公路现场CBR值测试装置的研究

【内容摘要】利用传感器代替旧设备的应力环及百分表，并开发相应的软件系统使检测更直观，快捷，本文介绍了现场CBR值测试装置的研究。

【主题词 】 公路探伤装置研究

中图分类号： X734 文献标识码： A

公路现场CBR值是表示路基，路面基层材料强度指标的物理量，它是由美国加州公路局首先提出来的。CBR（califorma Beaning Ratio ）即加州承载比是指通过加载设备加载，将在一定的贯入量时测得的荷载压强与标准碎石压入相同贯入量时标准荷载压强的比值。公路现场CBR值是公路现场路基及路面基层材料强度的重要指标。我们再利用原省检测设备进行现场检测时发现它的操作非常繁琐，需要三个人同时读表，且人为影响较大。于是我们考虑利用传感器来代替旧设备的应力环及百分表，并开发相应的软件系统。是检测过程更加直观，快速，并使检测结果更加准确。对于公路现场CBR值测试装置的研究我们主要作了一下几方面的工作：

软件系统的开发

我们采用了功能强大的Visualc+ +编程环境，并采用全新的win32编程模式，在该模式下实现了数据采集。这种实现方法在windows95和windows98下非常稳定，而且它可以在windowsNT和windows2000以后更新的版本下实现数据采集。一般来说，数据采集的时间跨度比较长，如果采用单一线程的方式编写软件系统，在数据采集阶段由于机时完全被数据采集所占有，这期间程序不能再做别的工作，使用起来就像计算机停止工作一样。为了解决该问题，传统的DOS方式软件系统多采用中断方式，这种方式在DOS下比较有效，但是在windows下就不太稳定。本软件系统采用多线程技术，数据采集由一个独立线程完成，而其它界面由另一个独立线程完成，这样用户在数据采集时感觉不到数据采集所占占用机时。另一方面数据采集得到的数据与理论值有一定偏差，而且是不连续的。如果需要得到任何贯入量对应的压强值，就需要采用数据拟合和数据插值方法。本软件系统提供了三种不同的插值方法即折现逼近，样条差值和Bezier曲线。其中折现逼近最简单，它可以直接把采集的数据点连接起来。

控制箱的研制开发

在检测过程中，控制箱的功能主要是完成压力和位移信号的采集，处理及数据显示等，为了增大显示的信息量，实现良好的人机对流，在设计中我们采用了屏幕液晶显示。考虑到数据的输出和保存，我们采用了炜煌公司生产的宽行面板嵌入式微型打印机。由此在控制箱前面板，设置了液晶显示窗口和微打输出窗口。此外，为了完成其他控制功能，还设置有室内，野外，充电，复位键等若干个控制键。后面板则起到与电源，传感器，计算机等相连接的作用。其设置有电源插座，保险管，两路位移信号插头，一路信号插头以及与PC机通讯的插头。在控制箱电路设计中，主要包括力信号采集处理模块，位移信号采集模块，电源模块，CPU中央处理模块和液晶显示屏。

2.1力信号采集处理模块板的设计

主要是力传感器和一块A/D（Analong Derres）公司开发的AD652芯片。它是一种高速，高精度，同步V/F变换器，采用外接时钟脉冲决定满量程频率，并允许电压或电流输入，单电源或双电源均可工作。集电极开路输出，可与 TTL和CMOS电平兼容。由于AD652采用外部时钟驱动和电荷转换技术，所以该芯片具有高分辩率，高线性度，高稳定性和最佳转换时间。其主要性能指标均优于其他同行V/F变换器。

为了保证A/D转换的精度，除了采用高精度的A/D652包芯片外，我们还着重注意了三个方面的设计。

一个是光耦的选择上，选择了东芝公司的6N137.这种光耦隔离效果好，且有高的稳定性；

另一个是力信号的放大，选用高精度低漂移斩波稳零运放ICL7650，其的电阻全部选用0.01%精度的精密线绕电阻。

还有一个是在电源的配置上。电源全部相互独立并经DL_DC隔离，再通过稳压器稳压。经这样处理后的电源在供给A/D板上使用。

位移信号采集模块的设计

我们进行了位移传感器输出信号的分析。其输出信号引角为①电源1.5V②时钟脉冲（幅度为1.5V）③位移数据脉冲（幅度为1.5V）④信号及电源。时钟信号用于定时与同步，时钟串脉冲第二组对应位移实际数据。位移数据采用二进制形式。低位在前，高位在后，最高位为符号位。以上信号为非标准串行码。

由分析可知，信号幅度均为1.5V，而要使信号的处理符合TTL标准，则需要放大到5V左右，且放大部分电路需要高输出阻抗的特点，以减少后置电路所带来的影响。串行位移信号通过三片8位的带锁存的位移寄存器取或24位并行D转化成并行信号。时钟信号用于定时、集成片的工作时钟、片迭及发出其他控制信号的依据。我们采用了ATEML公司生产的先进的89C51作为数据采集、控制、数据处理及数据输出的核心芯片。输出数据标准RS—232串行输入到微机的COM1或其他RS—232标准的接口。

新旧设备的对比试验

我们通过对控制箱的设计和软件的开发，生产出一套可用于实际检测现场CBR值测试装置。在安装调度后长珲高速公路延吉—图门段路基和长白一级路安广—白城路段路基进行了样机与传统现场CBR测试仪的对比测试，其测试结果如表1。

表1延图段（28km）

智能化公路现场

通过以上31组测试结果的比较，两种不同测试装置测试结果的变异系数平均为2.2%，最大为4.4%。这远低于变异系数不大于12%的要求，符合平行试验的误差要求，其相关系数为0.998没有附加的系统误差。我们还利用新装置对多种土样在同一测点进行重复测量（压实度、含水率基本相同），其测试结果如表2：

表2

这四组测试结果的变异系数平均为3.2%，最大为5.8%，远低于变异系数不大于12%的要求，符合平行试验的要求，说明该装置的测量重复性好。

以上测试足以证明我们的装置符合规范要求，完全可以替代传统的公路现场CBR值测试仪器。而且其具有快速、准确。操作简便等特点。

由于本套装置留有与PC机的通讯接口并配有PC机上层软件，所以它可以完成数据采集、处理、制表绘图、查询和打印结果等功能。极大的方便了检测单位并缩短了由于人工处理数据而造成的工期延误。此套公路现场CBR值测试装置测试精度比较高，可以广泛应用于公路工程施工控制。其主要部件均根据规范制作，使用方便、可靠、如果能在广大公路建设单位和检测单位中推广，将会带来可观的社会效益和经济效益，推动我国公路建设的发展。