沥青混合料摊铺机熨平板频率振动测试系统研究*

王苏娅，张应和，郭艳珠

（西安铁路职业技术学院机电工程学院，西安 710026）

0 引言

近年来，我国的高速公路建设取得了快速发展，并且随着公路等级的不断提高，对沥青路面的平整度、密实度提出了更高的要求。沥青混合料摊铺机是指按规定要求将沥青混合料均匀平整地摊铺开的专用机械。沥青混料路面具有表面光滑、耐磨损的优点，广泛应用于高速公路上。沥青混合料摊铺机是沥青路面的主要施工设备之一，其性能直接影响后续压路机的工作次数以及道路路面的平整度和路面质量，如压实度等[1]。因此，提高沥青摊铺机的性能尤为重要。

在摊铺机与混合料相互作用中，存在高效的振动频率范围，在此范围内沥青混合料容易被振实，沥青混合料获得较高的初压密实度[2-4]。然而在实际施工中，摊铺机通常采用挡位或者百分比的方式调节振捣和振动频率，并没有频率测定的专用仪器，无法判断振动频率是否在与材料相适应的频率范围内，施工过程中的调节具有较大的盲目性。

本文提出的摊铺机多频率振动监测系统，可以利用加速度传感器对摊铺机的振动频率进行实时监测，根据实际情况可选择烫平板相对于出料速度最佳的匹配振动频率，从而在满足路面压实度、渗水系数及平整度的相关要求的同时，对道路施工起到指导作用，减少压路机工作次数，保证摊铺机高效工作，节能减排[5-7]。

1 熨平板频率振动测试系统的组成

摊铺机在工作过程中，混合沥青料从料斗出料口通过螺旋摊铺器将混合料横向摊开，振捣器将混合料通过振动初步捣实，振动捣实的过程中，捣梁在烫平板和护板的下限位下，由偏心轴带动做上下往复运动。同时，烫平板上附加有振动器，对摊铺层混合料进行修整熨平和振动压实。在上述的烫平板的振动过程中，振动器上下振动一次，就会经过一次最大振幅，同时，产生一个指向平衡位置的最大加速度。所以，当振动器连续不断地经过同一个最大振幅处时，就会连续产生同方向加速度最大值[8]。

通过以上对摊铺机振捣系统的工作过程分析可以看出，摊铺机振捣系统的振动频率与其在振动过程中通过最大振幅处加速度的变化频率有关。当振动器以某一固定频率振动时，加速度也将以这一频率变化。因此，可以通过分析加速度的变化频率获得摊铺机振捣装置的振动频率。

通常，在施工现场用加速度传感器对摊铺机振捣系统的振动频率进行检测时，会受到外界低频或者高频噪声以及摊铺机工作中各独立运动部件的干扰。通过现场监测发现，摊铺机正常工作时振捣系统的振动频率较低，摊铺机振动器的振动可调频率范围一般为0～50 Hz，振捣装置的可调频率范围为0～30 Hz。与外界其他干扰信号不在同一频率范围内。在实际施工过程中，为了获得更高的混合料压实度，一般选择振动器的振动频率大于振捣装置的振捣频率。

本文中的测试系统是在施工过程中用于检测熨平板振动器的振动频率，使其能够和摊铺机的运行速度及振捣频率匹配更佳，从而能够减少施工过程中摊铺机的压实遍数，节能减排。

频率测试系统以PC/104 工控板为核心，扩展了模拟端口和数字采集端口，以及信号调理端口等。采用带通滤波器对采集到的信号进行处理。工作原理如图1所示。

图1 摊铺机测振系统拟采用的工作原理

2 熨平板测频率振测试系统硬件设计

2.1 信号输入

通过前面分析可知，振动系统的频率和其加速度的变化频率有关，所以，选择加速度传感器作为熨平板频率振动测试系统的信号输入设备。

加速度传感器按其在测量工作中的工作原理可分为电容式加速度传感器、压阻式加速度传感器和压电式加速度传感器。

其中，在低频的振动测量时，通常选用压电式加速度传感器。压电式加速度传感器是利用压电材料的压电效应实现机械能到电能的转换。当压电材料受到外力作用产生变形时，内部产生极化现象，同时在其表面将会产生电荷，当外力消失时，电荷也消失，又回到原来不带电的状态。所以压电式传感器为有源传感器，在使用过程中无需外接电源就可以工作，并且具有低通特性，因此可选用来测量低频和极低频的振动。

在进行熨平板的振动频率检测时，选用LC01系列加速度传感器。该系列传感器为内装IC 集成电荷放大器的压电型加速度传感器。其内部基本组成为MOS 场效应管，并且在传统压电式加速度传感器的基础上增加了电荷放大器，能够对传感器输出信号进行直接放大，简化测试系统结构，并能直接与后续的记录、显示以及采集仪器相连，提高测量精度和可靠性。

内装IC 集成电荷放大器的压电型加速度传感器与外接信号调理器原理图如图2所示。

图2 传感器外接信号调理期原理

LC01 系列压电式加速度传感器相关性能指标如下：输出线性度为小于或等于1% ；横向灵敏度为小于或等于5%，典型值为小于或等于3%；输出偏压为DC812V；恒定电流为2～20 mA，典型值为4 mA；输出阻抗小于150 Ω；激励电压为DC15～30 V，典型值为DC24V；温度范围为-40～120 ℃；放电时间常数大于或等于0.2 s。

从以上参数可以看出其优点为：（1）输出阻抗小，抗干扰，噪声小；（2）性价比高，安装方便；（3）性能稳定、可靠，灵敏度高。

2.2 信号调理电路

信号调理是指对传感器输出信号进行操作，将其转换成满足后续传输与处理系统要求的信号[9]。在本系统中信号调理电路选择LM317LZ 作为可调稳压电源作为电源稳压器。在输出电压1.2～37 V 可调式能提供100 mA 的负载电流。

运算放大器选择的是带有真差动输入的四运算放大器LM324。LM324 系列运算放大器内含4 个高增益、内部频率补偿的独立的运算放大器。可单电源使用，在单电源应用中，与标准运算放大器类型相比具有明显的优势。因此，常用于传感器的运算放大电路中。

摊铺机熨平板多频振动测试系统信号调理电路如图3所示。

图3 信号调理电路电路原理

2.3 信号采集模块

信号采集模块主要是将加速度传感器采集到的加速度信号传给RAM 存储器及CPU。该模块首先应具有A/D转换功能，能够将采集到的模拟量转换为数字量输入。其次，该模块还应具有计数器功能，能够实现对测速传感器输出的脉冲信号进行计数。

本系统中采用ART2932 作为多频振动监测系统的信号采集模块，能够同时满足A/D 转换及计数器功能。其外观如图4所示。其主要参数为：12位AD精度，250 kS/s采样频率；单端16 路/差分8 路；AD 缓存8 kb，FIFO 存储器；AD 量程为±10 V、±5 V、±2.5 V、0～10 V；AD 触发方式为多种模拟量、数字量触发；12位DA精度，4路模拟量输出；DA量程为0～10 V、0～5 V、±10 V，±5 V；数字量输入、输出各8路，3路16位计数器。

图4 ART2932 PC/104采集卡

2.4 CPU模块

CPU 模块是任何嵌入式系统的核心，其体积小，功耗小，集成度高。本系统中，CPU 模块的功能是负责对输入的加速度、速度的信号进行分析和处理，并为系统提供储存、通信、显示等操作接口。

嵌入式工控机（Embedded Industrial Computer）是一种加固的增强型工业计算机，它可在工业环境中可靠运行。而且由于嵌入式工控机的性能更加可靠、无风扇结构、体积小巧、价格低廉，所以在工控机中应用更为广泛。

本文系统中采用GT6805型嵌入式工控机主板作为系统的CPU模块。GT6805型嵌入式工控机主板，核心部分为采用S3C2416 处理器的GT2416 模块。S3C2416 处理器是三星公司推出的一款高性价比的处理器，其内核为ARM926EJ，运行主频为400 MHz，支持DDR2 内存，并集成了TFT 控制器和2D 图形加速器。GT6805 型嵌入式工控机的外形图如图5所示。

图5 GT6805工控主板

3 熨平板频率测试系统的现场试验

通过系统的理论研究、分析以及设计，并将该多频振动测试系统在施工现场进行了检测试验。摊铺机熨平板多频振动测试系统整体实物如图6所示。

图6 整体实物

为了验证本测试系统频率检测的正确性，和施工现场摊铺机振动系统本身的调节装置进行了频值比较，比较结果如表1 和表2 所示。测试系统数据现场采集如图7所示。

图7 多频振动频率测试系统数据现场采集

表1 频率调节值与系统测量值对比关系表

表2 调节装置调节比与系统测量值对比关系表

通过数据对比可以看出，摊铺机本身调节装置通过相应挡位可以进行频率选择，但仪表盘上相应的频率值和实际工作的频率值总存在10%左右的偏差。所以，通过频率测试系统得到的测试值能够更加准确地确定摊铺机熨平板工作时的振动频率，对后续的施工具有一定的指导作用。

4 结束语

为使摊铺机摊铺沥青混合料时获得一个较高的密实度，摊铺机振动（捣）频率应与摊铺速度相适宜，摊铺机熨平板应工作在一个最佳的振动频率范围内。尽管测量频率的方法有多种，但摊铺机测振系统既要检测熨平板振动频率还要检测振捣装置振捣频率。

本文频率测试系统采用软件测频法实测熨平板的振动振捣频率。采用PC/104嵌入式系统硬件系列标准、模块功能齐全、功耗低驱动电流小、可运行软件丰富。不仅保证硬件系统的可靠性，同时也提高软件研发效率、缩短软件研发周期。

通过现场试验数据可以看出用传统摊铺机中熨平板频率的选择装置选择振捣频率，由于机械和人为误差的存在导致频率选择不准确，和实际频率值存在较大误差。而本文提出的自动测试系统的设计合理，对信号的处理分析准确，并能有效地读取数据，在施工过程中对振捣频率进行正确的读取，从而在摊铺过程中能够更好地与出料速度相匹配，指导施工，有效地安排后续的路面压实操作，节能减排。