專利名稱：高速路平儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種公路路面質(zhì)量檢測裝置。
通常測量公路路面平整度是采用長度不等的直尺由人工方式進(jìn)行，也有采用位移傳感器的路平儀，如西安公路研究所的“XLPY路平儀”和江蘇沐陽公路工程儀器廠的“CP-Ⅰ型路平儀”等。位移傳感器型路平儀，由多支充氣膠胎輪通過減振彈簧支撐一個大型平臺，在路面上滾動的測輪推動位移傳感器測量路面相對平臺的位移量。由于充氣輪上的模擬平臺是一個非慣性系，當(dāng)在不平整路面上運(yùn)動時，自身將做起伏運(yùn)動，它隨測量速度的加快而誤差增大，即使在慢速時，也有較大的誤差;為此，都想設(shè)計出一個理想平臺，成為一個三米直尺，但無法構(gòu)造出慣性系來。
本發(fā)明的目的在于提出一種包含有測輪、加速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器所組成的測量機(jī)構(gòu)、卡緊機(jī)構(gòu)和信號處理系統(tǒng)構(gòu)成的裝置，從而可以實時、快速、準(zhǔn)確地動態(tài)測量各種公路路面平整度及路譜分析。
本發(fā)明主要由卡緊固定機(jī)構(gòu)、信號測量機(jī)構(gòu)和處理信號的電子設(shè)備所組成。
卡緊固定機(jī)構(gòu)主要由固定卡板、垂直絲杠(15)和水平絲杠(12)等組成，采用絲杠螺紋進(jìn)程形式將卡緊機(jī)構(gòu)固定在運(yùn)動載體上。旋轉(zhuǎn)垂直絲杠(15)可改變上下卡板(11)、(16)開口大小，旋轉(zhuǎn)水平絲杠(12)可改變橫向卡緊深度。滑架(13)是連接卡頭與測量機(jī)構(gòu)用的，由于各種車輛的被卡處與地面高度不等，調(diào)節(jié)卡頭在滑架(13)上的位置，可以適應(yīng)各種車輛使用。
測量機(jī)構(gòu)裝在滑架(13)底部，主要由轉(zhuǎn)動架(10)、立軸(7)、測桿鉸接軸(6)、測桿(17)、壓力彈簧(8)、壓力卡桿(9)，導(dǎo)向提升桿(4)和測輪(1)等部件組成。測桿的上端與轉(zhuǎn)動架(10)用鉸接軸(6)連接，實現(xiàn)牽引測輪(1)時的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動，同時實現(xiàn)各向力的改變方向功能。測桿(17)中部是壓力彈簧(8)及導(dǎo)向提升桿(4)和壓力卡桿(9)，實現(xiàn)壓緊與提起測輪(1)的功能;壓力彈簧(8)可以采用彈簧系數(shù)為5至20公斤/厘米范圍;測桿(17)上裝有轉(zhuǎn)速傳感器(3)，通過軟軸與測輪軸(18)連接，完成里程計量;加速度傳感器(2)置于測輪軸套上方，結(jié)構(gòu)設(shè)計保證在測量時單向加速度計能夠真實反映路面的起伏。本發(fā)明的測量機(jī)構(gòu)采用彈簧壓緊滾輪形式，使緊壓在地面上的測輪(1)在前進(jìn)時隨地面起伏而起伏并且滾動前進(jìn)，將路面平整度轉(zhuǎn)化為振動信號提取出來，通過測輪(1)的轉(zhuǎn)數(shù)計算出測量里程。
本發(fā)明的測桿(17)與水平面的夾角大小直接影響測量精度。夾角越小，測量精度越高，根據(jù)不同路面要求，這個角度一般在15°至35°范圍。測量機(jī)構(gòu)的尺度可以通過150至300毫米路面起伏為宜。
測輪(1)直徑的大小也關(guān)系到測量精度，對路面起伏信號，測輪(1)就象低通濾波器，它的直徑大小決定對路面起伏的靈敏度。所以，理論上講測輪(1)直徑越小越好?？紤]到測量速度及測量精度的要求，可選用直徑線度在100至250毫米范圍內(nèi)。具體選用參數(shù)要依路面條件及測量精度和速度而定。測輪(1)外緣為實心橡膠胎，除保證滾動摩擦力外，還可方便地更換。
立軸(7)可360°自由旋轉(zhuǎn)，它可保證測量時自由轉(zhuǎn)向，又可在不測量時提起測輪(1)，這樣可在不必卸下卡緊機(jī)構(gòu)的情況下提起測輪(1)，避免不必要磨損。
為了防止所用車輛振動對傳感器的干擾，在測桿鉸接軸(6)和彈簧壓力軸(5)處裝有隔振膠套(19)，以減少載體振動造成不必要的測量誤差。
加速度傳感器(2)所獲得的信號，經(jīng)必要的電子設(shè)備預(yù)處理變?yōu)槲灰菩盘柸鐖D2所示。經(jīng)采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號再做分析處理，為適應(yīng)公路三米直尺評價標(biāo)準(zhǔn)和獲得路面其它信息，信號處理算法達(dá)到這一目的，可實現(xiàn)路面起伏方差和坑槽超差的統(tǒng)計運(yùn)算及路譜分析等。
轉(zhuǎn)速傳感器(3)所獲得的信號表征測量行程，可做為采樣的觸發(fā)信號，對采到的路面起伏數(shù)字信號按行程分組，如三米為一組，就象用三米直尺做一次測量所得的數(shù)據(jù)，對該組數(shù)據(jù)取算術(shù)平均，即x＝
可獲得理想路面的擬合三米線段表示，路面的不平整性以該線段為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較獲得。由此可計算出路面的統(tǒng)計方差和超差，采到的數(shù)字信號直接做譜分析，便可獲得所測公路的路譜。
本發(fā)明的信號預(yù)處理是將加速度傳感器(2)攝取的振動加速度信號處理成模擬位移振動信號(27)，它作為路面不平整性的真實描述。耦合放大器(20)的作用是對不同加速度傳感器(2)輸出的信號進(jìn)行處理，以適應(yīng)后續(xù)電路的要求;低通濾波器(21)的截止頻率根據(jù)路平儀設(shè)計的最大測量速度、測輪(1)直徑和測量精度而定。圖中設(shè)計的兩級積分器(23)、(25)用放大器(24)分開，目的是使系統(tǒng)具有盡可能大的動態(tài)范圍。放大器(22)、(24)、(26)的放大倍數(shù)可調(diào)，以達(dá)到在測量范圍內(nèi)信號最大且不失真為最佳。當(dāng)然，一般情況經(jīng)校準(zhǔn)后也可正常使用。
數(shù)字信號處理框圖為圖3所示，將模擬位移振動信號(27)，由轉(zhuǎn)速傳感器(3)信號觸發(fā)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器(28)轉(zhuǎn)化為離散數(shù)字信號記錄下來，存放在隨機(jī)寄存器(34)里，并由雙緩沖區(qū)交替完成數(shù)據(jù)輸入和處理。功能選擇開關(guān)(30)可根據(jù)實際需要設(shè)置各種檢測功能，供使用時選擇。計數(shù)器(31)完成行程計量及采樣間隔大小的選取，不同平整性路面可取大小不等。公路評價標(biāo)準(zhǔn)及固定參數(shù)存放在只讀存儲器(35)里;微處理計算機(jī)(29)可以是單片機(jī)，它完成系統(tǒng)控制、協(xié)調(diào)及專用數(shù)字信號處理，并對所測路面進(jìn)行評價。測量結(jié)果通過打印或顯示(33)輸出給用戶。
本發(fā)明所采用的數(shù)據(jù)處理工作流程如圖4所示，開機(jī)后，首先對測量功能進(jìn)行設(shè)置(36)，可用鍵盤或撥鍵開關(guān)等方式設(shè)置;如測路平還是路譜、方差還是超差等，均在此時設(shè)置好。初始化(37)是根據(jù)所設(shè)置功能，對系統(tǒng)計數(shù)器(31)，A/D轉(zhuǎn)換器(28)中斷申請條件等作參數(shù)設(shè)置。信息提取(38)根據(jù)檢測項目，對信號做相應(yīng)的數(shù)字信號處理，將有用的信號提取出來。計算參照平面(39)找出理想平整路面的三米擬合曲線，數(shù)字信號再經(jīng)信號處理和統(tǒng)計處理(40)后，得出實測路面的數(shù)字描述，然后按規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)再作路面評價(41)，并輸出結(jié)果。
本發(fā)明由于采用了加速度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器提取路面平整度信息，完全符合在非慣性載體上檢測位移的物理原理;本發(fā)明結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)的計算機(jī)高技術(shù)，使用加速度傳感器可使最大檢測速度提高到每小時五十多公里，大大提高了檢測效率;同時具備了結(jié)構(gòu)合理簡單，使用方便、體積小、重量輕、測試數(shù)據(jù)可靠和精度高等特點(diǎn)。因此它可以準(zhǔn)確實時地對各種不同性質(zhì)的路面平整度進(jìn)行檢測和評價分析。


圖1為本發(fā)明的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。
圖2為本發(fā)明的信號預(yù)處理方塊圖。
圖3為本發(fā)明的數(shù)字信號處理硬件框圖。
圖4為本發(fā)明的軟件工作流程圖。
本發(fā)明的一個具體實施例在于取一個直徑φ143mm，其寬度為30mm，外緣為實心橡膠胎的測輪(1)，由測輪軸(18)把測輪(1)連接于測桿(17)上，將壓電加速度傳感器(2)和光電轉(zhuǎn)速傳感器(3)分別安裝在測輪軸套和測桿(17)上，光電轉(zhuǎn)速傳感器(3)通過軟軸與測輪軸套(18)連接;導(dǎo)向提升桿(4)套有0.8公斤/毫米的壓力彈簧(8)，它的下端通過彈簧壓力軸(5)與測桿(17)連接，它上端的壓力卡桿(9)可活卡在轉(zhuǎn)動架(10)上。測桿(17)的上端通過測桿鉸接軸(6)與轉(zhuǎn)動架(10)連接，并使測桿(17)與地平面成29°16′的夾角。為了減少載體振動對傳感器的干擾，在測桿(17)與導(dǎo)向提升桿(4)和轉(zhuǎn)動架(10)的連接處分別安裝有隔振胲套(19)，轉(zhuǎn)動架(10)通過立軸(7)安裝在滑架(13)上，裝有卡板(16)(11)的水平絲杠(12)和垂直絲杠(15)組成卡頭;卡頭通過連接螺釘(14)固定在滑架(13)的任何高度上?？^距地面最高距離為650mm，水平絲杠最大卡緊長度100mm，垂直絲杠最大卡緊尺度為180mm;采用這樣的卡緊機(jī)構(gòu)和測量機(jī)構(gòu)，可使用各種機(jī)動車輛檢測反映公路路面的各種信號。將加速度傳感器(2)檢測到的信號先后經(jīng)過耦合放大器(20)、低通濾波器(21)、放大器Ⅰ(22)、積分器Ⅰ(23)、放大器Ⅱ(24)、積分器Ⅱ(25)、放大器Ⅲ(26)等電子設(shè)備預(yù)處理，可獲得路面起伏位移振動信號(27)。光電轉(zhuǎn)速傳感器(3)的信號經(jīng)鎖存器(32)、計數(shù)器(31)控制完成采樣觸發(fā)，位移振動信號(27)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器(28)，單片計算機(jī)(29)可用(8031)，隨機(jī)寄存器(34)，只讀存儲器(35)、功能選擇開關(guān)(30)等組成的數(shù)字信號處理設(shè)備，按圖4所示的工作流程對信號進(jìn)行分析處理評價，將結(jié)果打印出來或記錄。當(dāng)然，本發(fā)明還可以有其它的實施方案。
權(quán)利要求
1.一種由卡緊機(jī)構(gòu)和測量機(jī)構(gòu)組成的路平儀，它所檢測到的信號經(jīng)過信號預(yù)處理系統(tǒng)和數(shù)字信號處理系統(tǒng)分析計算，并輸出其結(jié)果，其特征在于所說的卡緊機(jī)構(gòu)是由一個垂直連接有水平絲杠(12)和垂直絲杠(15)的上下兩端分別接上卡板(16)和下卡板(11)所組成的卡頭，卡頭通過螺釘固定在滑架(13)上，所說的測量機(jī)構(gòu)是由一根與水平面成夾角的測桿(17)，測輪(1)，加速度傳感器(2)和轉(zhuǎn)速傳感器(3)所組成，測桿(17)的下端經(jīng)測輪軸(18)連接測輪(1)，在測桿(17)上安裝轉(zhuǎn)速傳感器(3)，它經(jīng)軟軸與測輪軸(18)連接，在測輪軸外套上方安裝加速度傳感器(2)，滑架(13)下端通過立軸(7)連接有轉(zhuǎn)動架(10)，轉(zhuǎn)動架(10)的一端由測桿鉸接軸(6)連接測桿(17)，轉(zhuǎn)動架(10)的另一端經(jīng)活口卡住的壓力卡桿(9)連接在套有壓力彈簧的導(dǎo)向提升桿(4)的上端，其下端經(jīng)彈簧壓力軸(5)與測桿(17)連接。
2.按照權(quán)利要求1所說的路平儀，其特征在于所說測桿(17)與水平面夾角是在15°至35°范圍。
3.按照權(quán)利要求1所說的路平儀，其特征在于所說的測輪(1)直徑是150至250毫米范圍，并且輪子的外緣為實心橡膠胎。
4.按照權(quán)利要求1所說的路平儀，其特征在于所說的測桿(17)是由彈簧壓力軸(5)和測桿鉸接軸(6)分別與導(dǎo)向提升桿(4)和轉(zhuǎn)動架(10)的連接時，還安裝有隔振膠套(19)。
5.按照權(quán)利要求1所說的路平儀，其特征在于所說的壓力彈簧(8)，它的彈簧系數(shù)為5至20公斤/厘米范圍。
6.按照權(quán)利要求1所說的路平儀，其特征在于所說的信號預(yù)處理系統(tǒng)中，在兩級積分器(23)、(25)的中間，設(shè)有放大器(24)。
7.按照權(quán)利要求1所說的路平儀，其特征在于所說的數(shù)字信號處理系統(tǒng)，它所采用的微計算機(jī)是一種單片機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明是屬于一種公路路面質(zhì)量檢測裝置。它由可固定在各種機(jī)動車輛上使用的卡緊機(jī)構(gòu)，裝有加速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器的測量機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)傳感器耦合、信號積分和放大的信號預(yù)處理設(shè)備和完成數(shù)字信號處理、統(tǒng)計處理分析、路面評價及系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的微處理計算機(jī)等組成。本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理簡單、重量輕、使用方便；檢測精度較高，特別是檢測速度，可達(dá)每小時50多公里，它可以廣泛用于各種公路路面平整度實時測量，以及路譜分析等。也可用于大型場地的測量評價。
文檔編號E01C23/01GK1054631SQ9110033
公開日1991年9月18日 申請日期1991年1月24日 優(yōu)先權(quán)日1991年1月24日
發(fā)明者李繼領(lǐng), 劉秋實, 李建中, 羅恩生, 孫振國, 王晶晶, 劉元安 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所