摊铺机非接触式超声波平衡梁的应用

摘 要：提高路面行车舒适性，减小车辆动态冲击对路面和车辆产生的破坏，是设计方和建设施工方一直追求的目标，这就需要进一步提高沥青路面的平整度。江苏省规范上对高等级沥青路面上面层平整度均方差要求不大于0.8mm[1]。超声波平衡梁的使用可以大大提高沥青混凝土施工平整度，本文通过对其原件等介绍，阐述了沥青混凝土摊铺机非接触式超声波平衡梁的基本原理及应用。

关键词：沥青混凝土；摊铺机；非接触；平衡梁

一、引言

随着我国经济的不断发展、人民生活水平的提高，对于高速公路等基础性建设事业的标准越来高。沥青路面施工不断提高各项技术指标，目前江苏相关规范要求压实度不小于98%（马歇尔密度），沥青路面上面层平整度的均方差不大于0.8mm[1]。路面平整度是高级公路质量评价的重要指标，传统的接触式平衡梁有着无法克服的缺陷和不足。为了全面提高路面平整度，非接触式超声波平衡梁技术得到广泛应用。

二、超声波测距系统

1.超声波测距原理

超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

2.超声波传感器

超声波传感器是实现声、电转换的装置，又称超声波探头或超声波换能器。这种装置能发射超声波和接收超声波，并转换成相应的电信号[2]。超声波传感器主要以超声波作为检测手段，产生超声波和接受超声波，它有发送器和接收器，一个超声波传感器也可具有双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

三、非接触式超声波平衡梁的优点

超声波平衡梁系统采用了数字式控制器，多个超声波传感器与控制器之间都以纯数字形式传送信号，信号传输方便、迅速、可靠，抗干扰能力强，使调平系统的综合性能得以大大提高。利用超声对目标进行检测有其独特的优点：超声波在传播时，方向性强，能量易于集中，几乎沿直线传播；超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离；超声波对色彩、光照度不敏感，对外界光线和电磁干扰不敏感，可以用于黑暗、有烟雾或灰尘、电磁干扰强等恶劣的环境中；超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。正因为超声波有着这些独特的优点，能够利用在摊铺机的自动找平系统中。

四、非接触式超声波平衡梁在实际工作中的应用

1.本文以SMC-8428长靴超声波平衡梁为例，来说明其研究与应用情况，安装示意图如下图所示：

2.工作原理

（1）非接触式超声波平衡梁是一种基于超声波测距原理进行工作的移动找平基准，检测超声主要是利用超声的信息载体作用，每个超声波探头分别测试探头到路面之间的距离，并上传控制盒，控制盒按预定算法处理这些数据，得到各个超声波探头到路面之间的平均距离。在传播过程中，测出超声脉冲从发射到接收经历的时间，如果确定传播介质的声速，就能计算出工作原理从探头到目标之间的距离，测距公式如下：

如图所示：其中L代表探头到地面的距离m；C代表声波在介质中的传播速度m/s；t代表声时s。

（2）SMC-8428长靴超声波平衡梁传感器精选了6个性能品质极高的进口大功率超声波探头同时测距，检测分辨率高，检测范围大，测量精度高。每个超声波探头分别测试探头到路面之间的距离，并上传控制盒，控制盒按预定算法处理这些数在操作工作前先利用超声波测距原理先设定1个基准面：在摊铺机每侧均朝下布置3个超声波传感器总成，每个总成含有6个探头，布置在左右两侧平衡梁，；首先探头发出声脉冲，声脉冲到达地面以后再以声速返回发射器，随后以地面为基准持续不断地测出地面与5个探头之间的距离，最后一步经过选择处理后对这些距离取平均值。5个独立探头同时工作，但是，只有 3 个接近实际检测值的测量值才会采用， 求得平均值，多探头超声波传感器工作示意图如下：

（3）在施工过程中，当摊铺机工作在不平坦的路面上的时候，与机架连接的牵引点也随着上下起伏变化。因此，摊铺机每一侧非接触式平衡梁上3个超声波传感器的平均高度和角度与工作前的设定值之间将会产生偏差。偏差信号经过DSP控制器综合处理以后，该系统通过控制电磁换向阀的油路流向来控制油缸活塞的上升和下降，通过改变高速开关阀的通断时间来控制油缸活塞的运动幅度，实现熨平板对路面波动的自动补偿，消除误差，以确保路面对平整度和厚度的要求。长靴超声波平衡梁及其平均功能，可作用于较长且不规则路面，如路面的坑凹部分将会被补偿，但单个传感器却无法达到这一效果。超声波滑靴组合可剔除较小的不规则值，较大的不规则值将会被 9 个检测值平均掉，这样使得数据更加精准。

3.影响测量精度的原因

超声波测距的精度受环境温度、发射角辐射范围和障碍物表面特性等因素的影响，例如在道路施工中，温度、风力、烟气等因素；其次超声波探头的数量越多，系统的找平精度越高；同时测量精度还与超声波的幅值、反射面的质地、反射与入射超声波之间的夹角有关。

对于受环境温度影响我们可以利用温度补偿和在探头下安装参考杆的方法来解决；对于发射角辐射范围可以通过软件的方法加以解决，在虚假反射波到来之前这段时间内禁止接收中断的发生，就可以避开虚假反射波带来的干扰。

五、结语

综上所述，本文针对传统接触式平衡梁技术的缺陷与不足，详细论述了现阶段应用比较广泛的非接触式平衡梁的工作原理与及系统构成、特点，能够为技术人员的全面提高施工质量，起到参考作用。

参考文献：

[1]江苏省高速公路沥青路面施工技术规范DB32/T1246―2008

[2]吴东鑫.新型实用传感器应用指南【M】北京，电子工业出版社，1998