夯实度传感器和强夯机以及夯实度检测方法技术领域
本发明涉及工程机械领域，特别涉及一种夯实度传感器和强夯机
以及夯实度检测方法。
背景技术
强夯机是目前地基处理中应用非常广泛的一种工程机械设备。强
夯机利用起重设备将夯锤提升到一定高度，然后释放夯锤使其自由下
落，利用夯锤下落时产生的强大冲击力对土体进行压实，从而提高地
基的强度，减少可能出现的地基沉降。强夯机的作用对象是地基土体，
目的是提高地基土体的强度和均匀程度。因此，夯实度是强夯机施工
质量的关键指标之一。
目前，对地基夯实度的检测多采用常规检测法。常规检测法是在
强夯机作业后，由检测人员在作业面抽取一些点进行夯实度的检测。
常规检测法的缺点是：
1.事后检测，不能在施工过程中实时监测夯实度；
2.检测点密度小，不能反映整个作业面的夯实情况；
3.人为误差较大，精度低，结果不准确。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题包括：目前夯实度检测方法存
在的检测不及时、检测点密度小、或者人为误差大的问题。
本发明的第一方面提供一种夯实度传感器，包括：加速度计和控
制器；加速度计实时采集夯锤的加速度，并发送给控制器，控制器通
过比较夯锤的加速度与预先设定的加速度阈值确定夯锤的夯能作用
时间，并利用夯实度与夯能作用时间的反比关系式，根据夯锤的夯能
作用时间计算出土体的夯实度。
在本发明第一方面的一个实施例中，控制器在单次夯击过程中，
当夯锤的加速度首次等于加速度阈值时，开始计时，当夯锤的加速度
再次等于加速度阈值时，停止计时，此时的计时时间即为夯锤的夯能
作用时间。
在本发明第一方面的一个实施例中，控制器在单次夯击过程中，
根据夯锤的加速度计算夯锤的加速度变化率；当夯锤的加速度变化率
大于零并且夯锤的加速度大于或等于加速度阈值时，开始计时，当夯
锤的加速度变化率小于零并且夯锤的加速度小于或等于加速度阈值时，
停止计时，此时的计时时间即为夯锤的夯能作用时间。
在本发明第一方面的一个实施例中，控制器包括第一计算电路、
第一比较电路、第二比较电路、第一与门电路、第二与门电路、第一
计时电路、第二计算电路；第一计算电路根据夯锤的加速度计算夯锤
的加速度变化率，并输出给第一比较电路；第一比较电路将夯锤的加
速度变化率与零进行比较，当大于零时，向第一与门电路发出信号，
当小于零时，向第二与门电路发出信号；第二比较电路将夯锤的加速
度与加速度阈值进行比较，当大于或等于加速度阈值时，向第一与门
电路发出信号，当小于或等于加速度阈值时，向第二与门电路发出信
号；第一与门电路接收到第一比较电路和第二比较电路的信号后，向
第一计时电路发出触发信号，第一计时电路开始计时；第二与门电路
接收到第一比较电路和第二比较电路的信号后，向第一计时电路发出
触发信号，第一计时电路停止计时，此时的计时时间即为夯锤的夯能
作用时间，并输出给第二计算电路，然后清零；第二计算电路根据夯
锤的夯能作用时间计算出土体的夯实度。
在本发明第一方面的一个实施例中，控制器包括比较电路、计次
电路、第二计时电路、第二计算电路；比较电路将夯锤的加速度与加
速度阈值进行比较，并在夯锤的加速度等于加速度阈值时向计次电路
发出触发信号；计次电路对接收到触发信号的次数进行计数，当计数
值为1时，向第二计时电路发出第一控制信号，当计数值为2时，向
第二计时电路发出第二控制信号，然后清零；第二计时电路接收到第
一控制信号后开始计时，接收到第二控制信号后停止计时，此时的计
时时间即为夯锤的夯能作用时间，并输出给第二计算电路，然后清零；
第二计算电路根据夯锤的夯能作用时间计算出土体的夯实度。
在本发明第一方面的一个实施例中，控制器包括比较电路、第三
计时电路、第二计算电路；比较电路将夯锤的加速度与加速度阈值进
行比较，并在夯锤的加速度等于加速度阈值时向第三计时电路发出触
发信号；第三计时电路接收到触发信号后，切换计时状态，若当前处
于未计时状态，则开始计时，若当前处于计时状态，则停止计时，此
时的计时时间即为夯锤的夯能作用时间，并输出给第二计算电路，然
后清零；第二计算电路根据夯锤的夯能作用时间计算出土体的夯实度。
在本发明第一方面的一个实施例中，在加速度计和控制器之间的
线路上还设置有信号调理电路。
在本发明第一方面的一个实施例中，夯实度传感器还包括无线发
送模块，与控制器的输出端连接，无线发送模块将土体的夯实度转化
为无线信号并进行发送。
本发明的第二方面提供一种强夯机，包括夯锤，夯锤上安装有前
述任一个实施例中的夯实度传感器。
本发明的第三方面提供一种夯实度检测方法，包括：实时采集夯
锤的加速度；通过比较夯锤的加速度与预先设定的加速度阈值确定夯
锤的夯能作用时间；利用夯实度与夯能作用时间的反比关系式，根据
夯锤的夯能作用时间计算出土体的夯实度。
在本发明第三方面的一个实施例中，通过比较夯锤的加速度与预
先设定的加速度阈值确定夯锤的夯能作用时间包括：在单次夯击过程
中，当夯锤的加速度首次等于加速度阈值时，开始计时，当夯锤的加
速度再次等于加速度阈值时，停止计时，此时的计时时间即为夯锤的
夯能作用时间。
在本发明第三方面的一个实施例中，通过比较夯锤的加速度与预
先设定的加速度阈值确定夯锤的夯能作用时间包括：在单次夯击过程
中，根据夯锤的加速度计算夯锤的加速度变化率；当夯锤的加速度变
化率大于零并且夯锤的加速度大于或等于加速度阈值时，开始计时，
当夯锤的加速度变化率小于零并且夯锤的加速度小于或等于加速度阈
值时，停止计时，此时的计时时间即为夯锤的夯能作用时间。
在本发明第三方面的一个实施例中，夯实度检测方法还包括：在
零值附近的预设范围内取一值作为加速度阈值。
本发明实施例利用实时采集的夯锤加速度确定夯锤的夯能作用时
间，进而计算出土体的夯实度，能够自动、实时、准确、全面地检测
土体的夯实度，减少人为因素造成的欠夯或过夯的现象，保证施工质
量的一致性。
通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明
的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将
对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见
地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技
术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获
得其他的附图。
图1是本发明夯击实验中在不同密实度土体上的夯锤运动状态示意
图。
图2是本发明单次夯击过程中夯锤的运动状态变化示意图。
图3为本发明夯实度传感器一个实施例的结构示意图。
图4是本发明控制器一个实施例的结构示意图。
图5是本发明控制器再一个实施例的结构示意图。
图6是本发明控制器又一个实施例的结构示意图。
图7是本发明夯实度检测方法一个实施例的流程示意图。
图8是本发明夯实度检测方法再一个实施例的流程示意图。
具体实施方式
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。
为便于理解，下面对本发明中所提及的术语进行解释或示例说明。
夯实度，是指地面受到强夯法施工处理后的土壤密实度，是施工质
量的重要量度。
夯能作用时间，是指自夯锤触地至其速度首次减小为零的时间间隔。
强夯机，是目前地基处理中应用非常广泛的一种工程机械设备。
强夯机利用起重设备将夯锤提升到一定高度，然后释放夯锤使其自由
下落，利用夯锤下落时产生的强大冲击力对土体进行压实，从而提高
地基的强度，减少可能出现的地基沉降。
图1是本发明夯击实验中在不同密实度土体上的夯锤运动状态
示意图。在密实度较大的硬质土体上，位于夯锤的加速度计示数曲线
如实线所示，其夯能作用时间为t1～t2时间段，在密实度较小的软质
土体上，位于夯锤的加速度计的示数曲线如虚线所示，其夯能作用时
间为t1～t3时间段。可见，夯实度C与夯能作用时间ΔT之间呈反比关
系，即![]()
其中K为夯击试验所得的比例系数，而夯能作用时间
ΔT可通过测量夯锤运动状态的变化来测定。
图2是本发明单次夯击过程中夯锤的运动状态变化示意图。如图
2所示，在一次夯击过程中，夯锤的运动状态如下变化：
1.t0～t1时刻：夯锤自由落体，处于失重状态，加速度计示数a
(t)为0。
需要说明的是，加速度计示数a(t)表示加速度计相对于夯锤参
考系的加速度，夯锤下落的加速度实际为a(t)+g。除非特别指出，本
发明中的夯锤的加速度用加速度计示数表示。
2.t1～t2时刻：在t1时刻，夯锤接触地面，夯锤受力状态发生突
变，加速度计示数亦发生突变，此时夯锤作变加速直线运动，直至
t2时刻夯锤速度变为0。
可见，通过加速度计示数的变化，或者说，通过夯锤的加速度变
化，可以测定出夯能作用时间ΔT。由于零值附近的加速度测量结果
可能会出现抖动，为保证精确度，在零值附近的预设范围内取一值作
为加速度阈值ax来计算夯能作用时间ΔT。
图3为本发明夯实度传感器一个实施例的结构示意图。夯实度传
感器位于夯锤上。如图3所示，该实施例的夯实度传感器包括：加速
度计10和控制器20，加速度计10实时采集夯锤的加速度，并发送
给控制器20，控制器20通过比较夯锤的加速度与预先设定的加速度
阈值确定夯锤的夯能作用时间，并利用夯实度与夯能作用时间的反比
关系式，根据夯锤的夯能作用时间计算出土体的夯实度。
在一个实施例中，控制器20在单次夯击过程中，当夯锤的加速度
首次等于加速度阈值时，开始计时，当夯锤的加速度再次等于加速度
阈值时，停止计时，此时的计时时间即为夯锤的夯能作用时间。参考
图2，t1时刻开始计时，t2时刻停止计时。
在一个实施例中，控制器20在单次夯击过程中，根据夯锤的加速
度计算夯锤的加速度变化率；当夯锤的加速度变化率大于零并且夯锤
的加速度大于或等于加速度阈值时，开始计时，当夯锤的加速度变化
率小于零并且夯锤的加速度小于或等于加速度阈值时，停止计时，此
时的计时时间即为夯锤的夯能作用时间。参考图2，t1时刻开始计时，
t2时刻停止计时。
如图3所示，夯实度传感器进一步还可以包括信号调理电路30，
无线发送模块40，时钟电路50，电源模块60等。
信号调理电路30设置在加速度计10和控制器20之间的线路上，
具备滤波、整形、放大等功能。信号调理电路30可以连在控制器20
的模拟数字(A/D)接口上，处理来自加速度计10的加速度信号，
并将结果输出给控制器20。具体的，信号调理电路30可以包括滤波
器、整形器、放大器，分别用来对信号进行滤波、整形、放大。
无线发送模块40，与控制器20的输出端连接，用于将土体的夯
实度转化为无线信号并进行发送。
时钟电路50，是一种连接在控制器20的时钟引脚上的辅助电路，
可为控制器20提供晶振频率，辅助控制器20完成计时、计数与采样
等功能；
电源模块60，集成于传感器内，可给各模块提供稳定电压。
夯实度传感器工作过程为：强夯机工作时，加速度计10开始实
时采集夯锤的加速度值a，经信号调理电路30滤波、整形、放大后，
传输给控制器20，控制器20将采集的加速度值a与设定的加速度阈
值ax比较，依据比较结果记录夯能作用时间ΔT，并依据公式![]()
计
算得出夯实度，然后传输给无线发送模块40，将夯实度转换为无线
信号并发送出去。
控制器20可以采用软件方式或硬件电路方式实现。下面对控制
器20的硬件电路实现方式进行说明。
图4是本发明控制器一个实施例的结构示意图。如图4所示，控
制器20包括第一计算电路401、第一比较电路402、第二比较电路403、
第一与门电路404、第二与门电路405、第一计时电路406、第二计算
电路407；第一计算电路401根据夯锤的加速度计算夯锤的加速度变
化率，并输出给第一比较电路402；第一比较电路402将夯锤的加速
度变化率与零进行比较，当大于零时，向第一与门电路404发出信号，
当小于零时，向第二与门电路405发出信号；第二比较电路403将夯
锤的加速度与加速度阈值进行比较，当大于或等于加速度阈值时，向
第一与门电路404发出信号，当小于或等于加速度阈值时，向第二与
门电路405发出信号；第一与门电路404接收到第一比较电路402和
第二比较电路403的信号后，向第一计时电路406发出触发信号，第
一计时电路406开始计时；第二与门电路405接收到第一比较电路402
和第二比较电路403的信号后，向第一计时电路406发出触发信号，
第一计时电路406停止计时，此时的计时时间即为夯锤的夯能作用时
间，并输出给第二计算电路407，然后清零；第二计算电路407根据
夯锤的夯能作用时间计算出土体的夯实度。
图5是本发明控制器再一个实施例的结构示意图。如图5所示，
控制器20包括比较电路501、计次电路502、第二计时电路503、第
二计算电路407；比较电路501将夯锤的加速度与加速度阈值进行比
较，并在夯锤的加速度等于加速度阈值时向计次电路发出触发信号；
计次电路502对接收到触发信号的次数进行计数，当计数值为1时，
向第二计时电路503发出第一控制信号，当计数值为2时，向第二计
时电路503发出第二控制信号，然后清零；第二计时电路503接收到
第一控制信号后开始计时，接收到第二控制信号后停止计时，此时的
计时时间即为夯锤的夯能作用时间，并输出给第二计算电路407，然
后清零；第二计算电路407根据夯锤的夯能作用时间计算出土体的夯
实度。
图6是本发明控制器又一个实施例的结构示意图。如图6所示，
控制器20包括比较电路501、第三计时电路601、第二计算电路407；
比较电路501将夯锤的加速度与加速度阈值进行比较，并在夯锤的加
速度等于加速度阈值时向第三计时电路601发出触发信号；第三计时
电路601接收到触发信号后，切换计时状态，若当前处于未计时状态，
则开始计时，若当前处于计时状态，则停止计时，此时的计时时间即
为夯锤的夯能作用时间，并输出给第二计算电路407，然后清零；第
二计算电路407根据夯锤的夯能作用时间计算出土体的夯实度。
为了减少计时误差，第一计时电路406、第二计时电路503、第三
计时电路601计时时可以采用计时器和计数器同时工作，计时器记录
的夯能作用时间设为ΔT0，计数器记录的数目是n，则计数器记录的夯
能作用时间为nΔt，可参考公式ΔT＝αΔT0+(1-α)nΔt对ΔT0和nΔt进行加权平
均，从而减少计时误差。α表示权重，其值可以根据实际情况调整，
例如可以选取0.5、0.6等值，但不限于所举示例。
本发明还提供一种强夯机，包括夯锤，夯锤上安装有前述任一个
实施例中的夯实度传感器。
本发明还提供一种夯实度检测方法，参考图7，该方法包括：
S701，实时采集夯锤的加速度；
S702，通过比较夯锤的加速度与预先设定的加速度阈值确定夯锤
的夯能作用时间；
S703，利用夯实度与夯能作用时间的反比关系式，根据夯锤的夯
能作用时间计算出土体的夯实度。
步骤S702的第一种示例性实现方法为：在单次夯击过程中，当夯
锤的加速度首次等于加速度阈值时，开始计时，当夯锤的加速度再次
等于加速度阈值时，停止计时，此时的计时时间即为夯锤的夯能作用
时间。
步骤S702的第二种示例性实现方法为：在单次夯击过程中，根据
夯锤的加速度计算夯锤的加速度变化率；当夯锤的加速度变化率大于
零并且夯锤的加速度大于或等于加速度阈值时，开始计时，当夯锤的
加速度变化率小于零并且夯锤的加速度小于或等于加速度阈值时，停
止计时，此时的计时时间即为夯锤的夯能作用时间。
夯实度检测方法的再一个实施例参考图8所示，当夯锤释放时执
行以下操作：
S801，采样得到夯锤的加速度信号值a(k)；
S802，计算夯锤的加速度变化率![]()
其中Δt为采样
周期；
S803，当a′(k)>0且a(k)≥ax时，控制器开始计时；
S804，当a′(k)<0且a(k)≤ax时，控制器停止计时；
S805，确定夯能作用时间ΔT，控制器开始计时到停止计时之间的
时间段即为夯能作用时间ΔT；
为了减少计时误差，本发明还提出一种计时方法。具体的，采用
计时器和计数器同时工作，计时器记录的夯能作用时间设为ΔT0，计数
器记录的数目是n，则计数器记录的夯能作用时间为nΔt，可参考公式
ΔT＝αΔT0+(1-α)nΔt对ΔT0和nΔt进行加权平均，从而减少计时误差。α表
示权重，其值可以根据实际情况调整，例如可以选取0.5、0.6等值，
但不限于所举示例。
S806，控制器利用![]()
计算土体的夯实度C；
S807，可选的，将夯实度C转化为无线信号并发送出去。
由于零值附近的加速度测量结果可能会出现抖动，为保证精确度，
夯实度检测方法还包括：在零值附近的预设范围内取一值作为加速度
阈值。
本发明利用实时采集的夯锤加速度确定夯锤的夯能作用时间，进
而计算出土体的夯实度，能够自动、实时、准确、全面地检测土体的
夯实度，减少人为因素造成的欠夯或过夯的现象，保证施工质量的一
致性。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可
以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程
序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是
只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本
发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包
含在本发明的保护范围之内。