一种瞬态面波路基检测系统及其检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种瞬态面波路基检测系统及其检测方法：由振动换能器、供电单元、数据采集系统、计算机数据接收处理系统构成；8个振动换能器沿直线摆放待测试路面上；计算机数据接收处理系统参数配置；敲击地面，产生瞬态面波振动信号；路面瞬态面波振动信号转化为电压信号传输给数据采集系统，电压信号经AD模数转换后发至计算机数据接收处理系统；数据以json格式保存并绘制波形图，完成一次采集；十次采集数据为一组；第1、2路振动换能器间距增大1m，开始下一组采集；所有数据导出，获得面波频谱图，获得面波频散曲线或时域波形，判断路面下是否存在空洞。本发明专利技术能激发并采集到公路的瞬态面波及路基的纵波信号，并对路基有无空洞进行检测和判断。

【技术实现步骤摘要】
一种瞬态面波路基检测系统及其检测方法
本专利技术属于瞬态面波路基勘探专用仪器
，更具体的说，是涉及一种瞬态面波路基检测系统及其检测方法。
技术介绍
随着地铁、各种管道、架空线入地等工程逐渐增多，多数工程在设计及施工时均将走线安排在公路下面，这造成了部分路基回填不密实使得路基受损，如果不及时进行预防和处理公路容易发生塌陷造成人员伤亡和经济损失。当前路基检测的主流方法是钻芯取样检测法，即利用工程钻机，将路面下一定深度的道路样本取出，通过对样本、沉渣和钻进难易程度等进行综合判断，以了解路面完整性、混凝土强度、沉渣厚度及持力层情况。但是这种取样法存在着样本覆盖范围小、容易遗漏隐蔽性强的病害等缺点，其检测结果并不足以代表整条道路的现有状况。此外，在取样的过程中需要封闭道路，影响道路运输的效率的同时还存在着一定的安全隐患，而钻芯后留下的空心会破坏路面的整体结构造成二次危害，不利于后期的养护工作。
技术实现思路
为了科学高效地对路基有无空洞及空洞区域和具体位置进行预判和精准定位，本专利技术提出一种更加便捷、高效、稳定的无损路基检测系统及其检测方法，即瞬态面波路基检测系统及其检测方法，采集人工锤击路面产生的瞬态面波数据，对采集到的瞬态面波数据进行计算分析，最终通过频散曲线及时域波形对路基有无空洞进行判断，为公路建设服务。本专利技术的目的可通过以下技术方案实现。本专利技术瞬态面波路基检测系统，由振动换能器、供电单元、数据采集系统、计算机数据接收处理系统构成，所述振动换能器与数据采集系统相连接，所述数据采集系统与计算机数据接收处理系统相连接，所述供电单元分别与振动换能器、数据采集系统、计算机数据接收处理系统相连接；所述振动换能器用于将接收到的路面瞬态面波振动信号转化为对应的电压信号传输给数据采集系统；在每次测量时，数据采集系统用于接收并存储振动换能器传输的数据，并将来自振动换能器的电压信号经过AD模数转换后发送至计算机数据接收处理系统；所述计算机数据接收处理系统用于接收数据采集系统传输的转换数据，并对数据进行处理和计算，使得用户查看检测分析结果，实现对道路表面及路基状况的实时检测；所述供电单元分别为振动换能器、数据采集系统、计算机数据接收处理系统提供稳定的电源。所述振动换能器设置为八个，分别与ADC采集模块连接，测量时沿直线等间距摆放在待测路面，利用粘性材料与地面耦合，第1路振动换能器与第2路振动换能器之间的距离应该大于实际探测深度的两倍；其中，第1路作为激发路，用于判断路面瞬态面波是否到达，其它7路仅用于接收数据；在激发路0.2m范围内敲击地面，产生人工震源激发的瞬态面波振动信号。所述数据采集系统由FPGA为控制器的数据采集板构成，包含电源模块、ADC采集模块、FPGA控制处理模块、数据存储模块、串口发送模块，所述电源模块分别与ADC采集模块、FPGA控制处理模块、数据存储模块、串口发送模块连接，所述FPGA控制处理模块还分别与ADC采集模块、数据存储模块、串口发送模块连接；所述电源模块分别为ADC采集模块、FPGA控制处理模块、数据存储模块、串口发送模块提供电源；所述FPGA控制处理模块用于启动数据采集系统、控制数据采集系统的各个模块，负责控制数据采集板的数据采集、传输过程；所述ADC采集模块采用16位精度模数转换器，同步采集各振动换能器的电压信号，将振动换能器传输的电压信号转换为数字信号；所述数据存储模块用于将ADC采集模块传输的数字信号存储，并在采样结束后将存储的数据读出，发送给串口发送模块；在FPGA控制处理模块的控制下，所述串口发送模块用于将数据存储模块发送的数据通过UART串口发送到计算机数据接收处理系统。所述ADC采集模块采用AD模数转换芯片，型号为AD7606模数转换芯片；所述FPGA控制处理模块采用FPGA芯片，型号为EP4CE6E22C8N；所述数据存储模块采用SRAM存储芯片，型号为IS62WV51216；所述电源模块由AMS1117-3.3、AMS1117-2.5和AMS1117-1.2电源芯片组成，将输入的5V降压到3.3V、2.5V、1.2V，所述AMS1117-3.3电源芯片分别为AD模数转换芯片、FPGA芯片、SRAM存储芯片提供3.3V电压，所述AMS1117-2.5和AMS1117-1.2电源芯片分别为FPGA芯片提供2.5V和1.2V电压。所述计算机数据接收处理系统由串口接收单元、数据存储单元、参数设置单元、图像绘制单元构成；所述串口接收单元用于与所述数据采集系统进行通信，接收测量数据；所述数据存储单元用于数据文件的保存与过往测量数据的查看；所述参数设置单元用于现场测量参数设定；所述图像绘制单元用于在接收数据后将各个振动换能器的测量数据曲线的实时绘制。本专利技术的目的还可通过以下技术方案实现。本专利技术瞬态面波路基检测系统的检测方法，包括以下过程：第一步：将8个振动换能器沿直线摆放在待测试的路面上，利用粘性材料使振动换能器与路面耦合，每个振动换能器之间的间距均为1m；第二步：对计算机数据接收处理系统进行参数配置，包括串口号、波特率、数据量；计算机数据接收处理系统共提供三种波特率，分别是：9600bps、115200bps、460800bps；第三步：在第1路振动换能器0.2m范围内敲击地面，人工激发震源，产生人工震源激发的瞬态面波振动信号；第四步：振动换能器接收到的路面瞬态面波振动信号转化为对应的电压信号传输给数据采集系统，数据采集系统接收并存储振动换能器传输的数据，并将电压信号经过AD模数转换后发送至计算机数据接收处理系统；第五步：计算机数据接收处理系统将数据采集系统传送的数据以json的文件格式保存并现场绘制波形图，至此完成一次采集；第六步：重复第三步、第四步、第五步，直至采集十次数据，并以十次采集到的数据为一组进行保存；第七步：第一组采集完成后，根据数据采集系统每个通道采集到面波间的时差将第1路振动换能器和第2路振动换能器之间的距离增大1m，重复第三步至第六步开始下一组的采集，直到最后3路振动换能器接收到的信号波动范围在0.02V以内；第八步：利用MATLAB将所有数据导出，计算获得面波的频谱图，通过相位法或矩阵法获得面波的频散曲线或时域波形，判断路面下是否有空洞的存在。与现有技术相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：(1)本专利技术具有很强的便捷性。本专利技术方便携带及检测，而现有仪器过于笨重。(2)本专利技术有较高的采样频率。目前使用较为广泛的仪器采样频率最高为100kHz，本专利技术的最高采用频率可达到200kHz。(3)本专利技术操作简单且成本低，有较强的实用性，能够大范围使用。附图说明图1是本专利技术瞬态面波路基检测系统的示意图；图2是本专利技术中数据采集系统的示意图；图3是本专利技术中计算机数据接收处理系统的示意图；图4是本专利技术在平台下没有土层支持时实验得到的波形图；图5是本专利技术在有土层支持时实验得到的波形图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种瞬态面波路基检测系统，其特征在于，由振动换能器、供电单元、数据采集系统、计算机数据接收处理系统构成，所述振动换能器与数据采集系统相连接，所述数据采集系统与计算机数据接收处理系统相连接，所述供电单元分别与振动换能器、数据采集系统、计算机数据接收处理系统相连接；/n所述振动换能器用于将接收到的路面瞬态面波振动信号转化为对应的电压信号传输给数据采集系统；在每次测量时，数据采集系统用于接收并存储振动换能器传输的数据，并将来自振动换能器的电压信号经过AD模数转换后发送至计算机数据接收处理系统；所述计算机数据接收处理系统用于接收数据采集系统传输的转换数据，并对数据进行处理和计算，使得用户查看检测分析结果，实现对道路表面及路基状况的实时检测；所述供电单元分别为振动换能器、数据采集系统、计算机数据接收处理系统提供稳定的电源。/n

【技术特征摘要】
1.一种瞬态面波路基检测系统，其特征在于，由振动换能器、供电单元、数据采集系统、计算机数据接收处理系统构成，所述振动换能器与数据采集系统相连接，所述数据采集系统与计算机数据接收处理系统相连接，所述供电单元分别与振动换能器、数据采集系统、计算机数据接收处理系统相连接；
所述振动换能器用于将接收到的路面瞬态面波振动信号转化为对应的电压信号传输给数据采集系统；在每次测量时，数据采集系统用于接收并存储振动换能器传输的数据，并将来自振动换能器的电压信号经过AD模数转换后发送至计算机数据接收处理系统；所述计算机数据接收处理系统用于接收数据采集系统传输的转换数据，并对数据进行处理和计算，使得用户查看检测分析结果，实现对道路表面及路基状况的实时检测；所述供电单元分别为振动换能器、数据采集系统、计算机数据接收处理系统提供稳定的电源。


2.根据权利要求1所述的瞬态面波路基检测系统，其特征在于，所述振动换能器1设置为八个，分别与ADC采集模块连接，测量时沿直线等间距摆放在待测路面，利用粘性材料与地面耦合，第1路振动换能器与第2路振动换能器之间的距离应该大于实际探测深度的两倍；其中，第1路作为激发路，用于判断路面瞬态面波是否到达，其它7路仅用于接收数据；在激发路0.2m范围内敲击地面，产生人工震源激发的瞬态面波振动信号。


3.根据权利要求1所述的瞬态面波路基检测系统，其特征在于，所述数据采集系统由FPGA为控制器的数据采集板构成，包含电源模块、ADC采集模块、FPGA控制处理模块、数据存储模块、串口发送模块，所述电源模块分别与ADC采集模块、FPGA控制处理模块、数据存储模块、串口发送模块连接，所述FPGA控制处理模块还分别与ADC采集模块、数据存储模块、串口发送模块连接；
所述电源模块分别为ADC采集模块、FPGA控制处理模块、数据存储模块、串口发送模块提供电源；所述FPGA控制处理模块用于启动数据采集系统、控制数据采集系统的各个模块，负责控制数据采集板的数据采集、传输过程；所述ADC采集模块采用16位精度模数转换器，同步采集各振动换能器的电压信号，将振动换能器传输的电压信号转换为数字信号；所述数据存储模块用于将ADC采集模块传输的数字信号存储，并在采样结束后将存储的数据读出，发送给串口发送模块；在FPGA控制处理模块的控制下，所述串口发送模块用于将数据存储模块发送的数据通过UART串口发送到计算机数据接收处理系统。


4.根据权利要求3所述的瞬态面波路基检测系统，其特征在于，所述ADC采集模块采用AD模数转换芯片，型号为AD7606模数转换芯...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈建国，王春启，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12