激光檢測(cè)技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2010-01-14 共1頁(yè)
1 前言
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為公路工程建設(shè)提供了各種新材料、新方法、新工藝，同時(shí)也提供了各種新的測(cè)試方法。激光的相干性強(qiáng)、亮度高、方向性好，激光技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)方面的應(yīng)用有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。本文就激光技術(shù)在路基路面彎沉檢測(cè)、路面質(zhì)量檢測(cè)等方面的應(yīng)用作一簡(jiǎn)要介紹。
2 激光測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用
2.1 利用激光技術(shù)測(cè)量路面的彎沉
2.1.1 激光彎沉測(cè)定儀的主要結(jié)構(gòu)及功能
激光彎沉測(cè)定儀主要包括激光器、光電轉(zhuǎn)化測(cè)頭、放器、電橋和顯示表頭等（ 見(jiàn)圖1）
對(duì)于野外作業(yè)來(lái)講，目前激光器的選擇以半導(dǎo)體激光發(fā)生器為宜。光電轉(zhuǎn)化測(cè)頭是將激光能量轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置，一般選用硅光電池作為轉(zhuǎn)化元件。硅光電池具有較多的轉(zhuǎn)化特點(diǎn)： a） 光生伏特效應(yīng)顯著， 轉(zhuǎn)化率高，一般能達(dá)到60%左右， 即光能的絕部分可轉(zhuǎn)化為電能； b） 產(chǎn)品成熟，性能穩(wěn)定，工作可靠性高；c） 壽命長(zhǎng)； d） 分辨率高； e） 使用方便，價(jià)格便宜。放器用于放光電流。電橋作為補(bǔ)償調(diào)零之用，以消除由于陽(yáng)光余輝作用產(chǎn)生的少量光電流。顯示表頭與電橋調(diào)零表頭共用，表征彎沉值的光電流即是從該電流表讀出的。由于一般光電流為微安級(jí)，因此，為確保測(cè)讀精度，以采用微安表為宜。
2.1.2 儀器的工作原理
光電流的增加或減少與硅光電池測(cè)頭的變動(dòng)距離有密切關(guān)系。光電流少時(shí)，落入小孔的激光量也少，說(shuō)明路面回彈變形； 而光電流時(shí)，落入小孔且射到硅光電池上的激光量增加，則意味著路面（ 或路基） 的回彈變形增。因此， 通過(guò)光電流的小，完全可以測(cè)出路面實(shí)際回彈變形的數(shù)值， 這就是利用激光- 硅光電池測(cè)定路基路面回彈彎沉值的基本工作原理。
2.1.3 儀器應(yīng)用的技術(shù)要點(diǎn)
2.1.3.1 儀器標(biāo)定
激光彎沉測(cè)定儀與其他測(cè)定儀器一樣，也需要標(biāo)定，以得到實(shí)用的“標(biāo)定線”。儀器標(biāo)定工作一般在室內(nèi)進(jìn)行，根據(jù)我國(guó)目前的路面剛度情況， 可以將激光的射程光束定為5m.
2.1.3.2 硅光電池的選擇
硅光電池是激光彎沉儀的核心部件，在設(shè)計(jì)儀器時(shí)可根據(jù)變形量需要精心選擇，一般可以根據(jù)入射光強(qiáng)度以及變形量變化小綜合挑選。
2.1.3.3 光電流溫度修正
一般硅光電池的工作溫度為30℃，當(dāng)超過(guò)30℃時(shí)，光電流的產(chǎn)生將要受到溫度影響，而在野外進(jìn)行彎沉測(cè)定有時(shí)路面溫度超過(guò)了30℃，為此，需要對(duì)光電流進(jìn)行溫度影響修正。
2.1.3.4 光點(diǎn)的校正
當(dāng)入射光照射到硅光電池上的光面積必須是長(zhǎng)方形或正方形時(shí)，入射光的光強(qiáng)與產(chǎn)生的光電流才呈線性關(guān)系。但激光器發(fā)射出的激光在自然條件下是紅色的圓點(diǎn)，為此，必須對(duì)自然光點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)處理。這種技術(shù)處理比較簡(jiǎn)單，只需要在激光器發(fā)射口上套一個(gè)光罩，其上開(kāi)一個(gè)方形口子，小可以調(diào)節(jié)，便可使落在硅光電池上的光成為長(zhǎng)方形或正方形光束。
2.1.4 激光彎沉測(cè)定儀的應(yīng)用
激光彎沉儀操作簡(jiǎn)單、精度高、讀數(shù)穩(wěn)定、體積小、質(zhì)量特輕、造價(jià)低， 而且容易開(kāi)發(fā)研制，特別是這種儀器是依靠光線作為臂長(zhǎng)的，可以射得很遠(yuǎn)，由于激光發(fā)射角窄，光點(diǎn)小而亮，這給剛度的路面彎沉測(cè)量提供了條件。隨著公路路面剛度半徑的提高，彎沉影響的半徑也越來(lái)越。有統(tǒng)計(jì)表明，60年代時(shí)的中級(jí)路面的彎沉影響半徑為0.5m～1m，70年代三級(jí)瀝青路面為1m～1.5m，二級(jí)路面為1.5m～2m，90年代高等級(jí)公路興建后，路面彎沉影響半徑普遍發(fā)%%展到3m，有的已達(dá)到4m以上。在這種情況下，現(xiàn)行彎沉測(cè)定儀臂長(zhǎng)的支點(diǎn)已落入彎沉影響區(qū)內(nèi)，使得測(cè)定值偏小，造成測(cè)量誤差。因此，激光彎沉測(cè)定儀的應(yīng)用就有了很重要的現(xiàn)實(shí)意義。
2.2 利用激光技術(shù)測(cè)量路面平整度
對(duì)路面平整度可定義為： 路面表面誘使行駛車輛出現(xiàn)振動(dòng)的高程變化。由于路面不平整引起車輛振動(dòng)，它便對(duì)車輛磨損、燃油消耗、行駛舒適性、路面損壞等產(chǎn)生了直接影響。因此，平整度便成為度量路面使用性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其特性和量測(cè)方法也成為道路工程中最為關(guān)注的問(wèn)題之一。在以往的發(fā)展過(guò)程中，曾提出過(guò)多種平整度測(cè)定方法和儀器，體可劃分為兩類： a） 斷面類平整度測(cè)定；b） 反應(yīng)類平整度測(cè)定。英國(guó)、美國(guó)、日本近年來(lái)都相繼研制和使用了一種以非接觸式激光傳感器為基礎(chǔ)建立的斷面測(cè)量?jī)x，利用該儀器，可在50km/h～80km/h的車速下，測(cè)量路面縱斷面、橫斷面、路面紋理深度和輪跡車轍深度，其測(cè)量的基本原理如下：將激光發(fā)射和接收單元安裝在三個(gè)%%剛性梁上，并使發(fā)射和接收軸線相互垂直。激光器發(fā)射激光束照射路面，光束一部分被散射，另一部分由接收透鏡接收，并在接收器上聚焦。當(dāng)路面縱斷面出現(xiàn)起伏時(shí)，接收光必聚焦在相對(duì)中心位置有一位移之處，將該位移量與標(biāo)定值比較，就可計(jì)算出傳感器與路面的垂直距離，并由儀器自動(dòng)描繪斷面圖，或給出具體值。用該測(cè)量?jī)x測(cè)量車轍輪跡的方法與上述原理相似，都是用激光傳感器測(cè)量距路面軸線的高度，將它測(cè)量車轍深度的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測(cè)量方法——直尺和楔形塊測(cè)量的數(shù)據(jù)相比較，兩種測(cè)量結(jié)果趨向一致，相差在±2mm以內(nèi)，這其中包括了直尺測(cè)量誤差和激光系統(tǒng)的測(cè)量誤差。測(cè)得的車轍深度數(shù)據(jù)可存貯在軟盤(pán)上或顯示打印。激光斷面測(cè)量?jī)x還可配以攝像機(jī)，拍攝路面狀況，配合激光傳感器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)辨認(rèn)1mm以上的裂縫，對(duì)路面質(zhì)量、路況評(píng)估很有實(shí)用價(jià)值。隨著我國(guó)高速公路里程總數(shù)的快速增長(zhǎng)，對(duì)道路質(zhì)量的管理水平也相應(yīng)提高，我國(guó)目前已有多家科研和工程單位引進(jìn)了這種高效的斷面驗(yàn)平儀，但國(guó)內(nèi)產(chǎn)品尚未見(jiàn)報(bào)道。
3 結(jié)語(yǔ)
本文介紹了激光檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)及其原理，并且簡(jiǎn)要地介紹了其在公路工程中的應(yīng)用，例如利用激光彎沉儀檢測(cè)路面彎沉，利用激光平整度儀檢測(cè)路面質(zhì)量，包括縱斷面、紋理深度、車轍深度等。相信隨著激光技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其在公路工程領(lǐng)域中的應(yīng)用將更加廣泛。
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為公路工程建設(shè)提供了各種新材料、新方法、新工藝，同時(shí)也提供了各種新的測(cè)試方法。激光的相干性強(qiáng)、亮度高、方向性好，激光技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)方面的應(yīng)用有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。本文就激光技術(shù)在路基路面彎沉檢測(cè)、路面質(zhì)量檢測(cè)等方面的應(yīng)用作一簡(jiǎn)要介紹。
2 激光測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用
2.1 利用激光技術(shù)測(cè)量路面的彎沉
2.1.1 激光彎沉測(cè)定儀的主要結(jié)構(gòu)及功能
激光彎沉測(cè)定儀主要包括激光器、光電轉(zhuǎn)化測(cè)頭、放器、電橋和顯示表頭等（ 見(jiàn)圖1）
對(duì)于野外作業(yè)來(lái)講，目前激光器的選擇以半導(dǎo)體激光發(fā)生器為宜。光電轉(zhuǎn)化測(cè)頭是將激光能量轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置，一般選用硅光電池作為轉(zhuǎn)化元件。硅光電池具有較多的轉(zhuǎn)化特點(diǎn)： a） 光生伏特效應(yīng)顯著， 轉(zhuǎn)化率高，一般能達(dá)到60%左右， 即光能的絕部分可轉(zhuǎn)化為電能； b） 產(chǎn)品成熟，性能穩(wěn)定，工作可靠性高；c） 壽命長(zhǎng)； d） 分辨率高； e） 使用方便，價(jià)格便宜。放器用于放光電流。電橋作為補(bǔ)償調(diào)零之用，以消除由于陽(yáng)光余輝作用產(chǎn)生的少量光電流。顯示表頭與電橋調(diào)零表頭共用，表征彎沉值的光電流即是從該電流表讀出的。由于一般光電流為微安級(jí)，因此，為確保測(cè)讀精度，以采用微安表為宜。
2.1.2 儀器的工作原理
光電流的增加或減少與硅光電池測(cè)頭的變動(dòng)距離有密切關(guān)系。光電流少時(shí)，落入小孔的激光量也少，說(shuō)明路面回彈變形； 而光電流時(shí)，落入小孔且射到硅光電池上的激光量增加，則意味著路面（ 或路基） 的回彈變形增。因此， 通過(guò)光電流的小，完全可以測(cè)出路面實(shí)際回彈變形的數(shù)值， 這就是利用激光- 硅光電池測(cè)定路基路面回彈彎沉值的基本工作原理。
2.1.3 儀器應(yīng)用的技術(shù)要點(diǎn)
2.1.3.1 儀器標(biāo)定
激光彎沉測(cè)定儀與其他測(cè)定儀器一樣，也需要標(biāo)定，以得到實(shí)用的“標(biāo)定線”。儀器標(biāo)定工作一般在室內(nèi)進(jìn)行，根據(jù)我國(guó)目前的路面剛度情況， 可以將激光的射程光束定為5m.
2.1.3.2 硅光電池的選擇
硅光電池是激光彎沉儀的核心部件，在設(shè)計(jì)儀器時(shí)可根據(jù)變形量需要精心選擇，一般可以根據(jù)入射光強(qiáng)度以及變形量變化小綜合挑選。
2.1.3.3 光電流溫度修正
一般硅光電池的工作溫度為30℃，當(dāng)超過(guò)30℃時(shí)，光電流的產(chǎn)生將要受到溫度影響，而在野外進(jìn)行彎沉測(cè)定有時(shí)路面溫度超過(guò)了30℃，為此，需要對(duì)光電流進(jìn)行溫度影響修正。
2.1.3.4 光點(diǎn)的校正
當(dāng)入射光照射到硅光電池上的光面積必須是長(zhǎng)方形或正方形時(shí)，入射光的光強(qiáng)與產(chǎn)生的光電流才呈線性關(guān)系。但激光器發(fā)射出的激光在自然條件下是紅色的圓點(diǎn)，為此，必須對(duì)自然光點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)處理。這種技術(shù)處理比較簡(jiǎn)單，只需要在激光器發(fā)射口上套一個(gè)光罩，其上開(kāi)一個(gè)方形口子，小可以調(diào)節(jié)，便可使落在硅光電池上的光成為長(zhǎng)方形或正方形光束。
2.1.4 激光彎沉測(cè)定儀的應(yīng)用
激光彎沉儀操作簡(jiǎn)單、精度高、讀數(shù)穩(wěn)定、體積小、質(zhì)量特輕、造價(jià)低， 而且容易開(kāi)發(fā)研制，特別是這種儀器是依靠光線作為臂長(zhǎng)的，可以射得很遠(yuǎn)，由于激光發(fā)射角窄，光點(diǎn)小而亮，這給剛度的路面彎沉測(cè)量提供了條件。隨著公路路面剛度半徑的提高，彎沉影響的半徑也越來(lái)越。有統(tǒng)計(jì)表明，60年代時(shí)的中級(jí)路面的彎沉影響半徑為0.5m～1m，70年代三級(jí)瀝青路面為1m～1.5m，二級(jí)路面為1.5m～2m，90年代高等級(jí)公路興建后，路面彎沉影響半徑普遍發(fā)%%展到3m，有的已達(dá)到4m以上。在這種情況下，現(xiàn)行彎沉測(cè)定儀臂長(zhǎng)的支點(diǎn)已落入彎沉影響區(qū)內(nèi)，使得測(cè)定值偏小，造成測(cè)量誤差。因此，激光彎沉測(cè)定儀的應(yīng)用就有了很重要的現(xiàn)實(shí)意義。
2.2 利用激光技術(shù)測(cè)量路面平整度
對(duì)路面平整度可定義為： 路面表面誘使行駛車輛出現(xiàn)振動(dòng)的高程變化。由于路面不平整引起車輛振動(dòng)，它便對(duì)車輛磨損、燃油消耗、行駛舒適性、路面損壞等產(chǎn)生了直接影響。因此，平整度便成為度量路面使用性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其特性和量測(cè)方法也成為道路工程中最為關(guān)注的問(wèn)題之一。在以往的發(fā)展過(guò)程中，曾提出過(guò)多種平整度測(cè)定方法和儀器，體可劃分為兩類： a） 斷面類平整度測(cè)定；b） 反應(yīng)類平整度測(cè)定。英國(guó)、美國(guó)、日本近年來(lái)都相繼研制和使用了一種以非接觸式激光傳感器為基礎(chǔ)建立的斷面測(cè)量?jī)x，利用該儀器，可在50km/h～80km/h的車速下，測(cè)量路面縱斷面、橫斷面、路面紋理深度和輪跡車轍深度，其測(cè)量的基本原理如下：將激光發(fā)射和接收單元安裝在三個(gè)%%剛性梁上，并使發(fā)射和接收軸線相互垂直。激光器發(fā)射激光束照射路面，光束一部分被散射，另一部分由接收透鏡接收，并在接收器上聚焦。當(dāng)路面縱斷面出現(xiàn)起伏時(shí)，接收光必聚焦在相對(duì)中心位置有一位移之處，將該位移量與標(biāo)定值比較，就可計(jì)算出傳感器與路面的垂直距離，并由儀器自動(dòng)描繪斷面圖，或給出具體值。用該測(cè)量?jī)x測(cè)量車轍輪跡的方法與上述原理相似，都是用激光傳感器測(cè)量距路面軸線的高度，將它測(cè)量車轍深度的數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)測(cè)量方法——直尺和楔形塊測(cè)量的數(shù)據(jù)相比較，兩種測(cè)量結(jié)果趨向一致，相差在±2mm以內(nèi)，這其中包括了直尺測(cè)量誤差和激光系統(tǒng)的測(cè)量誤差。測(cè)得的車轍深度數(shù)據(jù)可存貯在軟盤(pán)上或顯示打印。激光斷面測(cè)量?jī)x還可配以攝像機(jī)，拍攝路面狀況，配合激光傳感器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)辨認(rèn)1mm以上的裂縫，對(duì)路面質(zhì)量、路況評(píng)估很有實(shí)用價(jià)值。隨著我國(guó)高速公路里程總數(shù)的快速增長(zhǎng)，對(duì)道路質(zhì)量的管理水平也相應(yīng)提高，我國(guó)目前已有多家科研和工程單位引進(jìn)了這種高效的斷面驗(yàn)平儀，但國(guó)內(nèi)產(chǎn)品尚未見(jiàn)報(bào)道。
3 結(jié)語(yǔ)
本文介紹了激光檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)及其原理，并且簡(jiǎn)要地介紹了其在公路工程中的應(yīng)用，例如利用激光彎沉儀檢測(cè)路面彎沉，利用激光平整度儀檢測(cè)路面質(zhì)量，包括縱斷面、紋理深度、車轍深度等。相信隨著激光技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其在公路工程領(lǐng)域中的應(yīng)用將更加廣泛。
