Система для измерения параметров средств испытаний дорожной одежды Советский патент 1987 года по МПК E01C23/07 

Изобретение относи-тся к строительству и эксплуатации дорог, в частности к устройствам для измерения параметров оборудования, используемого для испытаний дорожной одежды.

Нормативным показателем при оценке прочности дорожной одежды является ее модуль упругости, обратно пропорциональный прогибу, измеренному под расчетной нагрузкой. На точность определения фактического модуля упругости в процессе ис- пытаний дорожной одежды OKasbmarof влияние основные параметры оборудования, применяемого для испытаний дорожной одежды; величина нагрузки, длительность ее действия и площадь контакта отпечатка штампа или колеса автомобиля.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

На фиг. 1 изображена блок-схема системы для измерения параметров средств испытаний дорожной одежды; на фиг. 2 - струк- турная схема системы с блоком частотного разделения сигналов; на фиг. 3 - структурная схема системы с блоком временного разделения сигналов; на фиг. 4 - временная диаграмма работы датчиков усилия перед началом измерений параметров нагрузки (через а, б, в обозначены три последовательности прямоугольных импульсов, поступаю- шие с выходом распределителя 16 импульсов, г - остроконечные импульсы с выходов дифференцирующих цепей, д - последовательность прямоугольных импульсов с вы- хода триггера 20 Шмитта, е, ж, з - сигналы на выходах схем совпадения 211-21з; на фиг. 5 - временная диаграмма работы датчиков при действии нагрузки на один из них (а - дифференцирующие импульсы на входе канального усилителя 19i, б - после- довательность импульсов, поступающих с вы хода триггера 20i Шмитта, в. г, д - сигналы с выходов схем совпадения).

Устройство содержит матрицу 1 датчиков, состоящую из упругого диэлектрика 2 и токопроводящих полос, выполненных в виде п столбцов 3-3„ и п строк 4-4„, расположенных друг относительно друга взаимно перпендикулярно по обе стороны пластины упругого диэлектрика 2, при этом емкостные датчики образованы в местах пере- сечений токопроводящих полос, которые с обеих сторон изолированы слоями диэлектрика, и систему 5 регистрации, состоящую из блока 6 разделения сигналов и регистратора 7.

В устройстве блок 6 разделения сигналов может быть выполнен в одном из двух вариантов, представленных на фиг. 2 и 3.

На фиг. 2 блок 6 разделения сигналов выполнен в виде п задающих генераторов 8-8л и п частотных анализаторов 9-9 „, каждый из которых включает резистивную нагрузку 10, усилитель 11, п полосовые фильтры 12-12ц, п демодуляторы 13-13„ и п фильтры низких частот 14-14л.

Блок 6 (фиг. 3) содержит формирователь 15 прямоугольных импульсов, распределитель 16. импульсов и п временные анализаторы 17-17„, каждый из которых включает резистивную нагрузку 18, канальный усилитель 19, триггер 20 Шмитта, п схемы 21-21л совпадения и п фильтры 22-22« низких частот.

Устройство работает следующим образом.

Действие матрицы 1 датчиков усилия, выполненных из токопроводящих полос в виде п столбцов 3-Зл и п строк 4-4. и упругого диэлектрика 2, расположенного в зазоре между ними, основано на том, что при действии на матрицу 1 датчиков усилия упругий диэлектрик 2 в зоне ее приложения изменяет свою толщину, что приводит к изменению расстояния между токопроводя- щими полосами, обрзующими емкостные датчики, вследствие чего происходит изменение величины емкостей этих датчиков. При работе устройства с блоками частотного разделения сигналов, изображенного на фиг. 2, питание датчиков матрицы 1 производится синусоидальными сигналами одной и той же амплитуды, но разных частот. Источниками синусоидальных сигналов являются п задающих генераторов 8-8л, выполненных в виде п генераторов с автоматической стабилизацией амплитуды выходных сигналов, при этом питание на датчики матрицы 1 поступает через п столбцы 3-3л, которые одновременно являются цепями входа матрицы I.

Вывод сигналов с выходов датчиков матрицы 1 производится через п строк 4-4„, подсоединенных к входам п частотных анализаторов 9-9 и являющихся цепя.ми выхода матрицы 1. В основе работы частотных анализаторов 9-9„ лежит метод спектрального анализа, позволяющий разделить измеряемый сигнал, поступающий по каждой из п строк 4-4„, на сумму частотных составляющих, содержащих информацию о величине емкости каждого датчика матрицы 1, Емкости датчиков матрицы 1 с подключенной к ним резистивной нагрузкой 10-10„ входящей в состав частотных анализаторов 9-9„, образуют делители напряжения с переменными емкостями, величина которых изменяется пропорционально изменению величины действующей нагрузки.

При изменении параметров средств испытаний дорожных одежд, например установки динамического нагружения с передачей динамического усилия через спаренные колеса, матрица 1 емкостных датчиков размещается под упругим штампом, выполненным в виде спаренных колес. В результате действия динамической нагрузки на матрицу 1 упругий диэлектрик 2 сжимается, вследствие чего происходит увеличение величины емкостей отдельных датчиков матРИДЫ 1, расположенных в пределах площади контакта со спаренными колесами, а это, в свою очередь, приводит к снижению сопротивления делителя переменному току и увеличению амплитуды синусоидальных сигналов на резистивной нагрузке 10-10п, в частности на тех, которые подсоединены к емкостям датчиков, испытывающих действие нагрузки. Сигналы с резистивной нагрузкой 10-10п через усилители посигналов с емкостных датчиков матрицы 1 производится с п строк 4-4„, являющихся одновременно обкладками емкостей матрицы 1 и цепями вывода, при этом п строки 4-4л подсоединяются к входам п временных анализаторов 17-17„.

Принцип действия п временных анализаторов 17-17„ основан на временном разделении сигналов, поступающих по каждой из п строк 4-4п на сумму импульсов, содаются на входы п полосовых фильтров Ю держащих информацию о величине емко12-12л каждого из п частотных анализаторов 9-9л, которые анализируют входной сигнал одновременно во всем диапазоне частот, вырабатываемых п задающими генераторами 8-8л,так как каждый из п полосовых

сти каждого датчика матрицы 1.

Емкостные датчики матрицы 1 с подключенными к ним резистивными нагрузками 18-18л, входящими в состав п временных анализаторов , образуют диффефильтров 12-12к соответственно настроенренцирующие цепи. Прямоугольные импульсы, проходя через них, дифференцируются, в результате чего на каждой из ре- зистивных нагрузок 18 выделяются остроконечные импульсы, длительность которых зана одну из частот п задающих генераторов 8-8л. Сигналы с выходов полосовых фильтров 12-12л соответственно поступают на входы демодуляторов 13-13л, обеспечиваюпульсы, проходя через них, дифференцируются, в результате чего на каждой из ре- зистивных нагрузок 18 выделяются остроконечные импульсы, длительность которых защих преобразование синусоидальных сигна- 20 висит от постоянной времени дифференци

рующих цепей. Постоянная времени определяется параметрами дифференцирующей RC-цепи. При отсутствии действия нагрузки на матрицу 1 датчиков на всех выходах дифференцирующих цепей получаются остроконечные импульсы одинаковой формы и длительности (фиг. Зг).

лов, промодулированных по амплитуде действующей нагрузкой в постоянное или медленно меняющееся напряжение, величина которого попорциональна амплитуде сигналов, поступающих на вход демодуляторов 13-13л. С их выходов сигналы поступают соответственно на фильтры 14-14л нижних частот, которые обеспечивают пропускание постоянного и медленно меняющегося сигнала, пропорционального величине приложенной нагрузки, к матрице 1 датчиков, при этом ослабляют переменную составляющую информационного сигнала. С выходов фильтров 14-14л нижних частот сигналы подаются на входы регистратора 7, число регистрирующих каналов соответствует числу датчиков матрицы 1.

При работе устройства с блоками временного разделения сигналов, представленного на фиг. 3, питание датчиков матрицы 1 производится прямоугольными импульсами. Формирователь 15 прямоугольных им25

рующих цепей. Постоянная времени определяется параметрами дифференцирующей RC-цепи. При отсутствии действия нагрузки на матрицу 1 датчиков на всех выходах дифференцирующих цепей получаются остроконечные импульсы одинаковой формы и длительности (фиг. Зг).

30

35

Эти сигналы через канальные усилители 19i-19п поступают соответственно на входы триггеров 20|-20л Шмитта. С целью исключения взаимовлияния анализаторов 17|-17л друг на друга длительность т прямоугольных импульсов, вырабатываемых формирователем 15 прямоугольных импульсов, выбирается таким образом, чтобы переходной процесс с постоянной времени дифференцирующих цепей успел завер- щиться за время т, т.е. т 10RC, где Ни С - параметры дифференцирующих цепей. Триггеры 20-20л Шмитта являются пороговыми схемами, характеризующимися тем, пульсов вырабатывает периодическую после- 40 что длительность сигналов на выходе этих довательность импульсов т фиксированнойсхем зависит от момента пересечения уровдлительности с периодом повторения Т. Снем

выхода формирователя 15 прямоугольные импульсы поступают на вход распределителя 16 прямоугольных импульсов. С п выходов распределителя 16 прямоугольных импульсов последовательности прямоугольных импульсов, сдвинутые во времени друг относительно друга, поступают на соответствующие п столбцы 3-3л и возбуждают емкостные датчики матрнц,; 1. На фиг. За,б,в изображены три последовательности прямоугольных импульсов, поступающих с выходов распределителя 16 импульсов на столбцы 3-3л соответственно. Эти импульсы повторяются с частотой f 1/Т (обратно пропорционально периоду Т следования импульсов, кото- 55 нескольких отдельных датчиков матрицы 1 рая выбирается из расчета f , где fe -заключена в одной временной последоваверхняя частота в спектре частот исследуе-тельности прямоугольных импульсов, следумого сигнала приложенной нагрузки. Съемющих по каждой из п строк 4-4„, то для

45

50

входного сигнала, так называемого опорного уровня триггеров 20i-20„ Шмитта. На фиг. Зг пунктирной линией изображен опорный уровень, относительно которого происходит формирование длительности выходного сигнала. Таким образом, в случае отсутствия измеряемой нагрузки с выхода каждого из триггеров 20|-20„ Шмитта снимаются прямоугольные импульсы постоянной длительности. На фиг. 3d показана последовательность прямоугольных импульсов, поступающих с выхода 20i Шмитта и содержащих информацию о работе трех датчиков матрицы 1, на которые нагрузка не действует. Так как информация о работе

сигналов с емкостных датчиков матрицы 1 производится с п строк 4-4„, являющихся одновременно обкладками емкостей матрицы 1 и цепями вывода, при этом п строки 4-4л подсоединяются к входам п временных анализаторов 17-17„.

Принцип действия п временных анализаторов 17-17„ основан на временном разделении сигналов, поступающих по каждой из п строк 4-4п на сумму импульсов, со держащих информацию о величине емкости каждого датчика матрицы 1.

Емкостные датчики матрицы 1 с подключенными к ним резистивными нагрузками 18-18л, входящими в состав п временных анализаторов , образуют дифференцирующие цепи. Прямоугольные имренцирующие цепи. Прямоугольные импульсы, проходя через них, дифференцируются, в результате чего на каждой из ре- зистивных нагрузок 18 выделяются остроконечные импульсы, длительность которых за20 висит от постоянной времени дифференци

25

рующих цепей. Постоянная времени определяется параметрами дифференцирующей RC-цепи. При отсутствии действия нагрузки на матрицу 1 датчиков на всех выходах дифференцирующих цепей получаются остроконечные импульсы одинаковой формы и длительности (фиг. Зг).

нем

5 нескольких отдельных датчиков матрицы 1 заключена в одной временной последова5

0

входного сигнала, так называемого опорного уровня триггеров 20i-20„ Шмитта. На фиг. Зг пунктирной линией изображен опорный уровень, относительно которого происходит формирование длительности выходного сигнала. Таким образом, в случае отсутствия измеряемой нагрузки с выхода каждого из триггеров 20|-20„ Шмитта снимаются прямоугольные импульсы постоянной длительности. На фиг. 3d показана последовательность прямоугольных импульсов, поступающих с выхода 20i Шмитта и содержащих информацию о работе трех датчиков матрицы 1, на которые нагрузка не действует. Так как информация о работе

идентификации и измерения сигналов датчиков матрицы 1 необходимо произвести разделение сигналов, содержащихся в этой временной последовательности.

Для этого в каждом из п временных анализаторов 17-17п с выхода триггера 20 Шмитта последовательность импульсов одновременно подается на один из входов п схем 21-21„ совпадения, на другие входы которых поступают соответственно с п выходов распределителя 16 импульсов прямоугольные импульсы, причем число схем совпадения равно числу строк и соответственно числу выходов распределителя 16 импульсов. Совпадение по времени импульсов, поступивших на оба входа одновременно, приводит к тому, что на выходах п схем 21-21„ совпадения образуются сигналы. На фиг. Зе,ж,з показаны сигналы на выходах схем 21-21„ совпадения, образованные в результате временного разделения периодической последовательности импульсов, поступающих с выхода триггера 20 Шмитта (фиг. 3d). Сигналы с выходов схем 21-21„ совпадения подаются соответственно на входы фильтров 22|-22„ нижнил частот, производящих усреднение импульсн ых сигналов. С выходов фильтров 22-22„ нижних частот сигналы поступают соответственно на первый, второй и третий входы регистратора 7. В связи с тем, что к матрице 1 емкостных датчиков нагрузка не прикладывается, на входы регистратора 7 поступают равные по величине сигналы.

При измерении параметров средств испытаний дорожных одежд, например, действие нагрузки привело к увеличению емкости датчика, образованного в месте пересечения столбца 3 и строки 4. Питание емкостного датчика осуществляется прямоугольными импульсами с первого выхода распределителя 16 прямоугольных импульсов. Прямоугольные импульсы, проходя через дифференцирующую цепь, образованную емкостными датчиками и резистивной нагрузкой 18 временного анализатора 17, дифференцируются, в результате чего на выходе дифференцирующей цепи получаются остроконечные импульсы, длительность которых увеличилась вследствие действия нагрузки на этот датчик. Эти импульсы через канальный усилитель 19 поступают на вход триггера 20 Шмитта (фиг. 5а). На фиг. 5а показана последовательность продифференцированных импульсов, характеризующих изменение емкостей трех датчиков матрицы 1, но так как на два емкостных датчика нагрузка не действует, то продифференцированные импульсы, содержащие информацию о работе этих датчиков, получаются одинаковой формы и длительности. Эти остроконечные импульсы также проходят через канальный усилитель 19 и поступают на вход триггера 20, формирующего из остроконечных импульсов сигналы прямоугольной

формы, длительность которых находится в прямой зависимости от изменения величины емкостей датчиков матрицы 1. На фиг. 56 показана последовательность сигналов, снимаемых с выхода триггера 20 Шмитта, причем длительность этих импульсов формируется относительно опорного уровня, показанного пунктирной линией.

На фиг. 5в,г,д изображены сигналы, поступающие с выходов схем 21-21 совпадения. Сигнал, длительность которого увеличи лась в результате действия нагрузки, с выхода схемы 21 совпадения (фиг. 5г,) поступает на вход фильтра 22 нижних частот, где происходит его усреднение, вследствие чего получается сигнал, амплитуда кото- рого изменяется пропорционально величине действующей нагрузки на данный емкостный датчик, образованный столбцом 3 и строкой 4, С выхода фильтра 22 нижних частот сигнал поступает на Т-вход регистратора 7 для

0 его регистрации.

Предлагаемая система позволяет повысить быстродействие и точность измерений и сократить число трудоемких операций, связанных с подготовкой, проведением измерений, а также обработкой результатов изме5 рений за счет электронной обработки сигналов, поступаюилих с датчиков матрицы. Использование емкостных датчиков усилия, выполненных в виде токопроводящих полос, позволяет повысить точность измерений, так как электрические характеристики датчиков строго линейны, вследствие чего по- грещности измерений малы. Кроме того, малы их температурные погрещности - 0,2% на .10 град. Емкостные датчики усилия с измеряемой величиной зазора обладают также высокой чувствительностью при малых измерительных ходах, т.е. при очень незначительных изменениях расстояния между токопроводящими полосами обеспечиваются относительно большие изменения величины емкостей матрицы.

0 Электронная обработка сигналов и их регистрация позволяет одновременно измерять три параметра оборудования для испытаний дорожной одежды: величину нагрузки, время ее действия и площадь контакта штампа или спаренных колес с дорожным покрытием, при этом контроль параметров осуществляется при статическом и динамическом нагружениях.

Формула изобретения

1. Система для измерения параметров средств испытаний дорожной одежды, содержащая датчики усилия и устройство регистрации, отличающаяся тем, что, с целью повышения точности измерения, устройство 5 регистрации включает блок разделения сигналов и регистратор, а датчики усилия выполнены в виде матрицы, столбцы и строки которой расположены друг относительно

0

5

5

друга взаимно перпендикулярно по обеим .сторонам пластины из упругого диэлектрика, причем столбцы матрицы подключены к сигнальным выходам блока разделения сигналов, строки матрицы подключены к входам блока разделения сигналов, информационные выходы которого подключены к соответ ствующим входам регистратора.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что блок разделения сигналов выполнен из формирователя импульсов, распределителя импульсов и временных анализаторов, каждый из которых включает усилитель с резистивной нагрузкой, выход которого подключен через триггер Шмитта с одним из входов схем совпадений, выход которых подключен к входу соответствующего фильтра низких частот, причем формирователь импульсов подключен к входу распределителя импульсов, выходы которого являются сигнальными выходами б лока разделения сигналов и которые соединены соответственно со столбцами матрицы датчиков усилия и первыми входами схем совпадения каждого временного анализатора, строки матрицы датчиков усилия подключены к входу соответствующего усилителя временных анализаторов и который является соответствующим

входом блока разделения сигналов, другие входы схем совпадения каждого анализатора подключены соответственно к выходам распределителя импульсов,- а выход фильтров низких частот временных анализаторов является информационным выходом блока разделения сигналов.

3. Система по п. ,отличающаяся тем, что блок разделения сигналов выполнен из задающих генераторов и. частотных анализаторов, каждый из которых включает усилитель с резистивной нагрузкой, выход которого подключен к входу полосовых фильтров, выход которого через соответствующий демодулятор подключен к входу соответствующего фильтра низких частот, причем выход каждого задающего генератора является сигнальным выходом блока разделения сигналов и который подключен к соответствующему столбцу матрицы датчиков усилия, строки матрицы датчиков усилия

0 подключены к входу соответствующего усилителя частотных анализаторов и который является соответствующим входом блока разделения сигналов, а выход фильтров низких частот частотных анализаторов является информационным выходом блока разделения сигналов.

5

5

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации дорог, в частности к устройствам для измерения параметров оборудования, используемого для испытаний дорожной одежды. Позволяет повысить точность измерения. Содержит матрицу 1 датчиков усилия, состоящего из упругого диэлектрика 2 и токопроводяших полос, выполненных в виде п столбцов 3 . и п- строк 4-4ц,, расположенных друг относительно друга взаимно перпендику.-трно по обе стороны пластины упругого диэлектрика, систему регистрации 5, включающей блок 6 разделения сигналов и регистратор 7. 2 з.п. ф-лы, 5 ил. с S (Л оо

iipH-H T - 1-4

гтт| il I I-I -и

Фиг. г

Фие.З

а

g П Д П ДD ILLJL

ж

3

.

. -K -A- -k- -lr--K- -- 4-- -K-p-k

П I II П Д П П Д