHF天线接收车载跳频组网IP通信模块发送的无线电信号，然后调制解调成IP数 据包，并经Internet网络将数据发送到远程服务器数据库中。2. 如权利要求1所述的娠压过程中±石和渐青混凝±巧料刚度实时监测装置，其特征 是，其中车载跳频组网IP通信模块具有多个通信频率，采用数字信号处理DSP(digital signal processor)进行频率转换，与远端跳频组网IP通信模块进行跳频通信。3. 如权利要求1所述的娠压过程中±石和渐青混凝±巧料刚度实时监测装置，其特征 是，巧料刚度监测模块中，加速度传感器实时采集振动轮的加速度模拟信号，经信号模数转 换成时域数字信号，并将时域数字信号传输给单片机，单片机将加速度时域数字信号进行 快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)，得到振动轮加速度的频域数字信号；接 着，对加速度频域数字信号进行积分，得到该采集时间间隔内的娠轮振动的位移，进而利用 式(1 )，实时计算该采集时间内被压巧料的刚度指标：… 式中，Hid是振动轮参振质量，mf是车架的质量;g是重力加速度，Xd是当前采集时间内振 动轮的垂直位移最大值，而是当前采集时间内的加速度最大值。4. 如权利要求1所述的娠压过程中±石和渐青混凝±巧料刚度实时监测装置，其特征 是，单片机上设置有kstiff计算模块，按如下顺序计算被压巧料的刚度指标kstiff : (I)根据经快速傅里叶变换FFT得到的频域数字信号，得到各频率所对应的简谐波a (t)k： a(t)k=Akcos( Okt+cH) (3) 其中，t为采样时刻，k为频率点号，Ak、COk和& k分别为频率点号k的幅值、圆频率和初相 位角； 由此，得到该采样时间段内幅值最大值的频率，则该频率即为娠压机的基频；进一步 地，对简谐波a(t)k进行二次积分，得到k频率点号下位移谐波S(t)k:然后，将所有频率点号下的位移谐波信号叠加，得到该采集时间间隔内某个采样时间 点t的娠轮振动的实时位移S(t):(5) 式中，N为各频率的总数； (2 )统计该采集时间间隔内所有采样时间点S ( t )的最大值S ( tm)"ax，即为该采样时间内 娠轮振动的位移最大值Xd, tm为S(t)最大时的采样时刻;根据振动位移与加速度的关系，得 到Xd所对应位置处的加速度值即为该采样时间间隔内的加速度最大值卷； (3)根据式(1)，可实时计算当前采样时间被压巧料的巧料刚度指标kstiff。
【文档编号】G01S19/14GK105915594SQ201610223271
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月8日
【发明人】刘东海, 林敏 , 刘磊
【申请人】天津大学