激光多普勒遠程測試儀在高速鐵路橋梁撓度測試中的應用

董振升（中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京　　100081）

激光多普勒遠程測試儀在高速鐵路橋梁撓度測試中的應用

董振升
（中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京100081）

闡述一種基于多普勒效應的激光多普勒遠程測試儀的工作原理、硬件組成和使用方法。應用該設備對運營高速鐵路32 m簡支梁和大跨度連續梁撓度進行了現場測試。應用結果表明，使用該設備操作簡便，測試精度高，能夠滿足工程測量精度要求。測試系統適用性強，可以測試跨越江河、峽谷或鐵路的橋梁撓度；響應頻率范圍寬，能夠完成高速鐵路橋梁不同梁型、不同跨度，不同列車運行速度下的撓度測試。

激光；多普勒；鐵路橋梁；撓度

目前，我國鐵路橋梁撓度測試以傳統的接觸式位移計為主：梁體較低時，在撓度測試位置搭設腳手架；梁體稍高時，則采用位移計懸絲法。隨著我國高速鐵路的發展，建設了大量跨江、跨河，跨越峽谷、線路的橋梁，傳統的撓度測試方法已不能滿足檢測要求。激光多普勒技術是一種重要的測量技術。自1964年葉（Yeh）和庫明斯（Cummins）首次觀察到水流中粒子的散射光頻移，證實了可利用激光多普勒頻移技術確定流體速度以來，激光多普勒測速技術就以高精度、動態響應快、測量范圍大、非接觸測量等特點在測量領域得到很大的發展，例如激光多普勒遠程測試儀。

1　激光多普勒遠程測試儀

1.1激光多普勒遠程測試儀撓度測試原理

激光多普勒撓度測試利用的是光的多普勒效應。多普勒效應是指當波源與觀察者的相對位置發生變化時，觀察者接收到的波的頻率與波源頻率不同的現象。這種頻率的變化稱為多普勒頻移。頻移的大小與物體的運動速度、入射光和物體運動方向之間的夾角有關，且頻移的大小與物體的運動速度成正比。通過解析頻移的大小計算出測試物體的速度，然后將速度信號進行積分得到需要的撓度信號。

圖1為入射光和反射光的頻率變化示意。假設入射光的波長為λ0，頻率為 f0，運動物體的速度為 v，激光照射方向和物體運動方向的夾角為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

則物體的運動速度為

根據上式測得運動物體的速度曲線，經過積分即可得到運動物體的實際撓度曲線。

1.2硬件組成

激光多普勒遠程測試儀見圖2。主要由以下幾部分組成：

1）激光發生器。激光發生器采用功率＜1 mW的氦氖激光發生器，發射波長為632.8 nm的紅光。

圖2　激光多普勒遠程測試儀

2）入射光學單元。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動物體上，另外一束作為參考光。

3）接收光學單元。其功能是接收從運動物體表面散射的發生頻移的激光信號。

4）信號處理系統。其功能是設計測量電路，解析出與運動物體速度成正比的多普勒頻移。

5）數據處理器。其作用是將采集的速度信號進行濾波、積分處理得到運動物體的撓度信號。

1.3使用方法

激光多普勒遠程測試儀是利用光的多普勒效應原理工作的設備，由設備發射激光，在經過運動物體后反射回激光多普勒設備，反射回來的光線越強，測試的信號越好。但一般物體表面的反射率較低，反射光線的能力差，這樣測試的信號會丟失或不連續。為了提高激光多普勒信號的強度、信噪比，得到質量良好的測試信號，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，簡單方便；②是在測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，采用氣動槍發射涂料球的方法，如圖3所示。發射裝置是一個專門設計的氣槍，它的發射范圍大約在30～50 m，涂料球是一個表面涂滿極微小玻璃細珠涂料的球體。在涂料球打到物體表面時，反光涂料將在物體表面形成直徑約10 cm的反光目標，如圖4所示。

圖3　氣動槍發射系統及涂料球

2　現場應用

目前，我國高速鐵路橋梁主要采用連續等跨布置的32 m簡支梁，在跨越山谷、河流、鐵路、道路時，則采用大跨度連續梁等特殊結構。為驗證激光多普勒遠程測試儀在高鐵橋梁檢測中的適用性，現場試驗選取了32 m簡支箱梁和（75+120+75）m大跨度的連續梁。

32 m簡支箱梁橋高6 m左右，試驗列車采用8輛編組的CRH1型動車組，試驗列車速度180 km/h，激光多普勒測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預應力混凝土連續梁橋高25 m左右，試驗列車采用8輛編組的CRH380A-001動車組，試驗列車速度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°。為了準確對比，位移計懸絲法的吊點和激光多普勒反光片選在同一位置。

圖5　位移計和激光多普勒測試撓度波形對比

實測撓度波形對比見圖5。從圖5中可以看出，32 m簡支箱梁和（75+120+75）m連續梁采用位移計懸絲法和激光多普勒遠程測試法的實測撓度波形一致。測試結果對比見表1。2種測試方法實測值相對誤差均不超過5%，能夠滿足工程測量精度要求。實測結果表明多普勒遠程測試儀在測試高鐵橋梁小位移時，能夠得到滿意結果，可作為傳統撓度測試的補充方法。

表1　位移計懸絲法和激光多普勒遠程測試法結果對比

4　結論

1）激光多普勒撓度遠程測試儀用橋梁撓度測量，操作簡便，測試結果精度高，能夠滿足工程測量精度要求。

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

［1］王巍，董振升.高速鐵路橋梁豎向撓度檢測技術與測試系統研究［R］.北京：中國鐵道科學研究院，2014.

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

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（責任審編鄭冰）

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