专利名称：一种车载土基密实度在线测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种土基压实质量测量仪器，特别是基于CAN总线技术的车载土基密实度在线测量仪。
背景技术：
随着我国经济的快速发展，国家对公路的路基压实质量的要求也更加严格。传统的密实度检测方法只能在压实结束后抽取少量的试样材料进行检测，代表性差，且容易造成“薄弱点”的漏检，在施工过程中常常出现过压和欠压的情况，耽误了工期，造成人力、物力和财力的极大浪费。针对目前工程对压实质量要求较高，且工期要求较短的特点，振动压路机安装能够实时、连续准确地检测路基压实度测量仪是非常必要的。现代新技术革命的兴起，特别是微电子技术、自动控制技术、电子信息技术和计算机技术等高科技的迅速发展，振动压路机也进入了一个新的发展时期，智能化振动压路机成为了新的发展趋势并已初具雏形。智能压路机可以根据被压实材料的压实状况自动改变激振力的方向(从垂直到水平)，来适应被压实材料的要求，这种智能压路机的频率分高频和低频，振幅可以实现无级调节。智能压路机的压实过程是这样的当土基比较松软时，即密实度比较小时，压路机以压实为主要目的，此时压路机振动幅度要大，振动频率要小，行走速度要慢，当土基的压实度达到压实标准时，即密实度比较大时，压路机以整平土基为主要目的，此时压路机振动幅度要小，振动频率要高，行走速度要快。目前，我国有多家公司和高等学校对实时在线检测路基压实程度的压实度计进行研发，其中申请号为200520095939. 7公开了一种名称为“一种用于振动式压路机的压密实度分析仪”专利文件，申请号为01144533. 5公开了一种名称为“智能化道路机载压实检测仪”，由于压路机的振动频率和压路机发动机的频率相差不大，当改变发动机油门时，会出现发动机信号总是干扰激振力信号，密实度显示值被干扰的情况，因此会引起检测分析仪的抗干扰能力差，数据波动大的问题；另外，现有的检测分析仪无法实现与压路机控制中心的通讯，不能根据实际情况实时智能调节压力机的振动频率和振幅。

实用新型内容本实用新型的目的是提供一种车载土基密实度在线测量仪，以解决现有测量仪抗干扰能力差，密实度显示波动大的问题。为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案一种车载土基密实度在线测量仪，包括传感器电路和主控电路，所述传感器电路采用加速度传感器；传感器电路的振幅信号输出端与滤波电路的信号输入端连接，所述滤波电路为带通滤波器电路，滤波电路的信号输出端与精密整流电路的信号输入端连接，精密整流电路的信号输出端与峰值保持电路的信号输入端连接；所述传感器电路的频率信号输出端与前置放大电路的信号输入端连接，前置放大电路的信号输出端与脉冲整形电路的信号输入端连接，所述峰值保持电路和脉冲整形电路的信号输出端分别与主控电路的振幅信号输入端和频率信号输入端连接。[0007]所述带通滤波器电路采用具有自动频率跟踪功能的开关电容滤波器。所述主控电路的通讯接口上连接有CAN总线电路，所述CAN总线电路用于与压路机中心控制单元通信连接。所述主控电路的输出端分别连接有键盘输入接口电路和显示电路。所述CAN总线电路包括CAN总线控制器和驱动器，所述驱动器与CAN总线控制器的驱动输出端连接。所述CAN总线控制器和驱动器之间连接有用于隔离的光耦电路。所述驱动器采用A82C250，且在驱动器的CANL和CANH端口与地之间各反接一个二极管和一个电容。本实用新型的车载土基密实度在线测量仪使用加速度传感器测出压路机振动轮的纵向加速度信号，经放大器增强信号、椭圆带通滤波器滤出高频杂音低频杂波、峰值检测电路保持峰值，通过A/D转换，得到振动轮的纵向加速度值，根据“振动轮一土壤”的二自由度振动系统数学模型，得出土壤的刚性值，经单片机处理，得出密实度值、振动频率和激振力振幅值。采用具有频率自动跟踪功能的椭圆带通滤波器，实现信号的有效滤波，不但具有品质因数高，而且大大提高了仪表抗干扰能力，解决了现有测量仪抗干扰能力差，密实度显示波动大的难题。另外，将CAN总线技术应用于本仪器，使仪表可以通过CAN总线与智能压路机的中央控制单元通讯，将实时测量的密实度、振幅和频率传送给智能压路机的中央控制单元，智能压路机根据这些数值自动调节激振力和振动频率，完成自动压实过程。

图1是本实用新型的结构示意图；图2是滤波电路原理图；图3是是CAN总线电路原理图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步介绍。如图1所示为本实用新型车载土基密实度在线测量仪的结构示意图，由图可知， 该测量仪包括传感器电路和主控电路，传感器电路中的传感器采用加速度传感器，传感器电路的振幅信号输出端与滤波电路的信号输入端连接，滤波电路的信号输出端与精密整流电路的信号输入端连接，精密整流电路的信号输出端与峰值保持电路的信号输入端连接； 传感器电路的频率信号输出端与前置放大电路的信号输入端连接，前置放大电路的信号输出端与脉冲整形电路的信号输入端连接，峰值保持电路和脉冲整形电路的信号输出端均分别与主控电路的振幅信号输入端和频率信号输入端连接。进一步的，主控电路的通讯接口上连接有CAN总线电路，CAN总线电路用于与压路机中心控制单元通信连接。进一步的，主控电路的输出端分别连接有键盘输入接口电路和显示电路，显示模块选用金鹏公司生产的4X8C液晶显示模块，不但可以显示所测量的密实度、振幅、振动频率，还可以显示密实度的变化曲线。[0022]另外，该测量仪中的各组成电路均由系统电源供电。本实用新型的滤波电路为带通滤波器电路，该带通滤波器电路采用具有自动频率跟踪功能的开关电容滤波器。滤波器是一种以物理硬件或计算机软件形式，从含噪声的观测数据中抽取信号的装置。椭圆滤波器(Elliptic filter)又称考尔滤波器(Cauer filter)，是在通带和阻带等波纹的一种滤波器。椭圆滤波器相比其他类型的滤波器，在阶数相同的条件下有着最小的通带和阻带波动。它在通带和阻带的波动相同，这一点区别于在通带和阻带都平坦的巴特沃斯滤波器，以及通带平坦、阻带等波纹或是阻带平坦、通带等波纹的切比雪夫滤波器，所以选用此滤波器。椭圆滤波器对有用信号产生的幅值畸变和相位畸变都很小，对于要准确读取加速度信号的幅值来说很重要。由于压路机的激振力信号在^、5Hz之间，所以设计一个25、5Hz带通滤波器以滤除掉多余的噪声信号。滤波电路原理图如图2所示，选用以LTC1068-200CG为核心元件的带通滤波器，电路中Ain为滤波电路信号输入端，与加速度传感器电路的输出连接，Aout为滤波电路信号输出端，与精密整流电路的输入端连接。电路中电阻电容的数值是设计的关键，滤波器的参数如下使用计算机软件FilterCAD设计，带阻衰减增益为40分贝，带通滤波器的中心频率 35HZ，通带带宽20HZ，阻带带宽30HZ，LTC1068-200CG的输入时钟频率为7000Hz。如果改变 LTC1068-200CG输入时钟频率，那么带通滤波器的中心频率也会随之改变。基于这种原理， 我们根据振动频率改变LTC1068-200CG输入时钟频率，使滤波器具有自动频率跟踪功能， 大大提高了仪表抗干扰能力。精密整流电路的功能是将微弱的交流信号电压转换成直流电压，从带通滤波器出来的正弦周期信号经过精密全波整流电路，把微弱的交流信号电压转换成直流电压信号， 此信号送入峰值保持电路，峰值保持电路的输出能跟踪输入信号的峰值，并保持峰值直到复位信号到来为止，或输入信号终止后，通过放电电阻缓慢放电。随着土壤的压实度的逐渐增加，激振信号产生畸变，信号呈现出上半周幅值变尖且窄，峰值信号好像尖脉冲，计算机采样很难捕捉，为了能够准确地检测出信号的最大幅值，我们采用峰值保持电路模块，延长峰值信号的过渡时间，便于单片机采样信号。压路机的振动频率就是压路机每秒钟振动的次数，也就是加速度传感器输出正弦波的频率。一般有两种测量方法。第一种是测数法，即测量一秒钟时间内，波峰的个数。第二种是测时法，即测量相连两波峰之间的时间间隔，然后求倒，计算出频率。我们用测数法， 将从前置放大电路模块输出的信号送入脉冲整形电路，把正弦波信号变为方波信号，送入主控电路的ADUC847单片机的定时/记数端口，每来一个脉冲，计数器加一，每秒中断一次， 检查计数器的数值，计算出振动频率。主控电路CPU处理器的选取对系统来讲是至关重要的，本实施例选用ADUC847芯片作为系统的CPU，主要因素是考虑其内部集成了 8路24位高精度的A/D转换器。ADUC847 是ADI公司新推出的MicroConverter数据采集与处理系统级芯片(SoC)，它具有高性能M 位数据采集与处理系统，它内部集成有两个高分辨率的A-SADC、8通道输入多路复用器、 一个8位MCU和程序/数据闪速/电擦除存储器。同时可提供62k字节的闪速/电擦除程序存储器，4k字节闪速/电擦除数据存储器和2304字节的数据RAM。从峰值保持电路输出的信号送入ADUC847芯片，通过A/D转换，得到振动轮的纵向加速度值，根据“振动轮一土壤”的二自由度振动系统数学模型，得出土壤的刚性值。经ADuC847单片机处理，液晶显示屏显示出密实度值和振动幅值。通过CAN总线，可以把实时测量的密实度、振幅和频率传送给智能压路机的中央控制单元，智能压路机根据这些数值自动调节激振力和振动频率，完成自动压实过程。CAN总线与一般的通讯总线相比，它的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性，CAN的直接通信距离最远可达IOkm (速率5kbps以下);通信速率最高可达IMbps (此时通信距离最长为40m)。CAN就是总线型结构的一种适合工业现场自动控制的计算机局域网络，智能压路机就是使用CAN作为工业现场自动控制的计算机局域网络。为配套智能压路机，本实用新型特别设计了 CAN总线通讯接口，并选用Peli CAN工作模式。如图3所示为总线系统中的控制单元电路原理图，CAN总线电路包括CAN总线控制器和驱动器，驱动器与CAN总线控制器的驱动输出端连接。总线系统采用独立CAN总线控制器SJA1000，驱动器选用82C520，其中控制器和驱动器之间采用两片6W37高速光耦电路完全隔离，这样做可以保证总线的安全性，同时也保证了总线上的各模块的独立性。在驱动器的CANL和CANH端口与地之间各反接一个各肖特基二极管和30p的电容，当CANL或 CANH的电压由于环境原因过高时可以保证总线及驱动器的安全。电路中Jl接线端接口与 CPU的输出端连接，CAN接口与压路机的中央控制单元连接。本实用新型的工作原理和工作过程如下本实用新型的测量仪使用加速度传感器测出压路机振动轮的纵向加速度信号，经前置放大电路增强信号、带通滤波器滤出高频杂音低频杂波、峰值检测电路保持峰值，再通过主控电路的A/D转换，得到振动轮的纵向加速度值，根据“振动轮一土壤”的二自由度振动系统数学模型，得出土壤的刚性值，经单片机处理，显示电路的液晶显示屏显示出密实度值、振动频率和激振力振幅值，同时通过对密实度数据的实时存储和对密实度的标定，建立密实度值数据库，方便工程中调用。另外，通过CAN 总线可以与智能压路机的中央控制单元通讯，智能压路机根据这些数值将自动调节激振力和振动频率，提高压实效率。本实用新型的车载密实度在线测量仪解决了土基密实度值的实时精确检测难题， 通过实时在线测量土基的密实度、压路机的激振力振幅以及振动频率，由液晶模块显示动态测量数值，并可以通过CAN总线与智能压路机中央控制单元通讯，中央控制单元根据这些数据，调整压路机的振动幅值和振动频率，实现压实过程的智能化，与传统的密实度测量方法相比较，减少了劳动强度，提高了工作效率，节省大量的人力、物力和财力，产生显著的经济效益和社会效益。本实用新型的优点如下1在线实时测量实现实时控制质量，保证路面能以最少的碾压遍数，达到施工要求的标准，从而避免由于欠压或过压造成的质量问题，以及人力、财力上的浪费。2无损测量，操作简单通过密实度标定，建立密实度与土壤硬度的对应关系，使土壤压实质量检测以直观的密实度数值显示，与传统的环刀法、灌砂法相比，不仅可以消除由于测量造成对土籍的损伤，而且可以降低工人的劳动强度。3可以配套智能压路机将CAN总线技术应用于本仪器，使仪表可以通过CAN总线与智能压路机的中央控制单元通讯，将实时测量的密实度、振幅和频率传送给智能压路机的中央控制单元，智能压路机根据这些数值自动调节激振力和振动频率，使路基的压实效果更好，压路机压实效率更高。
权利要求1.一种车载土基密实度在线测量仪，包括传感器电路和主控电路，其特征在于所述传感器电路采用加速度传感器；传感器电路的振幅信号输出端与滤波电路的信号输入端连接，所述滤波电路为带通滤波器电路，滤波电路的信号输出端与精密整流电路的信号输入端连接，精密整流电路的信号输出端与峰值保持电路的信号输入端连接；所述传感器电路的频率信号输出端与前置放大电路的信号输入端连接，前置放大电路的信号输出端与脉冲整形电路的信号输入端连接，所述峰值保持电路和脉冲整形电路的信号输出端分别与主控电路的振幅信号输入端和频率信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的车载土基密实度在线测量仪，其特征在于所述带通滤波器电路采用具有自动频率跟踪功能的开关电容滤波器。
3.根据权利要求1所述的车载土基密实度在线测量仪，其特征在于所述主控电路的通讯接口上连接有CAN总线电路，所述CAN总线电路用于与压路机中心控制单元通信连接。
4.根据权利要求2或3所述的车载土基密实度在线测量仪，其特征在于所述主控电路的输出端分别连接有键盘输入接口电路和显示电路。
5.根据权利要求3所述的车载土基密实度在线测量仪，其特征在于所述CAN总线电路包括CAN总线控制器和驱动器，所述驱动器与CAN总线控制器的驱动输出端连接。
6.根据权利要求5所述的车载土基密实度在线测量仪，其特征在于所述CAN总线控制器和驱动器之间连接有用于隔离的光耦电路。
7.根据权利要求5或6所述的车载土基密实度在线测量仪，其特征在于所述驱动器采用A82C250，且在驱动器的CANL和CANH端口与地之间各反接一个二极管和一个电容。
专利摘要本实用新型涉及一种车载土基密实度在线测量仪，其传感器电路的振幅信号输出端与滤波电路的信号输入端连接，滤波电路为带通滤波器电路，滤波电路的信号输出端与精密整流电路的信号输入端连接，精密整流电路的信号输出端与峰值保持电路的信号输入端连接；传感器电路的频率信号输出端与前置放大电路的信号输入端连接，前置放大电路的信号输出端与脉冲整形电路的信号输入端连接，峰值保持电路和脉冲整形电路的信号输出端分别与主控电路的振幅信号输入端和频率信号输入端连接。本实用新型采用具有频率自动跟踪功能的椭圆带通滤波器，不但具有品质因数高，而且大大提高了仪表抗干扰能力，解决了现有测量仪抗干扰能力差，密实度显示波动大的难题。
文档编号G01N33/42GK202119772SQ20112018253
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月1日 优先权日2011年6月1日
发明者普邑, 李峰, 王新勇, 田葳, 罗明桢, 钟小滨 申请人:王新勇