非接触激光检测技术在排架柱振动测试中的应用

孙立国 杨子胜

（1.河海大学工程力学系，南京 210098；2.中原工学院建筑工程学院，郑州 450007）

某公司焦化车间吊车排架为20世纪70年代中期建造的钢筋混凝土结构，由于该车间跨度大、起吊质量大，桥式起重机在起吊、启动、刹车、行走时会产生冲击，从而引起排架的振动.如果振动大到一定程度，会由于振动造成结构疲劳破坏，导致结构本身产生裂纹或产生较大的变形，使排架柱产生侧向失稳，从而影响到整个结构的正常使用，进而对工人的人身安全构成威胁.近期，操作人员反映吊车工作时排架柱出现异常振动，为了检验排架柱在吊车运行时的振动情况，本实验中心对吊车负荷工作时，排架柱顶振动进行了现场测试.

由于该车间是焦化车间，吊车梁下是焦化池，工作环境非常恶劣，采用现场布线的常规测试方法非常困难，所以采用了非接触测试方法，用德国Polytec公司生产的PDV－100非接触激光测振仪测量抽样的11根排架柱.PDV－100 非接触激光测振仪因其强大的测振能力目前在许多方面都有广泛的应用，晏斌［1］通过pdv－100在0.2～90kHz的范围内测量到了振幅小于1μm 振动信号，并以此作为评价GaAs晶体光感生电动势干涉仪优劣的依据.祁丽荣［2］在半消音室内，采用PDV－100激光测振仪对黄瓜幼苗不同部位（主脉、叶肉和茎）在不同环境应激条件下（增大光照强度和干旱胁迫）的自发声特性进行监测，最终获得了黄瓜幼苗的自发声频谱特征.张亚军［3］采用PDV－100激光测振仪对桥式起重机运行时引起的钢结构厂房的振动进行了测试，分析并阐述了桥机在启动、制动、运行时的啃轨现象及轨道接头质量对厂房结构振动造成的影响.在本次试验过程中，使桥机在被测柱之间进行启动、行走、刹车，在行走过程中，大车车轮还要经过大车轨道接缝处，以检验由于轨道接缝带来的冲击振动情况，最终找出吊车运行使排架柱产生的最大振动位移.

1 PDV－100非接触激光测振仪工作原理

PDV－100非接触激光测振仪［4－5］其实质就是一台马赫－泽德干涉仪［6］，它可以在传统测量长度的基础上利用多普勒频移动来测量振动，物理原理在于探测从运动物体散射回来的反射光的多普勒频移.图1为单光束测速光路结构.由激光器发出的频率为f 激光束经分光镜入射到被测表面，由于测量表面的运动，反射光将产生多普勒频移fD

式中，v为表面运动速度，λ为激光的波长.

图1 单光束测速光路结构

频率为f＋fr的参考光束和频率为f＋fD反射光混合并投射到光电探测器上产生了拍频信号［7－8］，经过电子信号处理系统，最后得到频率为fD－fr的拍频的电信号，对其进行分析和处理就可得到所需的振动信号.由于混合了参考光束，这种光路结构能够分辨出被测表面的运动方向.

由于PDV－100激光测振仪测量的频率范围（0～22kHz）、速度范围（0.3～500mm／s）和距离范围（0.2～30m）都非常大，所以在航空［9］、生物［2］和土木［3］等领域都有应用.但以上所有的应用都是把其置于垂直被测物体表面方向上进行量测，所得的测量值就是被测物体的真实振动，不需要进行结果修正.在许多情况下，PDV－100无法和所测物体表面垂直，为了解决这一问题，本文探讨了当PDV－100和被测物体不垂直时所测结果和物体真实振动之间的关系，即如图2所示的V 和v 之间的关系，其中V 表示PDV－100光路方向振动速度、v表示被测物体表面运动速度.

图2 PDV－100倾斜作用于被测物体表面

2 柱顶振动速度的计算方法

室内验证PDV－100激光测振仪进行斜向测试的原理如图3所示，测试过程中使用2台激光测振仪，1号激光测振仪在测试时激光线路与被测试件振动方向相同，2号激光测振仪在测试时激光线路与被测试件振动方向有一个夹角α，按照此布置方法进行测试原理试验.

图3 激光测振仪斜向测试原理示意图

1号激光测振仪测试速度为v1，2号激光测振仪测试速度为v2，试验采集的时程曲线如图4所示（v1为绿色，v2为黑色），由测试结果可看出：v1max＝5.4 mm／s，v2max＝3.8mm／s，而α＝45°，由此验证了激光测振仪斜向振动测试与正向振动测试的关系为

图4 激光测振仪斜向振动测试时程曲线

假设被测物体真实振动速度为v，PDV－100测得速度为V，则试验得到

这说明当PDV－100和物体表面不垂直时，其所测结果为被测物体的一个速度分量，而不是如图2所示的被测物体的是PDV－100测量值的分量.

图5 测试原理（A、B为两个测站；C为所测排架柱柱顶）

令：

根据公式（4），（5）求得排架柱顶垂直轨道方向（X 方向）和沿轨道方向（Y 方向）的振动速度为

3 结果分析

参照《建筑抗震试验方法规程》JGJ101－96 的规定，布置测点及相应的传感器，采用微机进行现场数据自动采集，对排架柱顶水平振动进行实时采集.图6为重点测试的焦化车间.

图6 焦化1车间排架柱分布示意图

在试验过程中，使桥机在被测柱之间进行启动、行走、刹车，在行走过程中，大车车轮还要经过大车轨道接缝处，以检验由于轨道接缝带来的冲击振动情况，最终找出吊车运行使排架柱产生的最大振动位移.用以上方法对PDV－100的测量数据处理得到排架柱顶振动（见表1）.

表1 焦化1车间排架柱柱顶振动检测结果

图7为PDV－100激光测振仪测出5／A 排架柱顶沿着两光路方向的振动速度，图8为计算处理和积分转换后的5／A 排架柱柱顶沿轨道方向（X 方向）和垂直轨道方向（Y 方向）的振动位移.

图7 5／A 混凝土排架柱柱顶振动速度的时程典型曲线图

图8 5／A 混凝土排架柱柱顶振动位移的时程典型曲线图

4 结 论

通过室内试验获得PDV－100倾斜放置时被测物体的振动与测量值的关系，根据此关系建立排架柱顶振动速度和所测的排架柱顶沿着光路方向的振动速度的三角关系，用其计算出柱顶沿着轨道方向和垂直轨道方向的振动速度，然后通过积分转换得到柱顶沿着轨道方向和垂直轨道方向的振动位移时程，找出吊车作用的不同工况下排架柱的振动峰值，最后依据规范评价排架柱的结构安全性.该方法特别适合于因现场条件所限，无法在振动方向上布置测试光源的特殊情况.本文的研究进一步拓展了PDV－100激光测振仪在土木工程中的应用范围.

［1］ 晏 斌.基于GaAs的非线性干涉仪的研究［D］.北京：北京交通大学，2011.

［2］ 祁丽荣，滕光辉，侯天侦，等.黄瓜幼苗自发声频率测定方法与试验［J］.农业机械学报，2010，41（增刊）：263－267.

［3］ 张亚军，胡木生.桥式起重机运行引起钢结构厂房振动的研究［J］.水利电力机械.2005，27（1）：28－30.

［4］ Yue Linping，Sun Dehong，Cong Rongkui et al.Theoretical Analyzing and Application of the Doppler Laser Detector［J］.Application world.2007，26（12）：64－67.

［5］ Smith M W，Northam G B，Dummond J P.Application of Absorption Filter Planar Doppler Velocimetry to Sonic and Supersonic Jets［J］.AIAA J，1996，34：434－441.

［6］ 冯其波.光学测量技术与应用［M］.北京：清华大学出版社，2008.

［7］ 杜斯特F，梅林A，怀特J H.激光多普勒测速的技术原理和实践［M］.北京：科学出版社，1992.

［8］ Lawaon N J.The Application of Laser Measurement Techniques to Aerospace Flows［J］.Proc Inatn Mech Engrs，2004，218：33－57.

［9］ 叶 昕，张海翔，蒋诚志，等.激光多普勒测量技术及其应用［J］.航空计测技术，1998，18（3）：3－5.

［10］程文瀼，等.混凝土结构［M］.北京：中国建筑工业出版社，2004.