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无线加速度传感器在压实度检测中的运用


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《 装备制造技术)0 8 2 0 年第 7 期 

无 线加速度传 感器在 压实度检 测 中的运 用  
谢欣 然 
( 重庆交通 大学 交通运输学 院 , 重庆 4 0 7 ) 00 4  
摘要 : 对采用加速度有线采集 系统 的机 载式压 实度仪 灵活

性 差、 针 布线 困难的局 限性 , 就运 用无线加速 度传感 器对采用加速度有 线采 
集 系统 的机 载 式压 实度 仪 的 改 造 提 出 了 方案 。   关 键 词 : 速 度 ; 线 加 速 度 传 感 器 ; 线局 域 网 ; 栽 式压 实 度仪   加 无 无 机

中图分类 号 : 6 . U4 11  

文 献标 识码 :   A

文 章 编 号 : 6 2 5 5 2 0 )7 0 4 - 2 1 7 — 4 X( 0 8 0 — 0 3 0  

压实是使路基 和路 面各结构层 材料具有足够 的密 实度, 充 
分发挥路 基土和路面材料 的强 度 , 少路基 、 减 路面在行 车荷载 

动压路机 的两 自由度 的数 学模 型 ( 自由度模型分析思路 与  多 此相同 ) 。在列 出振 动方 程 以前 , 首先 对型中有关参数 和条 件 
进行说明 :  

作 用下 产生的永久变形 ,还可 以增加路 基土和路 面材料 的不 
透水 性和强 度稳 定性 。所 以 , 实对 于公路 的路基 、 面具有  压 路 十分重要 的意义 。在压实 过程 中, 由于碾压不 足 , 计的密实  设 度达不到要 求 , 结果 将会导致返工或 工程质量低 劣 ; 压遍数  碾

( ) 模型 中 , 1在 土是 具有 一定 刚度 的弹 性体 。其 刚度为 
k, 2阻尼为 c, 2阻尼 为线性 阻尼 。   () 2 振动 压路 机的上下 车质量简化 为具有一定质量 的集  中质量块 。上 车为 I , n 瞬时位 移为  下车 为 r ,   l 瞬时位移为  l : x, 2振动轮都保持 与地 面紧密接触 。   数学模 型的运动方程为 :  
m   2 (l- ) +  + 2 r — 1 — 11  s w  ( ) 2 + c- 2 2 ( 1    2c I C _ 1   = i t 1  n
r   2 CX +kx —C   l =   r t +l1 l 2 l 12 X O xk2 () 2 

过多, 既不经济 又会 使压 实度 降低 , 还增 加 了工 程检测人 员的  劳动强度 “ 。采用先进 的计算 机技术能 对被压实 路面压 实度 
进行实时 、 准确测量。但采用加速度有线采集系统 的机载式压  实 度仪 , 实际应用 中存在诸 多不便 : 在 布线 困难 , 线工程 量  改 大, 线路容易损坏 ; 能实 时地 被远方工程人 员获知 。采 用加  不 速度无线采集 系统 的机载式压 实度仪 ,能将 所测压实度数据  无线传输至 台式计算 机 以供现场 工程人员参 考 ,使之能根据  所得的数据及 时调度压实机械 ;也 可 由无线 传感器节点组成  的局域 网接入 it t ne , me 实现远程 传输 , 远离施工 现场的工程  供

y = w  o Me2 式 中 : —— 偏心块 的静偏心力矩 , =       , — 偏 心力 ; r  —   r — 偏 心块的偏心矩 ; —  

() 3 

人员参考 , 实时掌握施 工情况。现以无线加速度传感器节点来 
探讨采用无线加速度传感器的机载式压 实度仪的可行性。  

振动压路机作业 时的刚度为:  



1 加速 度智 能检 测原 理 
11 理 论 基 础  ,

0 5  .3 2

x i ̄ XE O )   , - / E(' 们 qg o

() 4 

式 中: — —孔隙 比; e  
" —土的泊松 比 ; —  
— —

土壤振动压实分为 三个阶段 ,本文 所研究 的压实度智能 

振动轮触地角 

检测是从 压实的第二 阶段 开始 检测 ,即土壤在周期 载荷作用 
下产生以弹塑性 变形 为主的弹塑性应变 。图 1为轮胎驱动振 

£——振 动轮宽 ;   o ——平 均固结压力 ; r 0  
— —

应变;  

从 式( ) 4 可看 出 : 隙 比减小 , 孔 土的刚度会随之增加 , 而孔  隙比和压实度 的变化趋 势正好相 反 , 以土的刚度增加 , 所 则压 
上止点 

实度也增 加 ; 土的刚度减小 , 压实度也随之减小 。土的阻尼计  算如下 :  
c  2 6_ '   0 5 23 X1  3 () 5 

平横点 
下止点 

式 中: ——振动 轮质量 ; m2   尺——振动轮半径 ;  
图 1 振 动 压 路 机 数 学 模 型 

P——振 动作业时土 的密度 ;  

收稿 日期 :0 8 0 - 5 20 — 4 0  作者简介 : 谢欣然( 9 3 )男 , 1 7 一 , 四川乐 山人 , 重庆交通 大学 交通运 输学院硕士研究生 , 研究方 向 : 车辆振动 与声 控制。  

4   3

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E u p n Ma u a t n   e h o o y N . 2 0   q i me t n f cr gT c n l g   o7, 0 8 i

振动压路机作 业时土 的密度是 随着 密实度的增加而增加  的 , 以综合式 ( ) 所 5 可知 : 压实度增加 , 的阻尼就将减小 。 土   上面 的分析可 以得 出这样 的结论 :压 实度 的变化与振 动  压路 机作业时 土的刚度 和阻尼有关 。再解微分 方程式 ( ) 1 和 
() 得: 2可  

点 的核心 , 它采集并处 理传 感器数据 , 判决 何时何地 发送 这些  数 据。并从其他传感器节点接收数据 。在无线 传感 网络 中 , 对  大 量的数据有关 的信号处理任务 不是 很复 杂 ,而对无线 通信  的要求很 高。无线 传感器 节点 中采用 的微控 制器 包括 A m l te  
处理 器或 Txs nt m n’  P 3 ( 里采 用后者 ) ea  su ets I r MS 4 0 这 。它是专 

门为嵌 入式应用 而设 计 的, 因而它采用 的是 1 6位 R S IC核 , 时 

』 』 篙    
其中:  
A= k - l   l ml  : o
B = C1)  1; 1

㈦  

钟频 率较低 ( MH ) 4 z ,可 以适 用 于不同类 型外 围设备 的指令 

集 。它 以可变的片上 R M、 干个 1 A 若 2位模 / 数转换 器和一个 
实时时钟为特征 。  

无线 加速度传感 器节点 既需要发射机 又需要接收机 。关 
键 在于将 来 自微控制器 的比特流转换为无 线电波 。从实 际 目  

C =m2 z mlJ c  一m: l  一 m12   C CW ,w k k w 一 l2  + k k 一 k w2   l2 ml l S; D =kc1 +k c w z  l2  一m2 1 3一ml2  一ml 1  ; cW CI O c1   1 )

的出发 ,采用一 种设备将上述 两项任务结合在 单一实体里 比  较 方便 。 这种组合设 备称为无线收发机 。 在无线信道上 同时进  行发送和接 收是 不现实 的, 以我们采用 的是半双工通信 , 所 采 
用 C i o C 10 hp nC  0 0和 C  4 0系 列 的 无 线 收 发 机 。机 载 式 压   e C22

由于振动轮受简谐振力 的作用, 引发振动轮的垂 直加速  所
度为:  
l  
P  ^  ^ ,

’ 

X    2

i {+D- = [C-    

】f, ( =2 7 (2 ) k)   c

实 度仪 的无 线 收发 机也 采用 C i o  C 10 hp nC  00和 C  4 0系  e C2 2
列 的无线收发机 。  

因为在任一激振力作用下, 其他参数都是不变 的, 只有 k、 :  
c 是变化 的。 : 故从式 ( ) 7 可看 出振动轮 的垂直加速度只与土 的 

电源模块考虑两个方 面 : 首先 , 照要求 的方式储 能和供  按 电; 其次 , 尽量随 时从节点外 部 的能源 “ 提取 ” 能量 以补充消耗  的能量 。一般使 用可充电电池储能 。  

刚度和阻尼有关 ,而土 的在压实过程 中 ,随着压实遍数 的增 
加, 土壤 刚度 k 增大 , : 阻尼 c减小 。为了分析 k ,: : zc 与加速度  O 、 的变化关 系 , i  l 分别 假设 k.: zc 为变量 , 其它参 数不 变 , 对  振 动压路机 振动轮 一土壤 系统 的参数进行计算仿 真 ,可以得  到  、 随 k 和 c 的变化关 系㈦,   : : 这样 要测 的压实 度就 可 以  用振动轮 的加速 度来 间接获  “  。 12机 载式压实度仪工作原理( 文不 作阐述 ) . 本  

加 速度传感器选用压 电式传感 器 ,压 电式传感 器工作原 
理是利用 压 电陶瓷 的压 电效应 而制造 出的一种换能元件 。振 

动 压路机 的振 动频 率范 围在 2 0~5 H ,故 选用频 响 范围为  0z 1 0~2 0 H 0 0 z的传感器 已经能够满 足要 求。  
由. Ⅱ   速  A/  D 转  苴  片  收  发 

j L接      
收 

苴 

P   C



片 

机 

度 

换  ●  

机 

射 

电  器

机  ’   ●  

2 加速 度 无 线采 集 系统 
21 无 线 加 速 度传 感 器 节 点 原 理 与 实 现  .

传 ’  
感 
器 

●  电 
路 

丫 

加速度 无线采 集系统 包括传感 器节点 、 网关、 网络协 议 、   计 算机 采集处理软件 。 传感器节点 由节点 电源模块、 采集 处理  模 块、 无线收 发模 块组成 , 内置加速度传感 器 , 封装 在外 壳内。  
节点的最高采样率 , 节点 内置数 据存储器容量大小 , 节点 的空 

J T 1 1 |           l 电模  源板 J  

P机 C 

图 2 无线加速 度传 感器节点原理 图 

中传输 速率 , 有效室外通讯距 离 , 由机 载式 压实度仪具体 的应 
用 而定 。 中系统 功耗 和硬件成 本是 着重考虑 的因素。 其 可选择  带有 U B接 口的节点 ,既可 以通 过 U B接 口对节点充 电 , S S 也  可快速 地把 存储器 内的数据下载到 台式计算机里面 。  

圜 

首先 , 速度传感 器传来加速度 信号 , 加 然后 由 A/D转换 

器对模 拟信 号进行采样并 转换为数字信号 , 至微 处理器作  送
预处理 。 处理后 的加速度数据 通过无线 发射电路送 至路由 , 再  由路 由转 发给无线接 收装 置 。最后加速度数据 通过串 口送入 


\ 
图 3 单 跳网络示意图 

 

台式计算机 或机载式压实 度仪 ,图 2 为加速度信号无 线采集 
系统 的结构框 图。 加速度无线采集系统 由加速度传感器 电路 、  
A/D转换 电路 、 单片机 和无 线收发射 电路组成 。发射装 置 由  

发射装 置 、 由装置 、 路 接收装置 组成 。路 由装置 由无线 收发电 
路组成 。  

22 加 速 度 无 线 采 集 系统 网络 构 成  .

无线加 速度传感 器节点 的单片机是无 线加速度传感器节 

由无 线加速度传感 器节 点构成单跳无 线局域 网 ,单跳 网 

【 第4 下转 7页】  

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《 装备 制 造技术 )0 8年第 7期  )0 2
[】Wirw B,t    A a teSga rcsig[ . w Jre   4 do   Se SD. dp v inlPo s ms i e n M】Ne  esy,
US Pe t eHa1 I e, ge o A,rn c i l.n Ealwo dCl s,98   i 1 5. f

2 0 .62:5 4 8 0 0 3 () 2— 5 . 4  

[】 uZ e gu, i  h o i , C Gen A Pei e  ot l c e e 6 L   hny Q a Z a mn T . r .  r c dC n o Shm   n g e dt r 
o S u t c v P w r ie wt A t c  Ner1 tok【 . f h n A t e o e Fl i t r il rf a l il i ua .Ne r J  w 】
Poedn s0 eC E 19 .91) 2 2 . rce ig fh  S E。 9 91(2: - 6 t 2  

[】Hun  hu e,H a gC in L.C nrl0 nivr d pn uu 5 agSihJr un   he  o ot  fa  et   ed lm  o n e

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Re e r ho   t e Po rFl r s d n Gr y Pr d cig Co t l s ac   f Aci   we   ie   v t Ba e o   a   e it   n r   n o
Z O GG n-i  H N  eg j n (un dn  o mu i tn o tc n G ago g m nc i s l eh i C ao P y c,G aghu5 0 0 ,hn) un zo  18 0C ia   A src:Am da d ̄t  P   s m’f tr,  oe r itgA Fcnrl to  a i bsdo rypeitnw spee t . b t t ie t i M A Fs t S e ue A n vl e cn   P  o t   h dt ts ae nga rdco  a rsne   a   y e  a pd i o me h    i d dpn  n d ee do modGM (, , em dl f amo ccr n W  s b se  diW  sdt cmpna amoi  r n i he ol er 11 t o eo hr n  ur t a et hh da t a ue o o e st r ncc r tnt n n na  )h   i e s a n s   eh ue i
l deet e ,  amoi pei n   od i et lh  s g ryss m t oyG (, m d C mpr gte to    i p pr o  f i l ahr nc r c gm d    s bi e ui   a  t   er  M 1 ) od. o ai     h di t s ae  a c vy   dt i s a sd ng ye h 1 n h me nh  
w t tep p l n n fr c s o t l t o h o s   i lt n te rs l s o st a a mp o eteAP e r r n c  b i u l . i h h o u a o - o e a t n r me dt  ̄ u h s r c o h mu a o ,  e u t h w h t ni r v h i h   c Fp f ma eo v o sy o  

K ywod : i e;P e it n; nrln   e rs Fl r rdc o Co t l g t i oi

【 接第 4 上 4页】  

络中的每个节点都有一 个 固定 的节 点号 ,其 中与计算 机有 线 
连接 的无线 接 口模块 A P作为 主站 , 、 D E、 B C、 、 F为无 线传感  器节点 , 作为从站 , 以被 主站寻址 。传感 器节点开机后进入  可 待机状态 , 当收到主 站的寻址请求 时触 发 中断 , 自己的信息  将 发送 出去 。数据发送完毕 , 又进入待机状态 。整个 网络时序由  主站统一控制 , 保证 了不会 出现访 问冲突。  

的I P网关 ; 接着数据包通过 内部 I P网络被传送到 因特 网的网  关, 数据包传输是 通过 G R P S隧道协 议来实现的。  

3 结 语 
本文 阐述 的采 用无线加速度传感 器节点组成 的加 速度无 

以无线 网关作 为 A , P 无线 网关 负责把接收 到的无线数据  通过计算机接 口传输至计算 机进行存储 , 分析处理 。 既可 以接  入本地计算机 , 也可 以通过 I T N T网络进 行远程传 输 。网  NE E
络协议基 于 IE  0 .54 准 , E E8 21 .标 其标准 的 目标是低 功耗和低 

线采集 系统来代 替有线加速度采 集系统 ,克服 了有线 加速度  采集 系统 灵活性差 , 布线困难的局限。同时拓宽数据 的传输空 
间和实现对压 实机械 的远程监控和实时调度 。  
参考文献 :  

复杂度。 这样节 点可工作 很长时间 。 配备无线 网卡 的本地计算  机运用采集控 制软件 ,对各个传感 器节点采集 到的数据实现  实时显示 、 分析 和存储 。 采集 到的数据可 以输 出到广泛 的第三  方软件进行后 处理 。 本地计算 机通过 G R P S网络与 I T R E   NENT 进行数据传 输 。 P S是通用分组无 线业务。 P S提供一个端  GR GR 到端 的通用分组无线 业务 ,分组 的数据 通过 G R P S支撑 结点 

【 吴 梁, 1 】 曹源文 , 宁甲琳 . 无线通讯技术在压实度连续 检测 中的应用  【. J 筑路机械 与施工机械 ,0 6 ( ) . 】 2 0 ,2 :  7 [ 2 】郭军卫 , 军 , 李 周志立 . 振动压路 机压实度检测及 分析叨. 建筑机 
械 ,0 7 ( )  2 0 ,8 :

Ap l a in o   i ls   c lr t n Se s ri  mp c in De r e Me s r   pi t   f r e s Ac ee a i   n o   Co a t   g e   a u e c o W e o n o
X也 Xi- a   n rn

(co]f rfc dTasot o , hnqn  at gU vri , h nqn   0 7 , h a  S ho oTa    r pr tn C o gig i o   n es yC og ig 0 0 4 C i ) i a n n a i Jon i t 4 n

b t t T el t o  i ut i stn i a   ̄k A src :h mi tno dfcl    eigwr  dh ig ̄l  xsi  ecmpc o er  e t     a   l r h haot   a i a i f i yn t en n i ei  t   y t tnh o at nd ge d t o i r dr l   i   pe i e e rn o o e w c d d c
i egt r yt   h wr e   cl ao   srT s a   i   w r po   o te nt cn  o p i  er d t o t t wr a e  s m wt  i l s ce rtnsno. i ppr r gfra  r et b u r o s ut gcm atnd ge e t   a  h s e i e a ei e s h   e bn o d j a  c r i c c o e e rh c
a o t c lr t nwi a e  y tm wi wi ls c c r t n sn o . d p a ee ai c o r eg t r s h s e h t r e sa de ai e s r e o   一   K ywo d Ac ee ain; i l s a c l r t ns n  ̄ W i l slc l a e ew r ; o a t nd ge ee tri o dr l r e r s: c lr t o W r e e c e ai e s e o e r e o a - r an t o k C mp c o e red t o n r a o l   es i c e

4   7


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