激光多普勒遠(yuǎn)程測(cè)試儀在高速鐵路橋梁撓度測(cè)試中的應(yīng)用

董振升（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京　　100081）

激光多普勒遠(yuǎn)程測(cè)試儀在高速鐵路橋梁撓度測(cè)試中的應(yīng)用

董振升
（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京100081）

闡述一種基于多普勒效應(yīng)的激光多普勒遠(yuǎn)程測(cè)試儀的工作原理、硬件組成和使用方法。應(yīng)用該設(shè)備對(duì)運(yùn)營(yíng)高速鐵路32 m簡(jiǎn)支梁和大跨度連續(xù)梁撓度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。應(yīng)用結(jié)果表明，使用該設(shè)備操作簡(jiǎn)便，測(cè)試精度高，能夠滿足工程測(cè)量精度要求。測(cè)試系統(tǒng)適用性強(qiáng)，可以測(cè)試跨越江河、峽谷或鐵路的橋梁撓度；響應(yīng)頻率范圍寬，能夠完成高速鐵路橋梁不同梁型、不同跨度，不同列車運(yùn)行速度下的撓度測(cè)試。

激光；多普勒；鐵路橋梁；撓度

目前，我國(guó)鐵路橋梁撓度測(cè)試以傳統(tǒng)的接觸式位移計(jì)為主：梁體較低時(shí)，在撓度測(cè)試位置搭設(shè)腳手架；梁體稍高時(shí)，則采用位移計(jì)懸絲法。隨著我國(guó)高速鐵路的發(fā)展，建設(shè)了大量跨江、跨河，跨越峽谷、線路的橋梁，傳統(tǒng)的撓度測(cè)試方法已不能滿足檢測(cè)要求。激光多普勒技術(shù)是一種重要的測(cè)量技術(shù)。自1964年葉（Yeh）和庫(kù)明斯（Cummins）首次觀察到水流中粒子的散射光頻移，證實(shí)了可利用激光多普勒頻移技術(shù)確定流體速度以來(lái)，激光多普勒測(cè)速技術(shù)就以高精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量范圍大、非接觸測(cè)量等特點(diǎn)在測(cè)量領(lǐng)域得到很大的發(fā)展，例如激光多普勒遠(yuǎn)程測(cè)試儀。

1　激光多普勒遠(yuǎn)程測(cè)試儀

1.1激光多普勒遠(yuǎn)程測(cè)試儀撓度測(cè)試原理

激光多普勒撓度測(cè)試?yán)玫氖枪獾亩嗥绽招?yīng)。多普勒效應(yīng)是指當(dāng)波源與觀察者的相對(duì)位置發(fā)生變化時(shí)，觀察者接收到的波的頻率與波源頻率不同的現(xiàn)象。這種頻率的變化稱為多普勒頻移。頻移的大小與物體的運(yùn)動(dòng)速度、入射光和物體運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角有關(guān)，且頻移的大小與物體的運(yùn)動(dòng)速度成正比。通過(guò)解析頻移的大小計(jì)算出測(cè)試物體的速度，然后將速度信號(hào)進(jìn)行積分得到需要的撓度信號(hào)。

圖1為入射光和反射光的頻率變化示意。假設(shè)入射光的波長(zhǎng)為λ0，頻率為 f0，運(yùn)動(dòng)物體的速度為 v，激光照射方向和物體運(yùn)動(dòng)方向的夾角為θ，反射光的頻率為fr，則有

圖1　入射光和反射光的頻率變化示意

反射光和入射光的頻率變化，即頻移fD為

因λ0f0＞＞vcosθ，所以

則物體的運(yùn)動(dòng)速度為

根據(jù)上式測(cè)得運(yùn)動(dòng)物體的速度曲線，經(jīng)過(guò)積分即可得到運(yùn)動(dòng)物體的實(shí)際撓度曲線。

1.2硬件組成

激光多普勒遠(yuǎn)程測(cè)試儀見圖2。主要由以下幾部分組成：

1）激光發(fā)生器。激光發(fā)生器采用功率＜1 mW的氦氖激光發(fā)生器，發(fā)射波長(zhǎng)為632.8 nm的紅光。

圖2　激光多普勒遠(yuǎn)程測(cè)試儀

2）入射光學(xué)單元。其作用是將激光束按照一定要求分成2束照射光，其中一束直接照射到運(yùn)動(dòng)物體上，另外一束作為參考光。

3）接收光學(xué)單元。其功能是接收從運(yùn)動(dòng)物體表面散射的發(fā)生頻移的激光信號(hào)。

4）信號(hào)處理系統(tǒng)。其功能是設(shè)計(jì)測(cè)量電路，解析出與運(yùn)動(dòng)物體速度成正比的多普勒頻移。

5）數(shù)據(jù)處理器。其作用是將采集的速度信號(hào)進(jìn)行濾波、積分處理得到運(yùn)動(dòng)物體的撓度信號(hào)。

1.3使用方法

激光多普勒遠(yuǎn)程測(cè)試儀是利用光的多普勒效應(yīng)原理工作的設(shè)備，由設(shè)備發(fā)射激光，在經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)物體后反射回激光多普勒設(shè)備，反射回來(lái)的光線越強(qiáng)，測(cè)試的信號(hào)越好。但一般物體表面的反射率較低，反射光線的能力差，這樣測(cè)試的信號(hào)會(huì)丟失或不連續(xù)。為了提高激光多普勒信號(hào)的強(qiáng)度、信噪比，得到質(zhì)量良好的測(cè)試信號(hào)，需要增加物體表面的反射率。

目前增加物體表面反射率的方法有2種：①是在測(cè)試位置容易接觸到的情況下，只需在物體表面粘貼高反射率的反光膜，簡(jiǎn)單方便；②是在測(cè)試物體不容易接觸到的情況下，比如30 m高的橋梁跨中位置，采用氣動(dòng)槍發(fā)射涂料球的方法，如圖3所示。發(fā)射裝置是一個(gè)專門設(shè)計(jì)的氣槍，它的發(fā)射范圍大約在30～50 m，涂料球是一個(gè)表面涂滿極微小玻璃細(xì)珠涂料的球體。在涂料球打到物體表面時(shí)，反光涂料將在物體表面形成直徑約10 cm的反光目標(biāo)，如圖4所示。

圖3　氣動(dòng)槍發(fā)射系統(tǒng)及涂料球

2　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前，我國(guó)高速鐵路橋梁主要采用連續(xù)等跨布置的32 m簡(jiǎn)支梁，在跨越山谷、河流、鐵路、道路時(shí)，則采用大跨度連續(xù)梁等特殊結(jié)構(gòu)。為驗(yàn)證激光多普勒遠(yuǎn)程測(cè)試儀在高鐵橋梁檢測(cè)中的適用性，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選取了32 m簡(jiǎn)支箱梁和（75+120+75）m大跨度的連續(xù)梁。

32 m簡(jiǎn)支箱梁橋高6 m左右，試驗(yàn)列車采用8輛編組的CRH1型動(dòng)車組，試驗(yàn)列車速度180 km/h，激光多普勒測(cè)試儀的激光照射方向與梁體豎向撓度的夾角為10°。（75+120+75）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋高25 m左右，試驗(yàn)列車采用8輛編組的CRH380A-001動(dòng)車組，試驗(yàn)列車速度250 km/h，激光多普勒激光照射方向與梁體豎向撓度夾角為25°。為了準(zhǔn)確對(duì)比，位移計(jì)懸絲法的吊點(diǎn)和激光多普勒反光片選在同一位置。

圖5　位移計(jì)和激光多普勒測(cè)試撓度波形對(duì)比

實(shí)測(cè)撓度波形對(duì)比見圖5。從圖5中可以看出，32 m簡(jiǎn)支箱梁和（75+120+75）m連續(xù)梁采用位移計(jì)懸絲法和激光多普勒遠(yuǎn)程測(cè)試法的實(shí)測(cè)撓度波形一致。測(cè)試結(jié)果對(duì)比見表1。2種測(cè)試方法實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差均不超過(guò)5%，能夠滿足工程測(cè)量精度要求。實(shí)測(cè)結(jié)果表明多普勒遠(yuǎn)程測(cè)試儀在測(cè)試高鐵橋梁小位移時(shí)，能夠得到滿意結(jié)果，可作為傳統(tǒng)撓度測(cè)試的補(bǔ)充方法。

表1　位移計(jì)懸絲法和激光多普勒遠(yuǎn)程測(cè)試法結(jié)果對(duì)比

4　結(jié)論

1）激光多普勒撓度遠(yuǎn)程測(cè)試儀用橋梁撓度測(cè)量，操作簡(jiǎn)便，測(cè)試結(jié)果精度高，能夠滿足工程測(cè)量精度要求。

2）測(cè)試系統(tǒng)適用性強(qiáng)，可以測(cè)試跨越江河、峽谷、鐵路的橋梁撓度；響應(yīng)頻率范圍寬，能夠完成高速鐵路橋梁不同梁型、不同跨度，不同列車運(yùn)行速度下的撓度測(cè)試。

［1］王巍，董振升.高速鐵路橋梁豎向撓度檢測(cè)技術(shù)與測(cè)試系統(tǒng)研究［R］.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2014.

［2］FUMIAKI U.Development of Non-contact Vibration Measuring System For Inspection of Seismic Damage to Railway Structures ［C］//The 14th World Conference on Earthquake Engineering. Beijing：Seismological Press，2008：1-8.

［3］周健，龍興武.差動(dòng)激光多普勒測(cè)速儀在固體速度測(cè)量中的應(yīng)用［J］.應(yīng)用光學(xué)，2009，30（2）：334-337.

［4］汪濤，袁紅，馬泉之，等.激光多普勒信號(hào)的幾種處理方法在Matlab中的實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（13）：78-84.

［5］李正正，蔡虹，洪小剛，等.雙光束激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2005，25（3）：44-47.

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（責(zé)任審編鄭冰）

Application of Remote Laser Doppler Tester in Measuring High Speed Railway Bridge Deflection

DONG Zhensheng
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

T he working principle，hardware components and test method of the remote laser doppler tester based on doppler effect were discussed in this paper.T he deflections of 32 m simply supported girder and large span girder of high speed railway were tested by the device on site.T he results show that the device is easy to operate.T he test results have high precision and meet the engineering measurement requirement.T he test systemhas strong applicability.It can measure the deflection of bridge across rivers，valleys and railways.T he system has a wide frequency response range.It can measure the bridge deflection of all kinds of girder types，spans and trains moving at various speeds.

Laser；Doppler；Railway bridge；Deflection

董振升（1983— ），男，助理研究員。

U446

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.11

1003-1995（2016）07-0042-03

2016-02-24；

2016-04-29