基于电容检测技术的公路路面测厚仪的设计

　　0　引　　言

　　随着国民经济稳步增长,国家在公路及城市道路投资方面的份额越来越大,人们对工程质量也日益关注。目前,公路路面厚度检测通常采用钻孔取芯法、挖坑法和探地雷达等[1]。钻孔取芯法和挖坑法这两种方法虽然直观可靠,但检测速度慢、成本高、破损路面、测点少、随机性高,缺少代表性。探地雷达是一种连续、无损、快速、精度较高的无损检测技术,但现在主要引进欧美产品,并且探地雷达价格高昂,对于日常道路维护费用太高[2]。结合笔者研究电容传感器测量非金属厚度的情况,将其扩展到对公路路面厚度的测量,利用物理模型实验的方法,建立路面简化模型,设计电容测量系统,通过反复实验与理论研究,首次提出将电容检测技术应用于公路路面测厚中,其设备简单、经济,方法具有可行性。

　　1　电容检测技术原理

　　检测厚度用的环形电容传感元件如图1所示,其中a为内环半径,L为内圆周到外圆周的距离,l为圆环宽。当被测物放于环形电容极板下方后,有两个主要因素影响电容量的变化,即被测介质厚度及其介电常数,利用镜像法[3]分析得到三者关系式为[4]:

2　公路路面模型与电容检测系统

　　2.1　公路路面物理模型制作

　　为了实验方便,将路面与路基等效为双层模型,路面视为均匀硬质层,路基视为均匀软质层,模拟公路的实现方法,以混凝土作为路面材料,夯实的粘土作为路基材料,构建了公路双层物理　　模型[5](见图2)。混凝土主要是由水泥、沙子、石头等材料构成的混合体。为了能将实验结果应用到实际路面厚度的检测中,模型的制作参照公路路面对混凝土材料的技术要求与比例浇灌成型。制作的模型厚度有5cm、10cm、15cm、18cm、20cm不等。

　　2.2　电容检测系统及工作原理

　　电容检测系统如图3所示,主要由如下几部分构成:电容传感器、电容测量装置、单片机、显示电路、键盘输入电路、非易失性存储电路。在进行公路路面厚度测量时,将电容传感器放于模型公路路面上,单片机控制电容测量装置获取传感器的输出电容值,经过微处理器进行处理,得到公路路面的厚度,由显示电路进行显示。键盘的作用主要用于输入模型介质的介电常数,以增加仪器的适用性。存储电路主要是将测得的每一个值存储下来,以便于后续的分析统计,制作相应的曲线图进行分析。

　　检测系统工作时,首先确定公路路面模型的介电常数,由键盘输入。然后将电容传感器放置于被测公路路面模型上,并使之与路面完全接触,电容传感器输出信号传输到电容测量装置,　　经过单片机处理后,得到路面模型厚度,并进行实时存储数据。将电容传感器在路面模型上缓慢移动,就可以连续测量出所经过的路面模型的厚度。