專利名稱：土石壩壩料壓實質量實時監測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及水利水電工程領域大壩施工質量控制領域，具體講，涉及土石壩壩料壓實質量實時監測裝置。
背景技術：
傳統土石壩壩料壓實質量評估方法主要是用有限試坑試驗結果反映整個施工單元倉面的碾壓質量。這種做法一般歷時較長、有破壞性，且結果片面性，不能全面反映整個施工單元倉面的碾壓質量；同時，由于試驗結果無法快速取得，從而影響施工進度，無法滿足高強度、高機械化的施工要求。因此，通過實時采集現場碾壓過程中的壩料壓實狀態，用以評估壩料壓實質量，對于及時反饋控制施工質量具有重要意義。目前，在土石壩施工過程質量實時控制方面，鐘登華等采用填筑碾壓質量實時監控技術[1-3]，實現了碾壓過程中對碾壓參數(包括行車速度、碾壓遍數、激振力狀態、壓實厚度)的實時監控，對確保土石壩壓實質量控制起到重要作用。但該技術僅是施工過程中碾壓參數的實時監測，并不能直接反映碾壓過程中壩料的壓實質量(如壓實度或干密度、孔隙率等)。在道路路基土料的壓實質量實時監測裝置研制方面，國內外已有較多研究。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(Compactometer)，美國Caterpillar公司的基于碾壓機凈輸出(machine drive power,MDP)的碾壓過程監測裝置[8]，等。國內，如張潤利[9]、居彩梅[10]開發的振動壓實度檢測儀，楊濟安開發的車載壓實度檢測裝置[11]，以及劉澤東等開發的路基壓實度檢測儀器[12]，等。上述裝置基本原理都是監測碾壓機碾輪的運動性能(如加速度、振幅、頻率等)，通過分析碾輪的運動性能與路基土料壓實度之間的關系，建立基于碾輪運動性能分析的壓實度表征指標，進而來估計路基土料的壓實度。但上述裝置基本集中在道路施工領域，由于土石壩壩料的性質(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動性能(如加速度頻譜)相同的情況下，被壓料的壓實狀態并不一致，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質量監測。更重要的是，這些裝置所測的壓實質量指標要么不能與大地坐標實現對應(如文獻[9-12])，即壓實質量監測值沒有地理屬性，使得在實際中不易直接指示所監測的壓實質量指標對應的具體位置，故不易實現對質量缺陷部位的反饋補救；要么不能把實時監測到的信息遠程發送到數據庫存儲(如文獻[4-8])，僅僅供碾壓機司機使用，使得不僅無法供后續的質量評估應用，也無法滿足符合國情的前方(工作面監理、施工單位)與后方(現場營地設計、業主等)結合的、“司機-承包商-監理-業主”一體化的質量管理模式。參考文獻[I]鐘登華，劉東海，崔博.高心墻堆石壩碾壓質量實時監控技術及應用[J].中國科學科學技術，2011,41 (8) :1028-1034.[2]鐘登華，劉東海，張社榮等.心墻堆石壩施工質量實時監控方法[P]，發明專利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采集裝置[P]，發明專利 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.振動壓路機壓實度連續檢測儀[J].工程機械，2000，32(8) :4-6[10]居彩梅.車載式壓實度檢測儀[D].西安長安大學，2001[11]楊濟安.車載壓實度檢測裝置[P].中國，實用新型專利，01249239. 6. 2002-10-23[12]劉澤東，楊霏，張建經.路基壓實度檢測儀器[P].中國，實用新型專利，201020584464. 9. 2011-08-0
發明內容
本發明旨在克服現有技術的不足，提供適用于土石壩壩料的，既能實現壩料壓實質量實時監測，又能將監測信息遠程發送至數據庫可供后續質量評估應用，并能實現工地遠程監控的裝置，為達到上述目的，本發明采取的技術方案是，土石壩壩料壓實質量實時監測裝置包括碾輪加速度監測模塊、GPS定位模塊、數據處理模塊；碾輪加速度監測模塊的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；加速度傳感器采集到的碾壓機碾輪加速度時域模擬信號經信號模數轉換，轉換成時域數字信號，進而將加速度時域數字信號進行快速傅里葉變換(FFT)，得到碾輪振動加速度的頻譜數據，然后將加速度頻譜數據和當前采樣時間傳輸到數據處理模塊中；GPS定位模塊包括GPS接收機、GPS衛星天線和差分無線電天線，GPS衛星天線安裝在碾壓機上，用于接收GPS信號，以確定碾壓機的位置，GPS定位模塊安裝在盡量靠近碾輪中心點，差分無線電天線用于接收GPS基準站的差分信號，用于GPS接收機作實時動態差分(Real-time Kinematic，RTK)，用于獲得碾壓機的實時位置坐標，并將當前采樣時間及其相應的碾壓機位置坐標傳送到數據處理模塊；數據處理模塊根據接收到的碾輪振動加速度頻譜數據及對應的采樣時刻，分析計算當前采樣時刻的碾輪振動的基頻及壓實指標值CV ;并將從GPS定位模塊接收到的當前采樣時間及其對應的碾壓機位置坐標，計算得到的基頻和CV，由該數據處理模塊的標識碼ID確定的所安裝碾壓機的標識進行輸出。還包括有無線傳輸模塊(DTU)、車載顯示模塊、碾壓機電源模塊和數據庫服務器；無線傳輸模塊(DTU)將數據處理模塊發送過來的當前采集時間及其對應的碾壓機位置坐標、碾壓機標識、當前采樣時刻的基頻和CV值實時地傳送到遠程數據庫服務器中，以備后續質量評估與控制應用；碾壓機電源模塊通過將碾壓機自身的電源電壓轉化成數據處理模塊所需要的電壓并供給數據處理模塊，數據處理模塊根據GPS定位模塊、車載顯示模塊、無線傳輸模塊(DTU)及碾輪加速度監測模塊所需的不同電壓，經變壓后再分別向各模塊供電；車載顯示模塊安裝在碾壓機駕駛室內，實時接收從數據模塊發送過來的當前采樣時刻及其所對應的碾輪振動的基頻及壓實指標值CV，并在液晶屏上顯示當前采樣時刻的壓實指標值CV和碾輪振動基頻，供碾壓機司機查看，以輔助其操作；若當CV值未達到設定的控制標準時，需進行補碾、降低碾壓機行車速度或改變碾壓機振動頻率等措施，以確保壩料壓實質量。數據處理模塊主要由FLASH存儲器、RAM存儲器、CPU構成，GPS定位模塊發送過來的當前采樣時間及其對應的碾壓機位置坐標，以及碾輪加速度監測模塊發送過來的碾輪振動加速度頻譜數據及當前采樣時間放入FLASH存儲器中進行緩存，RAM存儲器用來臨時存貯數據，再通過緩存，把上 述數據通過“棧”的方式發送給CPU，由CPU對數據進行計算和處理，CPU的計算和處理包括 (I)根據碾輪振動加速度頻譜數據及對應的采樣時刻，可分析得到當前采樣時刻的碾輪振動的基頻及壓實指標值CV，具體分析過程如下首先，比較當前采樣時刻加速度信號的各種頻率及其對應的幅值，找出最大幅值所對應的頻率即為碾壓機振動的基頻。然后，計算壓實質量的表征指標CV，即
權利要求
1.一種土石壩壩料壓實質量實時監測裝置，其特征是，包括碾輪加速度監測模塊、GPS定位模塊、數據處理模塊； 碾輪加速度監測模塊的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；加速度傳感器采集到的碾壓機碾輪加速度時域模擬信號經信號模數轉換，轉換成時域數字信號，進而將加速度時域數字信號進行快速傅里葉變換(FFT)，得到碾輪振動加速度的頻譜數據，然后將加速度頻譜數據和當前采樣時間傳輸到數據處理模塊中； GPS定位模塊包括GPS接收機、GPS衛星天線和差分無線電天線，GPS衛星天線安裝在碾壓機上，用于接收GPS信號，以確定碾壓機的位置，GPS定位模塊安裝在盡量靠近碾輪中心點，差分無線電天線用于接收GPS基準站的差分信號，用于GPS接收機作實時動態差分(Real-time Kinematic, RTK),用于獲得碾壓機的實時位置坐標,并將當前采樣時間及其相應的碾壓機位置坐標傳送到數據處理模塊； 數據處理模塊根據接收到的碾輪振動加速度頻譜數據及對應的采樣時刻，分析計算當前采樣時刻的碾輪振動的基頻及壓實指標值CV;并將從GPS定位模塊接收到的當前采樣時間及其對應的碾壓機位置坐標，計算得到的基頻和CV，以及由該數據處理模塊的標識碼ID確定的所安裝碾壓機的標識進行輸出。
2.如權利要求1所述的土石壩壩料壓實質量實時監測裝置，其特征是，還包括有無線傳輸模塊(DTU)、車載顯示模塊、碾壓機電源模塊和數據庫服務器；無線傳輸模塊(DTU)將數據處理模塊發送過來的當前采集時間及其對應的碾壓機位置坐標、碾壓機標識、當前采樣時刻的基頻和CV值實時地傳送到遠程數據庫服務器中，以備后續質量評估與控制應用； 碾壓機電源模塊通過將碾壓機自身的電源電壓轉化成數據處理模塊所需要的電壓并供給數據處理模塊，數據處理模塊根據GPS定位模塊、車載顯示模塊、無線傳輸模塊(DTU)及碾輪加速度監測模塊所需的不同電壓，經變壓后再分別向各模塊供電； 車載顯示模塊安裝在碾壓機駕駛室內，實時接收從數據模塊發送過來的當前采樣時刻及其所對應的碾輪振動的基頻及壓實指標值CV，并在液晶屏上顯示當前采樣時刻的壓實指標值CV和碾輪振動基頻，供碾壓機司機查看，以輔助其操作；若當CV值未達到設定的控制標準時，需進行補碾、降低碾壓機行車速度或改變碾壓機振動頻率等措施，以確保壩料壓實質量。
3.如權利要求1所述的土石壩壩料壓實質量實時監測裝置，其特征是，數據處理模塊主要由FLASH存儲器、RAM存儲器、CPU構成，GPS定位模塊發送過來的當前采樣時間及其對應的碾壓機位置坐標，以及碾輪加速度監測模塊發送過來的碾輪振動加速度頻譜數據及當前采樣時間放入FLASH存儲器中進行緩存，RAM存儲器用來臨時存貯數據，再通過緩存，把上述數據通過“棧”的方式發送給CPU，由CPU對數據進行計算和處理，CPU的計算和處理包括 (I)根據碾輪振動加速度頻譜數據及對應的采樣時刻，可分析得到當前采樣時刻的碾輪振動的基頻及壓實指標值CV，具體分析過程如下首先，比較當前采樣時刻加速度信號的各種頻率及其對應的幅值，找出最大幅值所對應的頻率即為碾壓機振動的基頻。然后，計算壓實質量的表征指標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的幅值；n為常數。CV值越大，壓實質量越好。根據設計所要求的壩料壓實質量，設定CV的控制標準值； (2)將當前采樣時間及其對應的碾壓機位置坐標、基頻和CV，以及由該數據處理模塊的ID確定的所安裝碾壓機的標識傳輸給無線傳輸模塊(DTU)及車載顯示模塊。
4.如權利要求1所述的土石壩壩料壓實質量實時監測裝置，其特征是，無線傳輸模塊(DTU)將數據處理模塊發送過來的當前采樣時間及其對應的碾壓機位置坐標、碾壓機標識，以及當前采樣時刻的基頻和CV實時地通過GSM(Global System of Mobilecommunication,全球移動通信系統)通訊模塊傳送到遠程數據庫服務器中，該模塊工作過程具體如下 無線傳輸模塊(DTU)由FLASH存儲器、RAM存儲器、CPU、GSM通訊模塊構成，數據處理模塊傳輸過來的數據放入FLASH存儲器中，再通過緩存，把數據以“棧”的方式發送給CPU，其中，RAM存儲器用來臨時存貯數據。接著，CPU對數據進行IPdnternetProtocol，網絡之間互連的協議)化，并把IP數據包交給GSM通訊模塊，然后GSM通訊模塊根據定制的TCP/IP協議，按一定的時間間隔，將當前采樣時間及其對應的碾壓機位置坐標，碾壓機振動基頻及CV,碾壓機標識等數據通過GPRS (General Packet Radio Service,分組無線服務技術)網絡發送到遠程數據庫服務器。
5.如權利要求1所述的土石壩壩料壓實質量實時監測裝置，其特征是，碾輪加速度監測模塊中對經模數轉換得到的碾壓機時域數字信號f(t)，屬非周期信號，采用傅里葉變換形式表示為
全文摘要
本發明涉及水利水電工程領域大壩施工質量控制領域，為提供適用于土石壩壩料的，既能實現壩料壓實質量實時監測，又能將監測信息遠程發送至數據庫可供后續質量評估應用，并能實現工地遠程監控的裝置，為達到上述目的，本發明采取的技術方案是，土石壩壩料壓實質量實時監測裝置包括碾輪加速度監測模塊、GPS定位模塊、數據處理模塊，碾輪加速度監測模塊的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；加速度頻譜數據和當前采樣時間傳輸到數據處理模塊中。本發明主要應用于水利水電工程。
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 優先權日2013年1月30日
發明者劉東海, 王愛國 申請人:天津大學