激光多普勒远程测试仪在高速铁路桥梁挠度测试中的应用

董振升（中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京　　100081）

激光多普勒远程测试仪在高速铁路桥梁挠度测试中的应用

董振升
（中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京100081）

阐述一种基于多普勒效应的激光多普勒远程测试仪的工作原理、硬件组成和使用方法。应用该设备对运营高速铁路32 m简支梁和大跨度连续梁挠度进行了现场测试。应用结果表明，使用该设备操作简便，测试精度高，能够满足工程测量精度要求。测试系统适用性强，可以测试跨越江河、峡谷或铁路的桥梁挠度；响应频率范围宽，能够完成高速铁路桥梁不同梁型、不同跨度，不同列车运行速度下的挠度测试。

激光；多普勒；铁路桥梁；挠度

目前，我国铁路桥梁挠度测试以传统的接触式位移计为主：梁体较低时，在挠度测试位置搭设脚手架；梁体稍高时，则采用位移计悬丝法。随着我国高速铁路的发展，建设了大量跨江、跨河，跨越峡谷、线路的桥梁，传统的挠度测试方法已不能满足检测要求。激光多普勒技术是一种重要的测量技术。自1964年叶（Yeh）和库明斯（Cummins）首次观察到水流中粒子的散射光频移，证实了可利用激光多普勒频移技术确定流体速度以来，激光多普勒测速技术就以高精度、动态响应快、测量范围大、非接触测量等特点在测量领域得到很大的发展，例如激光多普勒远程测试仪。

1　激光多普勒远程测试仪

1.1激光多普勒远程测试仪挠度测试原理

激光多普勒挠度测试利用的是光的多普勒效应。多普勒效应是指当波源与观察者的相对位置发生变化时，观察者接收到的波的频率与波源频率不同的现象。这种频率的变化称为多普勒频移。频移的大小与物体的运动速度、入射光和物体运动方向之间的夹角有关，且频移的大小与物体的运动速度成正比。通过解析频移的大小计算出测试物体的速度，然后将速度信号进行积分得到需要的挠度信号。

图1为入射光和反射光的频率变化示意。假设入射光的波长为λ0，频率为 f0，运动物体的速度为 v，激光照射方向和物体运动方向的夹角为θ，反射光的频率为fr，则有

图1　入射光和反射光的频率变化示意

反射光和入射光的频率变化，即频移fD为

因λ0f0＞＞vcosθ，所以

则物体的运动速度为

根据上式测得运动物体的速度曲线，经过积分即可得到运动物体的实际挠度曲线。

1.2硬件组成

激光多普勒远程测试仪见图2。主要由以下几部分组成：

1）激光发生器。激光发生器采用功率＜1 mW的氦氖激光发生器，发射波长为632.8 nm的红光。

图2　激光多普勒远程测试仪

2）入射光学单元。其作用是将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运动物体上，另外一束作为参考光。

3）接收光学单元。其功能是接收从运动物体表面散射的发生频移的激光信号。

4）信号处理系统。其功能是设计测量电路，解析出与运动物体速度成正比的多普勒频移。

5）数据处理器。其作用是将采集的速度信号进行滤波、积分处理得到运动物体的挠度信号。

1.3使用方法

激光多普勒远程测试仪是利用光的多普勒效应原理工作的设备，由设备发射激光，在经过运动物体后反射回激光多普勒设备，反射回来的光线越强，测试的信号越好。但一般物体表面的反射率较低，反射光线的能力差，这样测试的信号会丢失或不连续。为了提高激光多普勒信号的强度、信噪比，得到质量良好的测试信号，需要增加物体表面的反射率。

目前增加物体表面反射率的方法有2种：①是在测试位置容易接触到的情况下，只需在物体表面粘贴高反射率的反光膜，简单方便；②是在测试物体不容易接触到的情况下，比如30 m高的桥梁跨中位置，采用气动枪发射涂料球的方法，如图3所示。发射装置是一个专门设计的气枪，它的发射范围大约在30～50 m，涂料球是一个表面涂满极微小玻璃细珠涂料的球体。在涂料球打到物体表面时，反光涂料将在物体表面形成直径约10 cm的反光目标，如图4所示。

图3　气动枪发射系统及涂料球

2　现场应用

目前，我国高速铁路桥梁主要采用连续等跨布置的32 m简支梁，在跨越山谷、河流、铁路、道路时，则采用大跨度连续梁等特殊结构。为验证激光多普勒远程测试仪在高铁桥梁检测中的适用性，现场试验选取了32 m简支箱梁和（75+120+75）m大跨度的连续梁。

32 m简支箱梁桥高6 m左右，试验列车采用8辆编组的CRH1型动车组，试验列车速度180 km/h，激光多普勒测试仪的激光照射方向与梁体竖向挠度的夹角为10°。（75+120+75）m预应力混凝土连续梁桥高25 m左右，试验列车采用8辆编组的CRH380A-001动车组，试验列车速度250 km/h，激光多普勒激光照射方向与梁体竖向挠度夹角为25°。为了准确对比，位移计悬丝法的吊点和激光多普勒反光片选在同一位置。

图5　位移计和激光多普勒测试挠度波形对比

实测挠度波形对比见图5。从图5中可以看出，32 m简支箱梁和（75+120+75）m连续梁采用位移计悬丝法和激光多普勒远程测试法的实测挠度波形一致。测试结果对比见表1。2种测试方法实测值相对误差均不超过5%，能够满足工程测量精度要求。实测结果表明多普勒远程测试仪在测试高铁桥梁小位移时，能够得到满意结果，可作为传统挠度测试的补充方法。

表1　位移计悬丝法和激光多普勒远程测试法结果对比

4　结论

1）激光多普勒挠度远程测试仪用桥梁挠度测量，操作简便，测试结果精度高，能够满足工程测量精度要求。

2）测试系统适用性强，可以测试跨越江河、峡谷、铁路的桥梁挠度；响应频率范围宽，能够完成高速铁路桥梁不同梁型、不同跨度，不同列车运行速度下的挠度测试。

［1］王巍，董振升.高速铁路桥梁竖向挠度检测技术与测试系统研究［R］.北京：中国铁道科学研究院，2014.

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［3］周健，龙兴武.差动激光多普勒测速仪在固体速度测量中的应用［J］.应用光学，2009，30（2）：334-337.

［4］汪涛，袁红，马泉之，等.激光多普勒信号的几种处理方法在Matlab中的实现［J］.现代电子技术，2012，35（13）：78-84.

［5］李正正，蔡虹，洪小刚，等.双光束激光多普勒测速系统［J］.物理实验，2005，25（3）：44-47.

［6］蓝海江.浅谈多普勒效应与多普勒测速［J］.柳州师专学报，1998，13（3）：74-79.

（责任审编郑冰）

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，助理研究员。

U446

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.11

1003-1995（2016）07-0042-03

2016-02-24；

2016-04-29