接触式坚实冰雪厚度检测分析

2016-09-03庄腾飞王俊发李亚芹邱新伟庞秀岩

中国科技信息 2016年10期

庄腾飞王俊发李亚芹邱新伟王锐庞秀岩豆贺

接触式坚实冰雪厚度检测分析

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目前除雪机械均未设置冰雪厚度检测装置，作业深度不可自动调节，对薄厚不均的冰雪清除时效率低，单次清除残留量大。文中针对坚实冰雪的特性，分析现有的检测方法，设计出接触式厚度检测装置。该装置选用LVT526H型倾角传感器，运用单片机编程计算显示出测得的倾角值和厚度值。用土胚代替坚实冰雪进行室内初步试验，通过对检测数据的分析得到检测装置的误差均在4mm以内，检测精度高，反馈速度快，通过室内试验为后续的室外和整机检测提供参考和依据。

路面冰雪的厚度变化是影响冰雪清除时除净率的重要因素。现有除雪机械均未设计安装雪层厚度的检测装置，作业深度不能自主调节，对路面和机器的损害大，耗能多。压实冰雪清除时如路太养路综合除雪机；恒源环卫HQC/ C-300推雪铲；山友除雪凹盘等作业时只能清除固定深度冰雪，冰雪层厚度较薄时对路面损害大，除雪部件磨损快；冰雪层较厚时除净率低，除雪效果不理想。坚实冰雪清除时如雪狼4号除雨冰机；雪狮清道夫8型除雪机等作业时由于冰雪深度未知，除坚实冰雪时作业部件转速快、受力大，作业中刀具磨损更快，对路面损害严重。因此在冰雪清除时特别是对坚实冰雪清除时急需设计并安装冰雪厚度检测装置。

通过对坚实冰雪特性分析，结合常用的检测方法，设计出接触式坚实冰雪厚度检测装置，通过初步试验查验了装置的可行性和精度范围。

坚实冰雪特性分析

坚实冰雪是由行人和车辆的反复碾压伴随在温度的升降变化反复融冻后形成的表层冰膜，内部含杂，硬度大、密度高、与路面粘附紧固的冰雪。坚实冰雪的物理特性如表1所示。

表1　坚实冰雪特性

检测方法分析

常用的测量方法中，主要测量方法分为接触式测量和非接触式测量，如图1所示。目前对冰雪厚度检测已有应用的是降雪监测站用激光检测降雪厚度、利用电容测量冬季江河冰层厚度等，但对道路冰雪的厚度测量方法尚在研究阶段，还未有成熟的技术和方法。

图1　测量方法分类

由于坚实冰雪的特殊性，冰雪和沥青路面均为非金属，介电常数相近，冰雪内部含杂，厚度检测时所有检测装置必须在冰雪上侧，且检测精度不易受外界环境影响，又需实时动态测量。所以现已运用的激光测量、电容电感测量、超声波测量等在冰雪层厚度测量时均不再适用。经过分析最终选用机械接触式测量，具体方法如下。

假定路面平整、路面障碍为井盖和车辆减速带。通过在同一基准面上测量路面的起伏状况，然后在进行相应的计算，得出起伏的冰雪层厚度。检测原理是在连接冰雪试验台的拖拉机上安装伸出的厚度测量基准杆。此基准杆在拖拉机上固定，并和已除路面距离为h，且为已知值。厚度检测时，利用倾角传感器测量冰雪待除路面上随行杆与基准杆的角度θ值，通过公式（1）可计算出检测的冰雪厚度。检测原理图如图2所示。

图2　厚度检测原理图

图3　厚度检测系统示意图

式中：

h—为随行杆离地面的距离；

h2—测量得冰雪厚度值。

试验原理及过程

结合试验原理利用倾角传感器来检测随行杆与测量基准杆的实时夹角，由于室外冰雪检测时的温度低、环境差，选用普通的商用传感器不能满足温度和试验要求，通过综合对比，最终选择LVT526H型倾角传感器，如图4所示，LVT526H型倾角传感器的参数指标如表2所示。51单片机如图5所示，LED12864显示屏如图6所示。

基于夯实土胚的坚实度可控，且形成过程和物理特性与坚实冰雪相近。运用土胚代替坚实冰雪检测结果具有可参考性。经过分析在初步室内检测试验中用特定坚实度范围的夯实土胚和土槽轨道分别代替坚实冰雪和道路路面。试验中简化相关试验参数。厚度检测系统示意图如图3所示。

根据试验原理搭建的试验台如图7所示。试验中土胚参数分别设置为长度1m，厚度分别按正弦起伏、先增后减、递增、递减、先减后增五种典型的形状设置。模拟可能出现的路面冰雪形状。验证不同路面下检测装置的测量精度。

试验前通过土壤坚实度测量仪检测各段土胚的坚实度，检测结果如表3所示，从测量结果可以看出试验土胚的坚实度均在坚实冰雪的坚实度范围内，试验土胚性质接近坚实冰雪的性质。试验过程图片如图7～10所示。

表2　LVT526H型倾角传感器的参数指标

表3　制作土胚的坚实度

图4　LVT526H倾角传感器

图5　51单片机

图6　LED12864显示屏

图7　检测试验图

图8　厚度检测调零复位

图9　检测试验图

图10　试验过程实时厚度检测值

试验结果分析

通过检测试验，试验测得的厚度和试验前人工测得的结果分别如图11～15所示。通过结果图形可知试验路段中图12中先增后减路段检测精度最高，误差均在0.8mm以内；图13中递增段中土胚厚度持续增加时检测精度较高，误差在0.9mm以内，末端起伏阶段误差稍大，最大为1.7mm；图14递减路面与之类似，递减段厚度最大误差达到2.5mm。图15先减后增段最大误差为2.6mm；图11正弦起伏路段起伏频繁，测量误差最大，误差最大处主要发生在路段的最高点和最低处，最大误差为第二个波谷处，数值为3.7mm。综合分析试验中检测误差在可允许的4mm范围之内，最大误差出现在正弦起伏段为3.7mm，其余路段误差均在3mm以内。试验装置反馈速度快，精度满足要求。

图11　正弦起伏段

图12　先增后减段

图13　递增试验段

图14　递减试验段

图15　先减后增试验段

结语

（1）介绍了坚实冰雪的物理特性，分析了目前常用的检测方法，结合冰雪特性选取接触式检测方法，首次利用机械接触式方法对坚实冰雪厚度进行检测。针对冰雪厚度检测原理，选用LVT526H倾角传感器通过编程计算显示出待测的冰雪厚度。

（2）通过参数简化，利用土胚代替坚实冰雪进行室内土槽初步试验，依据坚实冰雪的坚实度设置不同参数的夯实土胚。试验得出对不同参数土胚检测中先增后减路段测量精度最高，误差在0.8mm以内，正弦起伏段精度最低，最大误差发生在波谷处为3.7mm，总体误差均在4mm以内，反馈速度快，检测精度满足要求。检测试验验证了装置的可行性，为下一步的室外试验和整机调试提供了参考和依据。