一种基于埋入式振动传感的压实度监测方法、设备、介质

1.本发明涉及埋入式振动传感领域，尤其是涉及一种基于埋入式振动传感的压实度监测方法、设备、介质。


背景技术：

2.路面压实度是评价路面施工质量的重要控制指标，对路面结构的使用性能和使用寿命具有重要影响，因此利用先进技术手段对水泥稳定碎石、沥青混凝土等路面结构的压实度进行准确、快速、全面的检测，具有重要的研究意义和工程应用价值。
3.传统的压实度检测方法多为有损检测，即在路面压实完成后钻芯测量其密度等指标。近年来，压实度检测技术的发展呈现“两极分化”，一类是高精度的无损检测技术，包括无核密度仪等，通过同位素放射源检测方法对路面结构的密度进行测量，但该方法仅适用于点式检测，无法实现连续实时测量，难以对路面结构的压实度进行全面的评估；另一类是智能压实技术，通过振动传感等技术，测量压路机实时压实过程的加速度信号，间接评估路面结构的压实度，该方法可实现连续实时测量，但由于其是通过压路机设备的振动对路面结构压实度进行反算，影响因素多，导致压实度预测精度有限。
4.中国专利申请号cn201510741518.5公开了一种基于光纤光栅传感的沥青路面压实监测方法，涉及沥青路面施工过程压实度质量控制领域。通过在被监测沥青层的下层植入光纤光栅竖向应变传感器与温度传感器；将光纤光栅竖向应变传感器与光纤光栅解调仪对接，摊铺被监测层沥青混合料；压路机碾压的同时收集光纤光栅竖向应变传感器传出的信息；提取光纤光栅竖向应变传感器的应变响应峰值随碾压次数变化曲线，经过曲线微分得到压实判别指标sdi，当sdi连续两次接近0时，停止碾压，完成沥青路面的压实监测。
5.上述申请基于相邻三次碾压下的应变响应的应变谷值计算判别指标sdi以实现压实度的监测，但是，仅根据谷值对压实度进行评价丢失了应变响应的较多信息，同时也无法从实际物理量反映压实程度。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于埋入式振动传感的压实度监测方法、设备、介质，以实现压实度的准确监测。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.本发明的一个方面，提供了一种基于埋入式振动传感的压实度监测方法，包括如下步骤：
9.获取埋入式振动传感器的采样数据、振动载荷幅频数据以及已经施加振动载荷次数，针对所述采样数据，通过频谱分析及峰值搜索获取多阶主频及对应的幅值，利用预先构建好的回归关系计算压实度的预测值，实现压实度监测，
10.其中，所述回归关系的构建过程包括如下步骤：
11.基于多次施加振动载荷的过程中每次施加载荷的实际测量的压实度值和多阶主
频及幅值，以及振动载荷的振动频率和激振力幅度构建所述回归关系。
12.作为优选的技术方案，基于所述振动频率与各次施加振动载荷时的各阶主频的比值，以及所述激振力幅度与各次施加振动载荷时的各阶主频对应幅值的比值，构建所述回归关系。
13.作为优选的技术方案，在获取埋入式振动传感器的采样数据以及振动载荷幅频数据之后，还包括：
14.对所述采样数据以及所述振动载荷幅频数据进行时空配准，并进行去趋势项处理。
15.作为优选的技术方案，所述的埋入式振动传感器埋设在待压实路面结构中。
16.作为优选的技术方案，所述的压实度实际测量值通过钻芯取样、核子密度仪或无核密度仪获取。
17.作为优选的技术方案，通过峰值搜索获取多阶主频及对应的幅值。
18.作为优选的技术方案，通过傅里叶变换、功率谱分析或小波分析实现所述的频谱分析。
19.作为优选的技术方案，所述的振动载荷为工作在振动压实状态下的单钢轮压路机或双钢轮压路机。
20.本发明的另一个方面，提供了一种基于埋入式振动传感的压实度监测设备，包括：
21.多个振动感知模块，布设在待压实路面结构本体内，包括传感光纤以及用于固定所述传感光纤的固定器，振动感知模块之间通过光纤传输段连接；
22.信号解析模块，与所述多个振动感知模块连接，用于获取采样数据，从振动式压路机获取振动载荷幅频数据以及已经施加振动载荷次数，并针对所述采样数据，通过频谱分析及峰值搜索获取多阶主频及对应的幅值，利用预先构建好的回归关系计算压实度的预测值，实现压实度监测，其中，所述回归关系的构建过程包括如下步骤：
23.基于多次施加振动载荷的过程中每次施加载荷的实际测量的压实度值和多阶主频及幅值，以及振动载荷的振动频率和激振力幅度构建所述回归关系。
24.本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行上述基于埋入式振动传感的压实度监测方法的指令。
25.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
26.(1)实现压实度的准确监测：不同于现有方法基于相邻三次碾压下的应变响应的应变谷值计算判别指标sdi以实现压实度的监测，本发明预先在相同路面相同压路机的场景下基于实际测量的压实度值以及多次碾压下的多阶主频及对应幅值构建回归关系，再基于采集的采样数据、振动载荷幅频数据以及压实次数，使用回归关系预测压实度，通过构建压实度与不同压实次数、不同主频的回归关系，实现压实度的准确监测。
27.(2)应用场景广泛：本发明结合光纤传感技术，提供了一种基于埋入式振动传感的压实度监测方法，可实现道路施工过程中路面压实度的大范围快速检测，由于回归关系最终预测的是压实度的预测值而非自定的指标，能够方便进行后处理操作。
附图说明
28.图1为实施例中基于埋入式振动传感的压实度监测方法的流程图；
29.图2为分布式光纤振动传感数据的解析流程；
30.图3为实施例中基于埋入式振动传感的压实度监测设备的示意图；
31.图4为实施例中振动传感光纤的串联连接示意图；
32.图5为实施例中振动传感光纤的并联连接示意图，
33.其中，1、待压实路面结构本体，2、振动感知模块，21、振动传感光纤，22、固定装置，3、光纤传输段，4、信号解析装备，5、振动式压路机。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
35.实施例1
36.本实施例提供了一种基于埋入式振动传感的压实度监测方法，以对路面压实度进行快速监测和评估，根据振动传感光纤所采集的振动数据、振动式压路机的作业信息，对待压实路面结构的压实度指标进行预估。
37.本实施例所提供的基于埋入式振动传感的压实度监测方法如图1所示，可以包括：
38.s1，提供待监测的路面结构本体的分布式光纤振动传感数据和振动式压路机的激振力幅值mc、振动频率fc数据；
39.s2，利用频谱分析对步骤s1中分布式光纤振动传感数据进行解析，计算其第1、2、3阶主频f1,f2，f3和对应的幅值m1，m2，m3。频谱分析方法为傅里叶变换、功率谱分析、小波分析中的一种。参见图2，具体步骤可进一步细分为：
40.s21，将分布式光纤振动传感数据与振动式压路机状态数据进行时空配准。
41.s22，将分布式光纤振动传感数据进行切分采样，切分的时间长度可选为1～2s，包含至少1000个采样点数。
42.s23，对步骤s22提供的切分样本数据进行去趋势项预处理。
43.s24，根据步骤s23提供的预处理后的切分采样样本，利用频谱分析方法对样本数据进行解析，得到其频谱分布数据。频谱分析方法可以为傅里叶变换、功率谱分析、小波分析中的一种。
44.s25，根据频谱分布数据，通过峰值搜索，提取其1、2、3阶主频f1、f2、f3，并提取对应的幅值m1，m2，m3。
45.s3，在相同路面相同压路机的场景进行设计试验，采用振动式压路机对待压实路面结构本体施加振动荷载，采用钻芯取样、核子密度仪、无核密度仪中的一种方法分别测量施加1次、2次
……
10次振动荷载后的压实度指标k1,k2……k10
，并根据步骤s2计算对应的主频(f
i-j
，i为主频阶数，j为测量次数)和幅值(m
i-j
，i为主频阶数，j为测量次数)。
46.s4，根据步骤s3中计算的主频和幅值，计算施加1次、2次
……
10次振动荷载后对应各阶主频f
i-j
与振动压路机振动频率fc的比值r
f-i-j
和对应各阶幅值与m
i-j
激振力幅值mc的
比值r
m-i-j
，如下所示：
[0047][0048][0049]
s5，采用多元线性回归，计算压实度指标k与各阶主频比值r
f-i-j
、各阶幅值比值r
m-i-j
的回归关系，如下所示，其中a
ij
,b
ij
,c为拟合参数。
[0050]
k＝a
ijrf-i-j
+b
ijrm-i-j
+c
[0051]
s6，采集埋入式振动传感器的采样数据、振动载荷幅频数据以及已经施加振动载荷次数，根据步骤s5所得到的回归关系，计算待压实路面结构本体的压实度指标，以提供待压实路面结构本体的压实状态。
[0052]
不同于现有方法基于相邻三次碾压下的应变响应的应变谷值计算判别指标sdi以实现压实度的监测，本发明预先在相同路面相同压路机的场景下基于实际测量的压实度值以及多次碾压下的多阶主频及对应幅值构建回归关系，再采集的采样数据、振动载荷幅频数据以及压实次数，使用回归关系预测压实度，通过构建压实度与不同压实次数、不同主频的回归关系，实现压实度的准确监测。
[0053]
实施例2
[0054]
本实施例提供了一种基于埋入式振动传感的压实度监测设备，包含的部分如附图3所示，主要包括待压实路面结构本体1、振动感知模块2、光纤传输段3、信号解析装备4、振动式压路机5五个部分。其中，振动感知模块1固定于待压实路面结构本体内部，用于感知待压实路面结构的振动状态。光纤传输段2用于连接相邻的振动感知模块，其连接的方式可以是串联连接或并联连接。振动感知模块经光纤传输段3进行连接后，最终接入信号解析装备4上，进行数据采集和解析。振动式压路机5作用于待压实路面结构本体1上，对结构施加振动荷载。该系统通过采集振动荷载作用下的待压实路面本体的分布式振动特征，并通过相应的计算分析，可用以评价路面结构的压实度。
[0055]
本实施例所提供的待压实路面结构本体1通常可以为水泥稳定碎石结构或沥青混凝土结构，此两类结构均需要采用压路机进行振动压实，以保证路面结构的强度和模量指标。振动感知模块2布设于待压实路面结构本体1内，振动感知模块2具体由振动传感光纤21和固定装置22构成。振动感知传感光纤21通常采用单模铠装光缆，具备分布式振动感知能力，以避免在铺筑过程中产生断裂损坏。固定装置22用于将振动传感光纤21固定于待压实路面结构1本体内，通常采用销钉固定或环氧树脂固定两种方式，固定的间距通常在30～50cm之间，以避免在外部荷载作用下振动传感光纤21发生推移。振动传感光纤在待压实路面结构1中的平面排布方式通常为直线型、折线型、s型、曲线型、螺旋线型中的一种或多种的组合。排布方向与所述振动压路机的行进方向一致。相邻振动传感光纤的横向间距小于振动式压路机5的宽度。
[0056]
振动感知模块2可采用串联或并联的方式，经由光纤传输段2进行连接并接入信号解析装备4，串联和并联方式分别如图4和5所示。当采用并联方式时，信号解析装备4应具备多通道测量能力。所述光纤传输段2同样采用铠装光缆，避免压实过程中受荷载影响导致断裂。
[0057]
信号解析装备5为分布式振动测量设备。合适的信号解析装备对于本领域技术来说应是已知的。分布式振动测量设备可通过测量振动传感光纤21内部后向散射光的相位变化，可以反应振动测量光纤在外部荷载作用下的振动状态，包括其振幅大小和振动频率。为保证数据的可靠性，分布式振动测量设备的采集频率至少达到1000hz。信号解析装备5外接工控机进行数据处理，工控机内储存有执行实施例1中基于埋入式振动传感的压实度监测方法的指令。
[0058]
振动式压路机5可采用单钢轮压路机、双钢轮压路机中的一种，在对待压实路面结构本体施加振动荷载时，需采用振动压实模式。
[0059]
实施例3
[0060]
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行入实施例1所述基于埋入式振动传感的压实度监测方法的指令。
[0061]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种基于埋入式振动传感的压实度监测方法，其特征在于，包括如下步骤：获取埋入式振动传感器的采样数据、振动载荷幅频数据以及已经施加振动载荷次数，针对所述采样数据，通过频谱分析及峰值搜索获取多阶主频及对应的幅值，利用预先构建好的回归关系计算压实度的预测值，实现压实度监测，其中，所述回归关系的构建过程包括如下步骤：基于多次施加振动载荷的过程中每次施加载荷的实际测量的压实度值和多阶主频及幅值，以及振动载荷的振动频率和激振力幅度构建所述回归关系。2.根据权利要求1所述的一种基于埋入式振动传感的压实度监测方法，其特征在于，基于所述振动频率与各次施加振动载荷时的各阶主频的比值，以及所述激振力幅度与各次施加振动载荷时的各阶主频对应幅值的比值，构建所述回归关系。3.根据权利要求1所述的一种基于埋入式振动传感的压实度监测方法，其特征在于，在获取埋入式振动传感器的采样数据以及振动载荷幅频数据之后，还包括：对所述采样数据以及所述振动载荷幅频数据进行时空配准，并进行去趋势项处理。4.根据权利要求1所述的一种基于埋入式振动传感的压实度监测方法，其特征在于，所述的埋入式振动传感器埋设在待压实路面结构中。5.根据权利要求1所述的一种基于埋入式振动传感的压实度监测方法，其特征在于，所述的压实度实际测量值通过钻芯取样、核子密度仪或无核密度仪获取。6.根据权利要求1所述的一种基于埋入式振动传感的压实度监测方法，其特征在于，通过峰值搜索获取多阶主频及对应的幅值。7.根据权利要求1所述的一种基于埋入式振动传感的压实度监测方法，其特征在于，通过傅里叶变换、功率谱分析或小波分析实现所述的频谱分析。8.根据权利要求1所述的一种基于埋入式振动传感的压实度监测方法，其特征在于，所述的振动载荷为工作在振动压实状态下的单钢轮压路机或双钢轮压路机。9.一种基于埋入式振动传感的压实度监测设备，其特征在于，包括：多个振动感知模块，布设在待压实路面结构本体内，包括传感光纤以及用于固定所述传感光纤的固定器，振动感知模块之间通过光纤传输段连接；信号解析模块，与所述多个振动感知模块连接，用于获取采样数据，从振动式压路机获取振动载荷幅频数据以及已经施加振动载荷次数，并针对所述采样数据，通过频谱分析及峰值搜索获取多阶主频及对应的幅值，利用预先构建好的回归关系计算压实度的预测值，实现压实度监测，其中，所述回归关系的构建过程包括如下步骤：基于多次施加振动载荷的过程中每次施加载荷的实际测量的压实度值和多阶主频及幅值，以及振动载荷的振动频率和激振力幅度构建所述回归关系。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括供电子设备的一个或多个处理器执行的一个或多个程序，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1-8任一所述基于埋入式振动传感的压实度监测方法的指令。

技术总结
本发明涉及一种基于埋入式振动传感的压实度监测方法、设备、介质，方法包括如下步骤：获取埋入式振动传感器的采样数据、振动载荷幅频数据以及已经施加振动载荷次数，针对所述采样数据，通过频谱分析及峰值搜索获取多阶主频及对应的幅值，利用预先构建好的回归关系计算压实度的预测值，实现压实度监测，其中，所述回归关系的构建过程包括如下步骤：基于多次施加振动载荷的过程中每次施加载荷的实际测量的压实度值和多阶主频及幅值，以及振动载荷的振动频率和激振力幅度构建所述回归关系。与现有技术相比，本发明通过构建压实度与不同压实次数、不同主频的回归关系，实现压实度的准确监测。测。测。


技术研发人员：向晖 董晨阳 杜豫川 沈宾宾 胡洁 钟山 陈菁 吴荻非
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/9/6