车载落锤式弯沉仪

设备的主要技术参数、功能和特点；

2.1.JSTRI-FWD-2000落锤式弯沉仪产品简介

1）概述

JSTRI-FWD-2000型落锤式弯沉仪是由江苏省交通科学研究院自主研制的用于路面结构强度检测的自动弯沉测量系统，被列入江苏省科学技术厅2003年度江苏省科研院所技术开发专项，产品性能达到了国内先进水平，并获得中国实用新型zhuanli（ZL200620068519.4）。其通过液压系统提升重锤至设定高度后，释放重锤，重锤做自由落体运动，冲击放置于被测路面上的承载板，使被测路面产生Y定的形变量，同时数据采集控制器采集与路面紧密接触的弯沉传感器测量的地面形变量以及荷载传感器测量的冲击力，系统还可以采集空气温度、被测路面温度以及沥青温度，这些数据被记录在数据采集分析处理软件的数据库中，并由该软件进行后续的分析处理，系统可以记录Z长达120ms的时程数据。利用汽车发动机和辅助的蓄电池给设备供电，保证设备的正常运行，无需使用外部电源对蓄电池充电。高灵敏度的DMI距离测量系统不仅能准确测量车辆行驶的距离，还可以换算出当前行车速度，它在车辆低速和高速行驶时都能工作，可以满足设备在检测过程中确定测点位置的需要。

2）系统特点

JSTRI-FWD-2000型落锤式弯沉仪是全自动的弯沉测量系统，其具有如下特点：

l 弯沉检测精度高、速度快，达到了国J同类产品水平

性能稳定，弯沉和荷载测量重复性达到1.0 %。重锤提升高度由高精度的非接触式距离传感器实时采集，控制系统可根据用户输入的荷载和预先建立的数学模型自动地在0~400mm范围内任意设置重锤提升高度，产生12~120kN的冲击载荷，足以满足用户对大多数路面的弯沉检测要求。

本产品每检测一个点整个过程仅需27秒，工作效率高，已超过了国J上同类的先进产品。

l 配有自主研发的数据处理软件，专业实用

专业化的数据分析软件能够实现弯沉数据归一化处理、与贝克曼梁数据转换系数计算、路基与路面弹性模量反算（多点式）、水泥路面接缝传荷能力评价（多点式）等功能。

l 操作简便，自动化程度高

“一键式”操作的设计理念使得整个操作过程在车内就能完成。系统工作的过程是自动的，用户在工作时仅需通过便携计算机的键盘或鼠标在即可完成对设备的全部操作，包括对承载板的安全锁定。

l DMI距离检测系统能够自动记录每个检测点的位置，不需人工干预

系统搭载有准确的DMI距离传感器，并由控制主机统一控制。通过放置在驾驶台上的距离显示器来显示测点之间的距离和累计距离，并且对驾驶员提供声音提示。距离显示器和数据采集控制器之间采用无线通信。安装在承载车辆轮胎上

的DMI传感器随轮胎每旋转一周可至少产生多个轮脉冲，定位精度可以准确到厘米，该距离传感器已经升级为内置式安装方式，相比外置式更安全、更可靠。

l 系统具有故障自诊断能力，维修方便

数据采集控制器每一次启动时都要进行系统自检，自检内容包括CPU、RAM、AD参考电压、以及USB通信；在系统工作时若出现故障，数据采集控制器会根据安装在落锤系统上的各传感器状态判断故障可能存在的部位，并提交给操作用便携式计算机，数据采集软件则以对话框的方式将其显示在计算机的屏幕上，供操作人员参考。

系统自诊断功能

l 系统设有安全自锁功能，确保了产品在车辆高速行驶时的安全

本系统特别设计了安全联锁机构、机械锁止机构，在不符合测试条件时，实现对机械系统的自动锁定，有效防止了产品在车辆高速行驶、以及人员误操作造成的产品损坏。

l 拥有国内一套按M国标准构建的落锤式弯沉仪J对标定系统，确保产品检测数据的准确性与重复性

落锤式弯沉仪中的弯沉传感器及荷载传感器，由于自身设计原理的原因，随着使用时间的增加，以及使用环境的影响，如温度变化、车辆振动等，它们的标定参数会发生漂移，结果将导致检测数据不准。如果不及时进行重新校准，检测数据的准确性将得不到保障，直接影响检测工作的公正性。

在M国，政府共建有4个落锤式弯沉仪J对标定检定站，每年强制对在用的落锤式弯沉仪进行标定，目的就是为了确保落锤式弯沉仪检测数据的正确性，没有通过检测标定的落锤式弯沉仪将不能使用。

目前国内对落锤式弯沉仪J对标定的重要性尚认识不足，包括国外Z先进的落锤式弯沉仪生产厂商在国内都没有配备J对标定系统，可以说我公司在国内开了落锤式弯沉仪J对标定的先河。

我公司在参考欧共体及M国落锤式弯沉仪标定技术标准的基础上，在M国学者陈大豪博士的指导下自主开发出了一套落锤式弯沉仪J对标定系统，并已投入使用。J标定系统的使用有力地保证了我公司产品的质量，尤其为所售产品使用中的检测数据正确性，提供了技术保障。

3)系统功能及性能指标

3.1系统功能

3.2主要性能指标

1、单点定位功能：测量点包含GPS坐标信息

2、落锤锤击位置视频监控功能                 

3、每点测试时间（s）—— ＜28                             

4、弯沉传感器类型 ——地震波检波器（符合规范要求速度传感器）                   

5、弯沉传感器个数 —— 1（可扩展至7只）                          

6、弯沉量程（um）——≥±2500 （可扩展至3500um）                         

7、弯沉分辨率（um）—— ≤1                                  

8、弯沉精度（%）—— ≤±2                                     

9、弯沉重复性（%）—— ≤±1                                   

10、液压泵电动机功率（Kw）—— ＜ 1KW                       

11、荷载传感器个数 —— 1                                  

12、荷载量程（kN）—— 12～120（可扩展）               

13、荷载脉冲形状 —— 半正弦波                              

14、荷载精度（%）—— ≤±1                                     

15、荷载重复性（%）—— ≤±1                                   

16、荷载承载盘 —— 独立4分盘双球头结构（满足坡道检测要求）  

17、温度传感器类型 —— 铂点阻体+红外探头                   

18、温度传感器个数 —— 2                                   

19、温度量程（℃）—— -20～100                             

20、温度分辨率（℃）—— ≤0.1                                

21、温度精度（%）—— ≤±0.5                                   

22、DMI 传感器类型 —— 车载内置式脉冲编码器                          

23、DMI 传感器个数 —— 1                                   

24、DMI 分辨率（m）—— ≤0.5                                 

25、DMI 精度（%）—— ≤±0.1                                   

26、提锤方式 —— 液压                                      

27、设备供电方式：液压泵电动机工作电压为直流12V（与汽车发电机匹配，满足蓄电池浮充要求）                                           

28、操作软件要求

1）状态提示功能                                          

2）故障提示功能（提示故障代码）                                        

3）语音提示功能

4）数据能“归一化”处理

5）能与贝克曼梁数据进行相关性拟合

6）能显示弯沉时程曲线

7）检测原始数据防改写功能，确保原始数据的真实性。

3.3产品主要部件配置表

说明：打“*”根据系统配置，弯沉传感器数量可增加到7～9只。
4）系统结构

JSTRI-FWD-2000落锤式弯沉仪主要包括以下几个部分：

l 落锤系统（含液压泵站）

l 数据采集控制器

l 数据采集分析处理软件

l 弯沉传感器和荷载传感器

l 手动操作面板

l 测点位置确定装置

4.1 落锤系统

JSTRI-FWD-2000的落锤系统是整个系统的关键机械部件，它被设计成一个独立的整体，安装在底座上的悬挂支架由4mm钢板经折弯拼焊加工为4边形型材，具有强大的承载能力，在支架上通过两条提升油缸悬挂承载板及重锤，承载板中心安装有重锤提升油缸，该提升油缸顶部装有液压控制的掣制机构，重锤的提升与释放由该机构完成。底座两侧安装有由液压控制的机械锁定装置，通过直径20mm的销轴实现对承载板的物理锁定。落锤系统液压泵站的液压阀、电机等组件均为美、德等国原厂进口件，具有高的可靠性与稳定性。落锤系统底部的加载盘为四分盘设计，在车辙路面可以保证其G好地贴近路面。落锤系统见右图。

4.2 传感与控制

JSTRI-FWD-2000是全自动的弯沉测量系统，除安装有须的弯沉传感器和荷载传感器外，还安装有大量的传感检测元件，以便作为控制系统的反馈，使控制器容易判断系统的当前状态。

JSTRI-FWD-2000安装有下列模拟量传感器：

l 弯沉传感器

l 荷载传感器

l 温度传感器（3支，分别用于检测环境、路面、沥青温度）

l 重锤高度传感器

l 压力传感器

JSTRI-FWD-2000安装有下列数字量传感器：

l 重锤提升上限传感器

l 重锤下落传感器

l 承载板高位传感器

l 承载板低位传感器

l 液压系统压力高传感器

l 锁定机构锁销位置传感器

l DMI距离传感器

系统配置有专用的数据采集控制器，它可以实时接收便携计算机的指令，并根据各传感器的状态控制落锤系统做出相应的动作，如升盘、落盘、升锤、落锤、锁定、解除锁定等。

4.3.1采集系统功能介绍

JSTRI-FWD-2000配有便携式计算机，用于操作人员对系统进行控制以及分析处理数据采集控制器所采集的数据，数据采集控制器能够以Z多每秒十万次的速率实时地采集各传感器所输出的微小的电信号，当JSTRI-FWD-2000满配置9只弯沉传感器时（拖车多点式），对每一个弯沉通道以及荷载通道的采集速率为每秒钟一万次。

上图为FWD采集系统的主界面，界面分为功能菜单条以及信息显示两大区域。在信息显示区域主要显示温度、位置、设备状态、FWD动作提示以及采集数据等信息内容。

FWD采集系统主要功能包括：

l 建立数据保存文件

l 关闭数据保存文件

l 测试参数设置

l 距离标定

l 查看电压及采集波形信息

4.3.2采集系统功能介绍

l 采集数据的自动导入功能

即接受JSTRI-FWD2000数据采集系统的采集结果，并对采集数据进行初步筛选的功能，采集数据时往往在一个测点上采集n（n≥1）锤的数据，初步筛选时须确定是选取某一锤的数据还是取所有锤数据的平均值做为后期数据处理时该测点的代表数据。

l 数据的归一化处理

由于支撑条件的差异，即使相同的落锤高度，作用在FWD承载板上的荷载也是不同的。为了使FWD的弯沉值对应于标准荷载（50KN）下的贝克曼梁弯沉值，应对采集的弯沉数据做归一化处理，得出单点弯沉，归一化处理包括以下三项内容。

l 单点分布的统计

统计各个取值范围内的单点弯沉分布情况，取值范围允许用户自己定义，统计结果以柱状图的形式输出。

 l 计算代表弯沉

根据用户制定的评价范围、评价长度自动计算每个评价段内的代表弯沉，并且能够按照用户的要求选择是否剔除粗大误差。

l 数据导出

本系统能够将各类数据（包括原始检测数据、单点弯沉数据、单点分布统计数据、代表弯沉数据等等）以图片、excel表格的形式输出，如单点弯沉的分布散点图、单点分布的柱状图，以及各种中间数据的excel文件，便于检测用户后期编写检测报告时插入数据表格或是数据图形。

l 计算贝克曼粱转换系数

根据用户输入的FWD与贝克曼粱对比试验数据，自动计算二者的线性相关系数以及转换系数a、b。

l 模量反算软件

能够进行面层、基层、底基层、路基及以下四层模量的反算，能够剔除反算结果的特异值，且不受初值影响，多次反算结果稳定、可靠。

本系统基于落锤式弯沉仪路面结构层模量线弹性反演在某些情况下的不足之处，针对Winkler地基、弹性半空间地基及弹性多层地基模型引入了系统识别理论，并结合非线性Z小二乘优化研究了弹性地基多块板体系路面结构层材料刚度组成评定的有限元计算方法。通过将程序用于工程实际，验证了本程序的工程实用性。

系统主要运用路面结构响应分析建立起的路面弯沉理论模型，通过人工调整路面结构各层的弹性模量，使用逐步逼近的方式拟合已测得的路面弯沉盆，由此来确定路面结构各层弹性模量。该方法的分析过程为首先假设一组初始模量，计算出路表面的弯沉值，再与已测得的弯沉值进行比较，在此基础上调整各层的模量值，如此循环，Z终选定一套较为合适的模量值，使得计算的弯沉盆与实测弯沉盆能较好地拟合，则选定的模量即为路面结构各层的反算模量。本软件系统经多次重复测试，基本不受初始模量值的影响，反算结果收敛稳定，可靠性较高。

4.4 安全保障机构

l JSTRI-FWD-2000型落锤式弯沉仪具有安全联锁机构，在检测车辆的驻车制动器未被拉起的情况下，仪器无法工作，承载板不能被放下。

l JSTRI-FWD-2000型落锤式弯沉仪还具有机械锁止机构，通常机械锁止机构由手动控制按钮启动或解除，但在车辆行驶速度大于40km/h（可由程序设定）时，机械锁止系统可以自动完成对承载板的强制锁定，也可配置为每完成一次检测后提升承载板时自动锁定。

l 无论安全连锁机构或机械锁止机构工作时，都不影响数据分析软件的正常运行。

l 具有手动液压升盘装置，以保证在液压系统出现故障时，也能将加载盘手动升离路面，及时将设备从现场撤离。

4.5 手动操作

JSTRI-FWD-2000可以通过手动操作面板实现自动控制系统的全部功能，但不能进行数据的采集。当自动控制系统出现故障时，可以通过手动控制系统将设备恢复至运输状态，在设备调试时也需要使用该系统。

4．6 测点位置确定装置

JSTRI-FWD-2000采用高灵敏度的DMI距离测量系统来确定测点位置，它不仅能准确测量车辆行驶的距离，还可以换算出当前行车速度，它在车辆低速和高速行驶时都能工作，可以满足设备在检测过程中确定测点位置的需要，DMI的测量精度超过0.5%。它所获得的测点间距被自动写入弯沉数据表中，同时通过无线通讯的方式在前端距离显示器上显示。

5.1设备启动

首先将检测车停稳并拉起驻车制动器，将控制器USB连接线与计算机USB端口连接，打开操作台控制板上的电源，将动作旋钮旋至“自动”状态，随后启动数据采集计算机。

5.2参数设定

启动FWD数据采集系统，点击“开始采集”按钮，系统开始采集温度传感器和DMI传感器的数据。点击“落锤设置”菜单，主要进行落锤序列的设置，即在每个测点上需采集的总锤数，以及每一锤的提锤依据，提锤依据分为高度和荷载两种。提锤依据为高度时，系统直接按照用户设置的数值控制提锤；提锤依据为荷载时，系统根据一个荷载高度关系将用户设置的荷载值换算成高度值控制提锤。为得到准确的荷载高度关系，建议对每条道路在采集数据之前首先进行试锤试验，试锤试验包括两个步骤，一为在落锤设置界面上设置落锤总数为5，落锤依据均为高度，且5个高度有所不同，确定后，系统开始采集信息得到5锤的荷载及弯沉数据，随后进入下个环节（5.3所述）。

5.3荷载自动换算

点击“试锤”菜单，点击“计算”按钮，系统自动对刚刚所采集的5锤数据的高度和荷载值进行相关分析，得出关系公式和相关系数，得到用户的确认后，该关系将下载至控制器，用于控制提锤高度以得到用户设定的荷载值。

5.4开始检测

点击“弯沉检测”按钮系统进入测试序列，首先打开承载板锁定机构，放下承载板，按照设定的荷载提升重锤至相应高度，释放重锤，完成D一锤的数据采集，重复上述动作直至完成D一测试序列，升起承载板，锁定承载板。与此同时，在采集系统界面上同时能够看到各开关量和设备运行状态的提示信息，以及温度传感器的数据等等。整个测试序列完成后数据进行上传，系统初步处理后提示用户是否保存。

5.5数据存储

得到用户确认后，将测点序号、桩号、弯沉、温度以及采集时间等信息保存至用户指定的文件下面。

5.6设备复位锁定

为了保证仪器在行车过程中的安全，当完成一个测试点以后，程序启动锁止机构，完成对承载板的强制锁定；同时也可以防止在行车过程中工作人员对仪器的误操作。

5.7车辆行驶

车辆行驶时，DMI开始工作并在前端距离显示器显示行走距离，在逼近D二测点时，前端显示器会发出声音提示，直到驾驶员停下车辆，直接进行D二测点的测试。

5.8停车

到达下一测试点后，将检测车停稳并拉起驻车制动器，此时无需再对系统进行任何设置，直接按“弯沉检测”键即可进入测试序列，进行D二测点的测试。

6）校准与标定

我们保证销售的每一台JSTRI-FWD-2000都是经过严格的校准与标定的。

在系统组装之前，弯沉传感器是在振动试验台上使用动态信号分析仪进行标定的（参照M国国J标准建立，其LVDT线性位移传感器及配套二次仪表已在江苏省计量院高精度光栅精密测长仪上进行校准并获得校准证书），标定所使用的振动频率自1Hz直至200Hz，这涵盖了几乎全部典型路面在承受冲击载荷时可能的振动频率，振幅自-4.0mm直至4.0mm；同样的，我们的数据采集控制器的采集通道采用高精度的模拟信号发生器进行校准；荷载传感器都经过至少省级的质量技术监督部门进行的检定。

在完成装配之后，我们会利用我们投巨资建立的校准实验室对组装好的JSTRI-FWD-2000进行J对校准。我们在校准实验室内铺设了符合大多数典型路面状况的试验面，对于弯沉，采用架设在基准梁上的高精度LVDT传感器进行校准，基准梁被架设在7.3×3米，深度为两米的基坑中心，保障试验面受到的冲击荷载对基准梁不产生任何影响，校准试验也尽可能地覆盖JSTRI-FWD-2000的测量范围。对于荷载，我们采用更高精度等级的荷载传感器以叠加冲击的方式进行对比试验。

只有通过严格校准的产品才会被允许销售，投入工程应用。

与国内某家公司的产品优势：

1、 充电效率及蓄电池寿命

设备的供电方案：部分产家为了一味的追求设备工作速度，人为的加大液压泵直流电机的功率，加大电机功率只能选用更高的24伏直流电机，但因汽车的发电机供电系统是12伏直流系统，这样的系统无法为24伏的直流电机蓄电池组直接供电，只好用大功率逆变电源将12伏的直流电逆变成220伏交流再通过充电机转换成24伏直流为蓄电池组充电，多次的转换降低了充电效率，一般充电效率只有60%，蓄电池组得不到足够的充电电流来补充消耗，蓄电池组因过放电而提前报废。我方的产品在不影响正常检测的前提下选用的是与进口同类产品相同的供电方案，即直接从汽车自身14.5的伏直流发电机取电向蓄电池组供电，这种方式充电效率高，连续长时间工作也不会使蓄电池亏电，确保蓄电池电力充沛，大大延长了蓄电池的寿命（新款的发电机是额定14.5伏155安大功率发电机，性能更强）。

2、 坡道检测性能优势

为了确保弯沉仪能在Y定坡度的道路上正常检测，整个加载系统包括加载板、四分盘等设计成自适应方式，工作中该系统能自动匹配路面坡度而不影响检测结果及数度。反观其他厂家的产品，因设计没有考虑该种情况，存在先天缺陷，其加载板及四分盘等机构是导柱、导套刚性结构，在平路或者坡度较小的情况下检测没有明显问题，但是在坡度较大的场合因重力的分力作用，使得加载的作用力分布不均，因而所检测的数据误差较大。