土石坝碾压激振频率和激振力实时监控系统及监控方法
【专利摘要】本发明属于土石坝施工质量控制领域，为对碾压机激振频率和激振力进行远程实时监控及后续质量评估应用，为此，本发明采用的技术方案是，土石坝碾压激振频率和激振力实时监控方法，包括如下步骤：利用安装在碾压机振动轮上且不随振动轮转动的部位上的碾压机激振频率测定模块，在对土石坝料进行碾压过程中，实时采集碾轮竖直方向的振动加速度信号，经过信号模数转换和快速傅里叶变换FFT得到碾轮振动加速度的频谱数据，根据采样时刻相同，将激振频率、激振力与碾压机位置坐标对应起来；判断当前时刻碾压机的激振频率和激振力是否符合设计标准，若不达标，发送报警信息。本发明主要应用于土石坝施工质量控制。
【专利说明】土石坝碾压激振频率和激振力实时监控系统及监控方法
【技术领域】
[0001]本发明属于土石坝施工质量控制领域，特别是涉及一种土石坝碾压过程中碾压机激振频率和激振力实时监控系统及其监控方法。
【背景技术】
[0002]在土石坝施工过程中，有效地控制碾压参数是达到良好的压实效果，保证大坝施工质量的关键。激振频率和激振力作为重要的碾压参数，不仅直接影响碾压机的作业效率，而且影响被压土石坝料颗粒的运动状态，进而影响压实效果。根据《碾压式土石坝施工规范》(DL/T5129-2001)规定，应定期检查碾压机的工作性能，保证碾压机的激振频率和激振力在合格范围之内。但在实际应用中，由于碾压机液压泵效率低、起振阀失效、发动机转速不稳以及振动轮内润滑油过多或过少等原因，碾压机激振频率和激振力常常会出现异常现象，达不到设计和规范要求。因此，有必要对碾压过程中碾压机激振频率和激振力进行在线监控，确保施工仓面坝料的压实效果，这对于保证大坝施工质量具有十分重要的意义。
[0003]目前，在土石坝施工质量实时监控方面，钟登华等研制的填筑碾压质量实时监控系统[卜3](获授权专利2项:ZL200910069245.9，ZL200910069167.2)，实现了对行车速度、碾压遍数、激振力状态、压实厚度等碾压参数的实时监控，对于确保土石坝压实质量起到了重要作用。但该系统所监测的碾压机振动参数只是激振力状态，即碾压机振动的输出状态，一般有高频低振、低频高振、不振等三种，并未实现对碾压机实际的激振频率和激振力输出进行实时地监控，从而无法客观反映碾压机械对坝料压实的做功效率。
[0004]目前，国内外对于碾压机激振频率监测装置已有一些相关研究。如德国BOMAG公司、瑞士 Geodynamik公司和美国Caterpillar公司等[4_6]生产的碾压机都设有振动频率计量表，能够实时地给碾压机操作手显示当前碾压机的振动频率；张润利[7]等开发了振动压路机压实度连续检测仪，可在监测土体相对压实度的同时，用于碾压机振动频率的测定；徐光辉M等通过CPMC系统监测振动频率；杨济安[9]开发的车载压实度检测装置可以在指示表盘上显示碾压机的振动频率；宁甲琳[1°]等对实测的加速度进行运算、分析后，可得到压实度、压路机运行速度、振动频率等；四川瞭望工业自动化控制技术有限公司[n]等研发的智能压实质量检测仪——ICCC检测仪实现了对压实质量、振动频率和碾压速度连续的检测。上述这些装置尽管都能实现碾压机振动频率实时监测，但不能监测碾压机械实际输出的激振力，而且其主要的服务对象是碾压机的操作手，而国内对于土石坝施工质量控制的主要责任人是监理、施工管理人员与业主。显然，由于无法将实时监测的数据进行远程传送及后续应用，故现有这些技术或装置无法实现业主、监理和施工方管理人员对碾压机激振频率和激振力的在线同步控制。此外，国内开发的这些技术或装置所测的激振频率没有与大地绝对坐标对应，所以在实际施工中不易获取激振频率不达标的具体位置，不便于相关管理人员对施工质量进行反馈控制。
[0005]参考文献:
[0006][I]钟登华，刘东海，崔博.高心墙堆石坝碾压质量实时监控技术及应用[J].中国科学:科学技术，2011,41 (8):1028-1034
[0007][2]钟登华，刘东海，张社荣等.心墙堆石坝施工质量实时监控方法[P]，发明专利ZL200910069245.9,2010
[0008][3]钟登华，刘磊，刘东海等.心墙堆石坝碾压过程信息自动采集装置[P]，发明专利 ZL200910069167.2,2010
[0009][4]B0MAG.BOMAG 维修培训手册:BW216\219\226DH/PDH_4[EB/0L].http://www.doc88.com/p-90522898830.html, 2005-08
[0010][5]Briaud J L,Seo J.1ntelligent compaction:overview and researchneeds[J].Report to the Federal Highway Administration, 2003
[0011][6 ] Ca t erp i 11 ar.CS44Vibratory Soil Compactors: VIB RA TIONSPER MINUTE (VPM) GAUGE [EB/0L].http://xml.catmms.com/servlet/ImageServlet?imageId=C731175
[0012][7]张润利，张俊杰，李熙山等.振动压路机压实度连续检测仪[J].工程机械，2000，32 (8):4-6
[0013][8]徐光辉，高辉，王哲人.路基压实质量连续动态监控技术[J].中国公路学报，2007，3 (20):17-22
[0014][9]杨济安.车载压实度检测装置[P].中国，实用新型专利，01249239.6.2002-10-23
[0015][10]宁甲琳，曹源文.一`种新型压实度连续检测方法[J].重庆交通学院学报，2007，26 (I):74-77
[0016][11]四川瞭望工业自动化控制技术有限公司.路基压实度检测仪器[P].中国专利:ZL201020584464.9,2010
[0017][12]刘东海，王爱国.一种土石坝坝料压实质量实时监测装置[P].中国专利:申请号 201310036698.8,2013
【发明内容】
[0018]为克服现有技术的不足，在土石坝碾压施工过程中，对碾压机激振频率和激振力进行远程实时监控，可实现碾压机激振频率和激振力不达标时的报警提示，用以指导现场施工；并可将实时监测的碾压机激振频率和激振力数据发送到数据库存储，以供后续质量评估应用，实现碾压机操作手、业主、监理和施工方管理人员对碾压质量的全过程同步管理与实时反馈控制。为此，本发明采用的技术方案是，土石坝碾压激振频率和激振力实时监控方法，包括如下步骤:利用安装在碾压机振动轮上且不随振动轮转动的部位上的碾压机激振频率测定模块，在对土石坝料进行碾压过程中，实时采集碾轮竖直方向的振动加速度信号，经过信号模数转换和快速傅里叶变换FFT得到碾轮振动加速度的频谱数据，其中，基频即为碾压机实际输出的激振频率；确定当前时刻碾压机的位置坐标；通过碾压机激振频率，以及该碾压机偏心块质量与偏心矩，计算碾压机输出的实际激振力，并根据采样时刻相同，将激振频率、激振力与碾压机位置坐标对应起来；判断当前时刻碾压机的激振频率和激振力是否符合设计标准，若不达标，发送报警信息。
[0019]激振力F的计算公式如下:[0020]F = Me ω 2=Me4 n 2f02
[0021]式中，M为偏心块质量，e为偏心距，一般在碾压机设备参数说明书中给定；&为监测到的激振频率，ω是角频率。
[0022]利用碾压机激振频率测定模块中的加速度传感器按足够小的时间间隔连续采集碾轮加速度的时域模拟信号，通过信号模数转换，转化为时域数字信号，采样时间间隔T在满足工程精度要求下取足够小，这时模拟信号fa (t)就可以用数字信号表示，即:
[0023]
【权利要求】
1.一种土石坝碾压激振频率和激振力实时监控方法，其特征是，包括如下步骤:利用安装在碾压机振动轮上且不随振动轮转动的部位上的碾压机激振频率测定模块，在对土石坝料进行碾压过程中，实时采集碾轮竖直方向的振动加速度信号，经过信号模数转换和快速傅里叶变换FFT得到碾轮振动加速度的频谱数据，其中，基频即为碾压机实际输出的激振频率；确定当前时刻碾压机的位置坐标；通过碾压机激振频率，以及该碾压机的偏心块质量与偏心矩，计算碾压机输出的实际激振力，并根据采样时刻相同，将激振频率、激振力与碾压机位置坐标对应起来；判断当前时刻碾压机的激振频率和激振力是否符合设计标准，若不达标，发送报警信息。
2.如权利要求1所述的土石坝碾压激振频率和激振力实时监控方法，其特征是，激振力F的计算公式如下:
3.如权利要求1所述的土石坝碾压激振频率和激振力实时监控方法，其特征是，还包括下列步骤: (1)利用GPS定位模块通过安装在碾压机驾驶室顶尽量靠近碾轮中心点位置的GPS卫星天线和差分无线电天线接收GPS卫星信号和GPS基准站的差分信号，确定当前时刻碾压机的位置坐标； (2)利用安装在碾压机驾驶室内的单片机集成处理模块通过接收到的碾压机激振频率，以及从数据库及应用服务器调用的该碾压机的偏心块质量与偏心矩，计算碾压机输出的实际激振力； (3)数据无线传输模块将当前采样时刻及相应的碾压机位置坐标、激振频率和激振力数据通过GPRS网络发送到数据库及应用服务器系统； (4)数据库及应用服务器系统判断碾压机实际激振频率和激振力是否符合设计标准，如果是，执行步骤(6);如果否，执行步骤(5)； (5)通过Internet网络向激振频率和激振力实时监控IE客户端发送报警信息；或通过GPRS (General Packet Radio Service,分组无线服务技术)网络向质量管理人员的手持PDA或手机、车载手机发送报警信息； (6)激振频率和激振力实时监控IE客户端定期统计汇总碾压机激振频率和激振力情况，并形成报表，作为相关部门质量检查和机械管理的依据。
4.如权利要求3所述的土石坝碾压激振频率和激振力实时监控方法，其特征是，激振频率和激振力实时监控IE客户端在开始监控前，输入标准的碾压机工作激振频率和激振力、碾压机的偏振质量与偏心矩，以及要监控工作仓面的属性信息包括仓面的编号、施工单位、碾压机配置情况及其编号，到数据库及应用服务器中，在监控过程中，实时显示碾压机的当前位置，以及输出的实际激振频率和激振力，接收PDA或手机报警模块发送的激振频率或激振力不达标报警信息；同时，实现已碾压区域任意时刻任意位置的碾压机激振频率和激振力的查询,并统计汇总碾压机激振频率和激振力的监控情况,形成报表上报相关部门，作为后续质量检查的辅助材料。
5.一种土石坝碾压激振频率和激振力实时监控系统，其特征是，包括碾压机激振频率测定模块、单片机集成处理模块、车载显示模块； 碾压机激振频率测定模块安装在碾压机振动轮上且不随振动轮转动的部位，用于在碾压机对土石坝进行压实的过程中，实时采集碾轮竖直方向的振动加速度信号，经过信号模数转换和快速傅里叶变换FFT得到碾轮振动加速度的频谱数据，然后将当前信号采集时间和碾压机激振频率数据传输到单片机集成处理模块；单片机集成处理模块利用接收到的碾压机激振频率，以及从数据·库及应用服务器调用的该碾压机的偏心块质量与偏心矩，计算碾压机输出的实际激振力；传送给数据无线传输模块DTU及车载显示模块；车载显示模块安装在碾压机驾驶室内，实时地显示当前采样时间、碾压机位置坐标、激振频率和激振力，以供操作手根据显示信息，及时调整碾压机的工作参数。
6.如权利要求5所述的土石坝碾压激振频率和激振力实时监控系统，其特征是，还包括:GPS定位模块、数据无线传输模块DTU、数据库及应用服务器系统； GPS定位模块包括GPS接收机、GPS卫星天线和差分无线电天线；把GPS卫星天线和差分无线电天线安装在碾压机驾驶室顶尽量靠近碾轮中心点的位置，通过接收GPS卫星信号和GPS基准站的差分信号，确定采样时刻碾压机的位置坐标，并将采样时刻及其对应的碾压机位置坐标数据传送给单片机集成处理模块； 数据无线传输模块DTU，用于将单片机集成处理模块传送过来的数据实时地发送到远程数据库应用服务器中； 数据库及应用服务器系统接收和存储数据无线传输模块发送的当前采样时间，以及对应的碾压机位置坐标、激振频率和激振力数据，并判断碾压机激振频率和激振力是否达标，若不达标，则通过Internet、GPRS发送报警信息。
【文档编号】G08C17/02GK103850241SQ201410058189
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年2月20日 优先权日:2014年2月20日
【发明者】刘东海, 连振宏, 李子龙 申请人:天津大学