[發明專利]基于滯后相位角的壩料壓實質量實時檢測裝置及方法

在審

• 申請號: 201811344780.6
• 申請日: 2018-11-13
• 公開（公告）號: CN109610413A
• 公開（公告）日: 2019-04-12
• 發明（設計）人: 劉東海;高雷;梁健羽
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: E02B7/06
• 分類號: E02B7/06;E02D3/046
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

1.一種基于滯后相位角的壩料壓實質量實時檢測裝置，其特征是，包括碾振加速度傳感器、霍爾傳感器、GNSS定位模塊、車載集成控制器模塊、無線通訊模塊和碾壓機電源模塊共6個部分，其中：

碾振加速度傳感器安裝在碾壓機振動輪上且不隨振動輪轉動的部位，在對壩料進行振動碾壓時，實時采集碾輪豎直方向的振動加速度時域模擬信號，轉換成時域數字信號，然后通過接口將一個采樣周期內的加速度時域數字信號和對應的采樣時間，傳輸到車載集成控制器模塊中；

霍爾傳感器安裝在有振幅手輪的碾壓機振動輪一側且不隨振動輪轉動的部位，感應的磁鐵片粘貼在振幅手輪上且與碾壓機偏心塊在垂直于振幅手輪的同一平面上，在對壩料進行振動碾壓時，實時采集磁鐵片切割磁感線時產生的電壓信號，然后通過接口將一個采樣周期內的電壓信號和對應的采樣時間，傳輸到車載集成控制器模塊中；

GNSS定位模塊包括衛星信號接收機、衛星天線和差分無線電天線，衛星天線安裝在碾壓機車頂上，用于接收衛星信號，確定碾壓機當前位置，安裝部分應盡量靠近碾輪中心點，差分無線電天線用于接收基站的差分信號，接收機作實時動態差分RTK(Real-timeKinematic)，該模塊用于獲得任意時刻碾壓機位置的坐標，并將該位置坐標與相應的采集時間傳送到車載集成控制器模塊中；

車載集成控制器模塊安裝在碾壓機駕駛室內，包括計算分析子模塊和車載顯示子模塊，在計算分析子模塊中，將實時采集的碾輪振動加速度時域數字信號經過濾波處理得到加速度隨時間變化的時域曲線a-t，并計算一個采樣周期內的加速度幅值的平均值a_m；對加速度數據作快速傅里葉變換得到碾壓機實際輸出的振動頻率f，進而計算偏心塊轉動角速度ω，對加速度數據作兩次頻域積分處理得到碾輪振動位移數據隨時間變化的時域曲線x-t；同時，通過對霍爾傳感器實時采集的電壓信號V(t)分析處理可以得到偏心塊實時轉動位置，檢測到強電壓信號時，偏心塊剛好運動到霍爾傳感器感應的位置，進而推求碾壓機激振力隨時間變化的時域曲線F-t；對比F-t與x-t曲線的峰值時間間隔Δt；

無線通訊模塊將車載集成控制器模塊發送過來的當前碾壓機標識、當前采樣時刻、當前位置，以及相應的壓實質量、和F_s等數據經3G/4G移動通訊網絡，傳送到遠程數據庫服務器中保存，以供后續應用；

碾壓機電源模塊將碾壓機自身的電源電壓轉化成車載集成控制器模塊所需要的電壓，并根據GNSS定位模塊、無線通訊模塊、碾振加速度傳感器及霍爾傳感器所需的不同電壓，經電源轉化變壓后再分別向各模塊供電。

2.如權利要求1所述的基于滯后相位角的壩料壓實質量實時檢測裝置，其特征是，求出滯后相位角并在計算分析子模塊內計算采樣點處考慮滯后相位角的地基反力F_s具體地：

偏心塊轉動角速度ω：

ω＝2·π·f

激振力F的推求公式：

F＝m_er_eω²cos(ω·t+β)

式中，m_e、r_e分別為偏心塊質量、偏心距，ω偏心塊轉動角速度，β為偏心塊初始相位角，

滯后相位角計算公式：

式中，Δt為某一遍數下一個采樣周期內碾輪位移峰值與壓應力峰值之間的時間差均值；k為一個采樣周期內位移周期的個數；△t_i為一個采樣周期內第i個時間差；

考慮滯后相位角的改進地基反力計算公式：

式中，m_d為碾輪質量，a_m一個采樣周期內加速度幅值的均值。

3.一種基于滯后相位角的壩料壓實質量實時檢測方法，其特征是，通過試驗條帶建立壓實質量與滯后相位角的回歸模型，即壓實質量評估模型；利用安裝在碾輪上的碾振加速度傳感器采集當前施工倉面不同采樣點處振動加速度數據，用安裝在碾輪上的霍爾傳感器，實時采集偏心塊轉動產生的電壓信號；車載集成控制器的計算分析子模塊實時計算此時的滯后相位角Δφ；同時，在計算分析子模塊中計算當前采樣點處壓實質量數據；并與設定的壓實質量標準進行比較，用以輔助碾壓機司機操作，及時反饋控制施工質量。