專利名稱：土石壩壩料壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水利水電工程領(lǐng)域大壩施工質(zhì)量控制領(lǐng)域，具體講，涉及土石壩壩料壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)土石壩壩料壓實(shí)質(zhì)量評估方法主要是用有限試坑試驗(yàn)結(jié)果反映整個(gè)施工單元倉面的碾壓質(zhì)量。這種做法一般歷時(shí)較長、有破壞性，且結(jié)果片面性，不能全面反映整個(gè)施工單元倉面的碾壓質(zhì)量；同時(shí)，由于試驗(yàn)結(jié)果無法快速取得，從而影響施工進(jìn)度，無法滿足高強(qiáng)度、高機(jī)械化的施工要求。因此，通過實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場碾壓過程中的壩料壓實(shí)狀態(tài)，用以評估壩料壓實(shí)質(zhì)量，對于及時(shí)反饋控制施工質(zhì)量具有重要意義。目前，在土石壩施工過程質(zhì)量實(shí)時(shí)控制方面，鐘登華等采用填筑碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)[1-3]，實(shí)現(xiàn)了碾壓過程中對碾壓參數(shù)(包括行車速度、碾壓遍數(shù)、激振力狀態(tài)、壓實(shí)厚度)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對確保土石壩壓實(shí)質(zhì)量控制起到重要作用。但該技術(shù)僅是施工過程中碾壓參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并不能直接反映碾壓過程中壩料的壓實(shí)質(zhì)量(如壓實(shí)度或干密度、孔隙率等)。在道路路基土料的壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置研制方面，國內(nèi)外已有較多研究。國夕卜，如美國BOMAG的碾壓可變控制器BVC(BomagVario Control) [4，5]，瑞典AMMANN的ACE(Ammann Compaction Expert) [6]，瑞士 Geodynamik 的碾壓度量計(jì)(Compactometer)，美國Caterpillar公司的基于碾壓機(jī)凈輸出(machine drive power,MDP)的碾壓過程監(jiān)測裝置[8]，等。國內(nèi)，如張潤利[9]、居彩梅[10]開發(fā)的振動(dòng)壓實(shí)度檢測儀，楊濟(jì)安開發(fā)的車載壓實(shí)度檢測裝置[11]，以及劉澤東等開發(fā)的路基壓實(shí)度檢測儀器[12]，等。上述裝置基本原理都是監(jiān)測碾壓機(jī)碾輪的運(yùn)動(dòng)性能(如加速度、振幅、頻率等)，通過分析碾輪的運(yùn)動(dòng)性能與路基土料壓實(shí)度之間的關(guān)系，建立基于碾輪運(yùn)動(dòng)性能分析的壓實(shí)度表征指標(biāo)，進(jìn)而來估計(jì)路基土料的壓實(shí)度。但上述裝置基本集中在道路施工領(lǐng)域，由于土石壩壩料的性質(zhì)(料性、級配、含水量、干密度等)與路基土料并不相同，從而使得即便是碾輪運(yùn)動(dòng)性能(如加速度頻譜)相同的情況下，被壓料的壓實(shí)狀態(tài)并不一致，因而上述這些裝置并不能完全適用于表征土石壩壩料的壓實(shí)質(zhì)量監(jiān)測。更重要的是，這些裝置所測的壓實(shí)質(zhì)量指標(biāo)要么不能與大地坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)對應(yīng)(如文獻(xiàn)[9-12])，即壓實(shí)質(zhì)量監(jiān)測值沒有地理屬性，使得在實(shí)際中不易直接指示所監(jiān)測的壓實(shí)質(zhì)量指標(biāo)對應(yīng)的具體位置，故不易實(shí)現(xiàn)對質(zhì)量缺陷部位的反饋補(bǔ)救；要么不能把實(shí)時(shí)監(jiān)測到的信息遠(yuǎn)程發(fā)送到數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)(如文獻(xiàn)[4-8])，僅僅供碾壓機(jī)司機(jī)使用，使得不僅無法供后續(xù)的質(zhì)量評估應(yīng)用，也無法滿足符合國情的前方(工作面監(jiān)理、施工單位)與后方(現(xiàn)場營地設(shè)計(jì)、業(yè)主等)結(jié)合的、“司機(jī)-承包商-監(jiān)理-業(yè)主”一體化的質(zhì)量管理模式。參考文獻(xiàn)[I]鐘登華，劉東海，崔博.高心墻堆石壩碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)及應(yīng)用[J].中國科學(xué)科學(xué)技術(shù)，2011,41 (8) :1028-1034.[2]鐘登華，劉東海，張社榮等.心墻堆石壩施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控方法[P]，發(fā)明專利ZL200910069245. 9,2010[3]鐘登華，劉磊，劉東海等.心墻堆石壩碾壓過程信息自動(dòng)采集裝置[P]，發(fā)明專利 ZL200910069167. 2,2010[4]B0MAG. Systems for soil compaction B0MAG Evib meter[EB/OL]· 2010-1-12[5]M. Hossain, J. Mulandi, L. Keach, M. Hunt, et al.1ntelligent compactioncontrol[A]. Proceedings of2006Airfield and Highway Pavements SpecialtyConference[C], Atlanta,2006,26-35[6]AMMANN. European and U. S.patents on the ACE-system[R]. Swiss AMMANVerdichtung AG,2002[7] Ake J. Sandstrom. Control of a compaction machine with a measurementof the characteristics of theground material[P]. US :5727900,1998-03-17[8]Paul T. Corcoran, Federico Fernandez. Method and apparatus fordetermining the performance of acompaction machine based on energy transfer[P].US 6188942B1,2001-02-13[9]張潤利，張俊杰，李熙山.振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)度連續(xù)檢測儀[J].工程機(jī)械，2000，32(8) :4-6[10]居彩梅.車載式壓實(shí)度檢測儀[D].西安長安大學(xué)，2001[11]楊濟(jì)安.車載壓實(shí)度檢測裝置[P].中國，實(shí)用新型專利，01249239. 6. 2002-10-23[12]劉澤東，楊霏，張建經(jīng).路基壓實(shí)度檢測儀器[P].中國，實(shí)用新型專利，201020584464. 9. 2011-08-0
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供適用于土石壩壩料的，既能實(shí)現(xiàn)壩料壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測，又能將監(jiān)測信息遠(yuǎn)程發(fā)送至數(shù)據(jù)庫可供后續(xù)質(zhì)量評估應(yīng)用，并能實(shí)現(xiàn)工地遠(yuǎn)程監(jiān)控的裝置，為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，土石壩壩料壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置包括碾輪加速度監(jiān)測模塊、GPS定位模塊、數(shù)據(jù)處理模塊；碾輪加速度監(jiān)測模塊的加速度傳感器安裝在碾壓機(jī)振動(dòng)輪上且不隨振動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的部位；加速度傳感器采集到的碾壓機(jī)碾輪加速度時(shí)域模擬信號經(jīng)信號模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成時(shí)域數(shù)字信號，進(jìn)而將加速度時(shí)域數(shù)字信號進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，得到碾輪振動(dòng)加速度的頻譜數(shù)據(jù)，然后將加速度頻譜數(shù)據(jù)和當(dāng)前采樣時(shí)間傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊中；GPS定位模塊包括GPS接收機(jī)、GPS衛(wèi)星天線和差分無線電天線，GPS衛(wèi)星天線安裝在碾壓機(jī)上，用于接收GPS信號，以確定碾壓機(jī)的位置，GPS定位模塊安裝在盡量靠近碾輪中心點(diǎn)，差分無線電天線用于接收GPS基準(zhǔn)站的差分信號，用于GPS接收機(jī)作實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分(Real-time Kinematic，RTK)，用于獲得碾壓機(jī)的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo)，并將當(dāng)前采樣時(shí)間及其相應(yīng)的碾壓機(jī)位置坐標(biāo)傳送到數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)接收到的碾輪振動(dòng)加速度頻譜數(shù)據(jù)及對應(yīng)的采樣時(shí)刻，分析計(jì)算當(dāng)前采樣時(shí)刻的碾輪振動(dòng)的基頻及壓實(shí)指標(biāo)值CV ;并將從GPS定位模塊接收到的當(dāng)前采樣時(shí)間及其對應(yīng)的碾壓機(jī)位置坐標(biāo)，計(jì)算得到的基頻和CV，由該數(shù)據(jù)處理模塊的標(biāo)識碼ID確定的所安裝碾壓機(jī)的標(biāo)識進(jìn)行輸出。還包括有無線傳輸模塊(DTU)、車載顯示模塊、碾壓機(jī)電源模塊和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；無線傳輸模塊(DTU)將數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送過來的當(dāng)前采集時(shí)間及其對應(yīng)的碾壓機(jī)位置坐標(biāo)、碾壓機(jī)標(biāo)識、當(dāng)前采樣時(shí)刻的基頻和CV值實(shí)時(shí)地傳送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，以備后續(xù)質(zhì)量評估與控制應(yīng)用；碾壓機(jī)電源模塊通過將碾壓機(jī)自身的電源電壓轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)處理模塊所需要的電壓并供給數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)GPS定位模塊、車載顯示模塊、無線傳輸模塊(DTU)及碾輪加速度監(jiān)測模塊所需的不同電壓，經(jīng)變壓后再分別向各模塊供電；車載顯示模塊安裝在碾壓機(jī)駕駛室內(nèi)，實(shí)時(shí)接收從數(shù)據(jù)模塊發(fā)送過來的當(dāng)前采樣時(shí)刻及其所對應(yīng)的碾輪振動(dòng)的基頻及壓實(shí)指標(biāo)值CV，并在液晶屏上顯示當(dāng)前采樣時(shí)刻的壓實(shí)指標(biāo)值CV和碾輪振動(dòng)基頻，供碾壓機(jī)司機(jī)查看，以輔助其操作；若當(dāng)CV值未達(dá)到設(shè)定的控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需進(jìn)行補(bǔ)碾、降低碾壓機(jī)行車速度或改變碾壓機(jī)振動(dòng)頻率等措施，以確保壩料壓實(shí)質(zhì)量。數(shù)據(jù)處理模塊主要由FLASH存儲(chǔ)器、RAM存儲(chǔ)器、CPU構(gòu)成，GPS定位模塊發(fā)送過來的當(dāng)前采樣時(shí)間及其對應(yīng)的碾壓機(jī)位置坐標(biāo)，以及碾輪加速度監(jiān)測模塊發(fā)送過來的碾輪振動(dòng)加速度頻譜數(shù)據(jù)及當(dāng)前采樣時(shí)間放入FLASH存儲(chǔ)器中進(jìn)行緩存，RAM存儲(chǔ)器用來臨時(shí)存貯數(shù)據(jù)，再通過緩存，把上 述數(shù)據(jù)通過“棧”的方式發(fā)送給CPU，由CPU對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理，CPU的計(jì)算和處理包括 (I)根據(jù)碾輪振動(dòng)加速度頻譜數(shù)據(jù)及對應(yīng)的采樣時(shí)刻，可分析得到當(dāng)前采樣時(shí)刻的碾輪振動(dòng)的基頻及壓實(shí)指標(biāo)值CV，具體分析過程如下首先，比較當(dāng)前采樣時(shí)刻加速度信號的各種頻率及其對應(yīng)的幅值，找出最大幅值所對應(yīng)的頻率即為碾壓機(jī)振動(dòng)的基頻。然后，計(jì)算壓實(shí)質(zhì)量的表征指標(biāo)CV，即
權(quán)利要求
1.一種土石壩壩料壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置，其特征是，包括碾輪加速度監(jiān)測模塊、GPS定位模塊、數(shù)據(jù)處理模塊； 碾輪加速度監(jiān)測模塊的加速度傳感器安裝在碾壓機(jī)振動(dòng)輪上且不隨振動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的部位；加速度傳感器采集到的碾壓機(jī)碾輪加速度時(shí)域模擬信號經(jīng)信號模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成時(shí)域數(shù)字信號，進(jìn)而將加速度時(shí)域數(shù)字信號進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，得到碾輪振動(dòng)加速度的頻譜數(shù)據(jù)，然后將加速度頻譜數(shù)據(jù)和當(dāng)前采樣時(shí)間傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊中； GPS定位模塊包括GPS接收機(jī)、GPS衛(wèi)星天線和差分無線電天線，GPS衛(wèi)星天線安裝在碾壓機(jī)上，用于接收GPS信號，以確定碾壓機(jī)的位置，GPS定位模塊安裝在盡量靠近碾輪中心點(diǎn)，差分無線電天線用于接收GPS基準(zhǔn)站的差分信號，用于GPS接收機(jī)作實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分(Real-time Kinematic, RTK),用于獲得碾壓機(jī)的實(shí)時(shí)位置坐標(biāo),并將當(dāng)前采樣時(shí)間及其相應(yīng)的碾壓機(jī)位置坐標(biāo)傳送到數(shù)據(jù)處理模塊； 數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)接收到的碾輪振動(dòng)加速度頻譜數(shù)據(jù)及對應(yīng)的采樣時(shí)刻，分析計(jì)算當(dāng)前采樣時(shí)刻的碾輪振動(dòng)的基頻及壓實(shí)指標(biāo)值CV;并將從GPS定位模塊接收到的當(dāng)前采樣時(shí)間及其對應(yīng)的碾壓機(jī)位置坐標(biāo)，計(jì)算得到的基頻和CV，以及由該數(shù)據(jù)處理模塊的標(biāo)識碼ID確定的所安裝碾壓機(jī)的標(biāo)識進(jìn)行輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的土石壩壩料壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置，其特征是，還包括有無線傳輸模塊(DTU)、車載顯示模塊、碾壓機(jī)電源模塊和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器；無線傳輸模塊(DTU)將數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送過來的當(dāng)前采集時(shí)間及其對應(yīng)的碾壓機(jī)位置坐標(biāo)、碾壓機(jī)標(biāo)識、當(dāng)前采樣時(shí)刻的基頻和CV值實(shí)時(shí)地傳送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，以備后續(xù)質(zhì)量評估與控制應(yīng)用； 碾壓機(jī)電源模塊通過將碾壓機(jī)自身的電源電壓轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)處理模塊所需要的電壓并供給數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)GPS定位模塊、車載顯示模塊、無線傳輸模塊(DTU)及碾輪加速度監(jiān)測模塊所需的不同電壓，經(jīng)變壓后再分別向各模塊供電； 車載顯示模塊安裝在碾壓機(jī)駕駛室內(nèi)，實(shí)時(shí)接收從數(shù)據(jù)模塊發(fā)送過來的當(dāng)前采樣時(shí)刻及其所對應(yīng)的碾輪振動(dòng)的基頻及壓實(shí)指標(biāo)值CV，并在液晶屏上顯示當(dāng)前采樣時(shí)刻的壓實(shí)指標(biāo)值CV和碾輪振動(dòng)基頻，供碾壓機(jī)司機(jī)查看，以輔助其操作；若當(dāng)CV值未達(dá)到設(shè)定的控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需進(jìn)行補(bǔ)碾、降低碾壓機(jī)行車速度或改變碾壓機(jī)振動(dòng)頻率等措施，以確保壩料壓實(shí)質(zhì)量。
3.如權(quán)利要求1所述的土石壩壩料壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置，其特征是，數(shù)據(jù)處理模塊主要由FLASH存儲(chǔ)器、RAM存儲(chǔ)器、CPU構(gòu)成，GPS定位模塊發(fā)送過來的當(dāng)前采樣時(shí)間及其對應(yīng)的碾壓機(jī)位置坐標(biāo)，以及碾輪加速度監(jiān)測模塊發(fā)送過來的碾輪振動(dòng)加速度頻譜數(shù)據(jù)及當(dāng)前采樣時(shí)間放入FLASH存儲(chǔ)器中進(jìn)行緩存，RAM存儲(chǔ)器用來臨時(shí)存貯數(shù)據(jù)，再通過緩存，把上述數(shù)據(jù)通過“棧”的方式發(fā)送給CPU，由CPU對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理，CPU的計(jì)算和處理包括 (I)根據(jù)碾輪振動(dòng)加速度頻譜數(shù)據(jù)及對應(yīng)的采樣時(shí)刻，可分析得到當(dāng)前采樣時(shí)刻的碾輪振動(dòng)的基頻及壓實(shí)指標(biāo)值CV，具體分析過程如下首先，比較當(dāng)前采樣時(shí)刻加速度信號的各種頻率及其對應(yīng)的幅值，找出最大幅值所對應(yīng)的頻率即為碾壓機(jī)振動(dòng)的基頻。然后，計(jì)算壓實(shí)質(zhì)量的表征指標(biāo)CV，即上式中，A0, A2分別為加速度頻譜信號中基頻和二次諧波即二倍基頻對應(yīng)的幅值；n為常數(shù)。CV值越大，壓實(shí)質(zhì)量越好。根據(jù)設(shè)計(jì)所要求的壩料壓實(shí)質(zhì)量，設(shè)定CV的控制標(biāo)準(zhǔn)值； (2)將當(dāng)前采樣時(shí)間及其對應(yīng)的碾壓機(jī)位置坐標(biāo)、基頻和CV，以及由該數(shù)據(jù)處理模塊的ID確定的所安裝碾壓機(jī)的標(biāo)識傳輸給無線傳輸模塊(DTU)及車載顯示模塊。
4.如權(quán)利要求1所述的土石壩壩料壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置，其特征是，無線傳輸模塊(DTU)將數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送過來的當(dāng)前采樣時(shí)間及其對應(yīng)的碾壓機(jī)位置坐標(biāo)、碾壓機(jī)標(biāo)識，以及當(dāng)前采樣時(shí)刻的基頻和CV實(shí)時(shí)地通過GSM(Global System of Mobilecommunication,全球移動(dòng)通信系統(tǒng))通訊模塊傳送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，該模塊工作過程具體如下 無線傳輸模塊(DTU)由FLASH存儲(chǔ)器、RAM存儲(chǔ)器、CPU、GSM通訊模塊構(gòu)成，數(shù)據(jù)處理模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)放入FLASH存儲(chǔ)器中，再通過緩存，把數(shù)據(jù)以“棧”的方式發(fā)送給CPU，其中，RAM存儲(chǔ)器用來臨時(shí)存貯數(shù)據(jù)。接著，CPU對數(shù)據(jù)進(jìn)行IPdnternetProtocol，網(wǎng)絡(luò)之間互連的協(xié)議)化，并把IP數(shù)據(jù)包交給GSM通訊模塊，然后GSM通訊模塊根據(jù)定制的TCP/IP協(xié)議，按一定的時(shí)間間隔，將當(dāng)前采樣時(shí)間及其對應(yīng)的碾壓機(jī)位置坐標(biāo)，碾壓機(jī)振動(dòng)基頻及CV,碾壓機(jī)標(biāo)識等數(shù)據(jù)通過GPRS (General Packet Radio Service,分組無線服務(wù)技術(shù))網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。
5.如權(quán)利要求1所述的土石壩壩料壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置，其特征是，碾輪加速度監(jiān)測模塊中對經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的碾壓機(jī)時(shí)域數(shù)字信號f(t)，屬非周期信號，采用傅里葉變換形式表示為
全文摘要
本發(fā)明涉及水利水電工程領(lǐng)域大壩施工質(zhì)量控制領(lǐng)域，為提供適用于土石壩壩料的，既能實(shí)現(xiàn)壩料壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測，又能將監(jiān)測信息遠(yuǎn)程發(fā)送至數(shù)據(jù)庫可供后續(xù)質(zhì)量評估應(yīng)用，并能實(shí)現(xiàn)工地遠(yuǎn)程監(jiān)控的裝置，為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，土石壩壩料壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測裝置包括碾輪加速度監(jiān)測模塊、GPS定位模塊、數(shù)據(jù)處理模塊，碾輪加速度監(jiān)測模塊的加速度傳感器安裝在碾壓機(jī)振動(dòng)輪上且不隨振動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的部位；加速度頻譜數(shù)據(jù)和當(dāng)前采樣時(shí)間傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊中。本發(fā)明主要應(yīng)用于水利水電工程。
文檔編號E02D3/046GK103061323SQ201310036698
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月30日
發(fā)明者劉東海, 王愛國 申請人:天津大學(xué)