tdr遙測(cè)方法設(shè)備及其在橋梁的應(yīng)用

1、TDR遙測(cè)方法、設(shè)備及其在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用樊孝春，韋冰峰，鮑道銘（北京航天數(shù)據(jù)技術(shù)公司，北京100076）1前言隨著國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)的高速發(fā)展，公路橋梁的建設(shè)取得巨大的成就（公路立交橋超過(guò)60萬(wàn)座），并正快速發(fā)展。橋梁檢測(cè)隨之得到迅速發(fā)展。一直以來(lái)，公路橋梁的動(dòng)態(tài)（振動(dòng)、應(yīng)變等）檢測(cè)使用有線測(cè)量方法。使用該方法測(cè)量時(shí)，從分布的傳感器測(cè)點(diǎn)位置到布置測(cè)量?jī)x器設(shè)備的位置，需要很長(zhǎng)的引線電纜。然后再由二次儀表，連接到記錄設(shè)備，才能側(cè)連記錄測(cè)點(diǎn)的信號(hào)數(shù)據(jù)。圖1為有線測(cè)量方法示意圖。一般的壓電加速度振動(dòng)傳感器需要通過(guò)電荷放大器將電荷轉(zhuǎn)換為電壓，一個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)一路變換器。因此，當(dāng)加速度振動(dòng)傳感器測(cè)量路數(shù)較多時(shí)

2、，測(cè)量電纜、電荷放大器通道相應(yīng)增加，測(cè)量系統(tǒng)龐大。當(dāng)測(cè)點(diǎn)位置分散,布線、調(diào)試測(cè)量系統(tǒng)的工作量很大。采用內(nèi)置式加速度振動(dòng)傳感器測(cè)量，不需要使用電荷放大器，減少一個(gè)測(cè)量環(huán)節(jié)，但布線、調(diào)試測(cè)量系統(tǒng)的工作量沒(méi)有減，并且該類振動(dòng)傳感器需要直流供電，增加了一個(gè)電路環(huán)節(jié)。在橋梁的振動(dòng)測(cè)試中，有的橋梁需要測(cè)量?jī)蓚?cè)，有的橋梁長(zhǎng)度大,有的橋梁需要測(cè)量的測(cè)點(diǎn)多（如70多點(diǎn)），需要移動(dòng)傳感器、測(cè)量電纜、記錄設(shè)備，這些工作的強(qiáng)度和工作量是很大的。當(dāng)橋梁檢測(cè)不允許阻斷交通時(shí)，測(cè)量電纜布線受很多的限制，公共測(cè)點(diǎn)的設(shè)置難以實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)受到很大的影響。圖2應(yīng)變測(cè)量示意圖新橋梁竣工驗(yàn)收、危橋檢測(cè)中，需要進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試，以對(duì)橋梁進(jìn)行強(qiáng)

3、度校核。應(yīng)變的測(cè)量通常由應(yīng)變片、橋盒、測(cè)量電纜、應(yīng)變儀、記錄設(shè)備組成，應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)比振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)更龐大。應(yīng)變測(cè)量示意圖如圖2所示。有的橋梁進(jìn)行兩側(cè)一段橋身應(yīng)變測(cè)量，需要將數(shù)據(jù)記錄在同一測(cè)量系統(tǒng)中，此時(shí)，不僅需要長(zhǎng)電纜而且須跨越橋面。測(cè)試環(huán)節(jié)多，系統(tǒng)龐大，給橋梁應(yīng)變測(cè)試帶來(lái)了很大麻煩，限制了應(yīng)變測(cè)試的應(yīng)用。A/D為了改進(jìn)上述測(cè)試工作的弊端，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的探討、研究，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與微電子技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了將多路電荷放大器、應(yīng)變儀、低通濾波器、程控放大器、采集板、計(jì)算機(jī)集成一體的系統(tǒng)，如DSPS-2000,此類系統(tǒng)在橋梁振動(dòng)測(cè)試中將二次儀表和記錄設(shè)備合為一體，在橋梁應(yīng)變測(cè)試中將應(yīng)變儀和記錄設(shè)備合為一體

4、，大小與一個(gè)手提包差不多（工控機(jī)），而且可使用蓄電池（汽車用電池）供電，大大減少了測(cè)量環(huán)節(jié)，減少了工作量和減輕了工作強(qiáng)度，至今仍廣泛使用于橋梁振動(dòng)和應(yīng)變測(cè)試。圖3DSPS-2000振動(dòng)測(cè)量示意圖DSPS-2000進(jìn)行橋梁振動(dòng)、應(yīng)變測(cè)試示意圖如圖3、圖4所示。雖然DSPS-2000等高集成的采集分析系統(tǒng)在有線測(cè)量方法上對(duì)圖4DSPS-2000應(yīng)變測(cè)量示意圖減少測(cè)量環(huán)節(jié)、減化測(cè)試系統(tǒng)；減輕工作強(qiáng)度、提高工作效率；以及提高測(cè)試可靠性方面有很大改進(jìn)。但有線測(cè)量方法存在幾個(gè)固有缺陷：其一是拉線測(cè)量，未能從根本上解決工作量和強(qiáng)度大的問(wèn)題，在大中型橋梁的測(cè)試中尤其突出；其二是公共點(diǎn)，在不進(jìn)行交通管制狀態(tài)下，

5、設(shè)置公共點(diǎn)是困難的，很多情況下無(wú)法解決；其三是應(yīng)變的同時(shí)測(cè)量，在不進(jìn)行交通管制狀態(tài)下，難以解決同時(shí)測(cè)量橋梁兩側(cè)應(yīng)變問(wèn)題。這些缺陷使得有線測(cè)量對(duì)橋梁的動(dòng)態(tài)測(cè)試受到很大的限制，更很難應(yīng)用到鐵路橋梁的測(cè)試。為了解決橋梁有線測(cè)量方法存在的弊端，需要從方法上加以改變。一種直接的方法是遙測(cè)方法，即采用類似無(wú)線通信的方法：將測(cè)試信號(hào)轉(zhuǎn)化為射頻信號(hào)發(fā)送出來(lái)，通過(guò)遙測(cè)接收系統(tǒng)接收，解碼變換成物理信號(hào)后再進(jìn)行分析。但是這類遙測(cè)系統(tǒng)龐大,成本昂貴；為了遙測(cè)信號(hào)不出現(xiàn)錯(cuò)碼、漏碼、丟碼，對(duì)環(huán)境條件要求高，不適合車輛川流的公路橋梁檢測(cè)，更難在沒(méi)有遙測(cè)條件的鐵路橋梁上使用。另一種方法是本文介紹的無(wú)線遙測(cè)方法，這是一種遙控+

6、類似飛機(jī)黑匣子的方法：采用遙測(cè)控制、固態(tài)記錄方案。對(duì)所有測(cè)點(diǎn)的遙控、監(jiān)測(cè)通過(guò)一臺(tái)筆記本計(jì)算機(jī)和一臺(tái)上位機(jī)（大小約為筆記本的1/4）就可完成，測(cè)試系統(tǒng)很小。每一個(gè)測(cè)點(diǎn)附近配有一臺(tái)下位機(jī)（大小與上位機(jī)相同），解決了拉線問(wèn)題；由于控制計(jì)算機(jī)與測(cè)點(diǎn)的聯(lián)系和監(jiān)控是遙控，也就解決了公共點(diǎn)問(wèn)題；在控制計(jì)算機(jī)的遙控下，所有測(cè)點(diǎn)同時(shí)測(cè)量，解決了測(cè)量的同時(shí)性問(wèn)題；筆記本計(jì)算機(jī)、上位機(jī)、下位機(jī)都是充電電池供電，實(shí)際使用很方便。在測(cè)試中，這種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是保存在下位機(jī)的固態(tài)記錄器中，然后通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)奖O(jiān)控計(jì)算機(jī)，或通過(guò)USB將下位機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸給主機(jī)，因此不存在直接遙測(cè)方法的錯(cuò)碼、漏碼、丟碼問(wèn)題，解決了實(shí)時(shí)遙測(cè)存在的問(wèn)

7、題，很適合于公路橋梁檢測(cè)使用?？梢酝茰y(cè),該系統(tǒng)在鐵路橋梁有廣泛應(yīng)用前景。本文介紹一種橋梁動(dòng)態(tài)測(cè)試的TDR無(wú)線遙測(cè)測(cè)量方法，對(duì)組成TDR系統(tǒng)的硬件、軟件作了說(shuō)明，描述了TDR系統(tǒng)的特點(diǎn)，給出了北京市的若干座橋梁振動(dòng)陽(yáng)町過(guò)程和分析結(jié)果，對(duì)TDR系統(tǒng)的應(yīng)用前景作了預(yù)測(cè)。匚L2TDR測(cè)量方法概括來(lái)說(shuō)，橋梁動(dòng)態(tài)測(cè)試的TDR方法采用遙測(cè)/部分、控制部分，如圖5所示。前置部分是各測(cè)點(diǎn)傳感*一個(gè)傳感器配一臺(tái)下位機(jī)）立AE分D常無(wú)線發(fā)M一起一固為數(shù)據(jù)傳輸口前置部分的傳感器與下位機(jī)一般相距很近，用短電纜即可連接（如1米），工作量和工作強(qiáng)度大大減少。下位機(jī)是一個(gè)組成復(fù)雜的分系統(tǒng)，其組成如圖圖6下位機(jī)商晰示。圖5TD

8、R無(wú)線遙測(cè)系統(tǒng)“指令接收”部分的功能是接收控制計(jì)算機(jī)發(fā)出的聯(lián)絡(luò)、設(shè)置、采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎噶??！翱够鞛V波器”是A/D采集必須的前端，該濾波器是程控控制，有若干擋，可根據(jù)需要選取。“二次儀表”因測(cè)量對(duì)象不同而不同，測(cè)量振動(dòng)時(shí)，它是電荷放大器，測(cè)量應(yīng)變時(shí)，它是應(yīng)變儀，集成度高?！俺炭胤糯笃鳌惫δ苁菍?duì)信號(hào)增益放大，有若干擋可選取。A/D”是數(shù)據(jù)采集板，高精度?！肮虘B(tài)存儲(chǔ)器”存儲(chǔ)采集得到的數(shù)據(jù)?！盁o(wú)線發(fā)送”可將存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制計(jì)算機(jī)。“數(shù)據(jù)傳輸口”可通過(guò)電纜將存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)，傳輸速度很快。組成控制部分的計(jì)算機(jī)和上位機(jī)相距很近，控制計(jì)算機(jī)通過(guò)串口或USB口控制圖7控制部分構(gòu)成示意圖上位

9、機(jī)?？刂撇糠謽?gòu)成如圖7所示?！爸噶畎l(fā)送”的功能是向下位機(jī)發(fā)送控制計(jì)算機(jī)的聯(lián)絡(luò)、設(shè)置、采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)戎噶睢！盃顟B(tài)監(jiān)測(cè)”實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)下位機(jī)與上位機(jī)的聯(lián)絡(luò)、下位機(jī)的狀態(tài)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等?！盁o(wú)線接收數(shù)據(jù)”接收下位機(jī)無(wú)線發(fā)送過(guò)來(lái)的存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)?！皵?shù)據(jù)通訊口”通過(guò)電纜與下位機(jī)連接，將下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)，傳輸速度很快。由于下位機(jī)在測(cè)點(diǎn)旁邊，下位機(jī)與上位機(jī)的聯(lián)系通過(guò)無(wú)線進(jìn)行，解決了有線測(cè)量的拉線問(wèn)題。下位機(jī)與上位機(jī)可根據(jù)需要研制成2Km5Km或10Km距離的通訊系統(tǒng)，因此，對(duì)大跨度、超大跨度或復(fù)雜的橋梁的動(dòng)態(tài)測(cè)試也就變成簡(jiǎn)單易行了；與有線測(cè)量相比，其工作量、工作強(qiáng)度減少了一個(gè)數(shù)量級(jí)，工作效率大大提高。因?yàn)?/p>

10、TDR系統(tǒng)可以長(zhǎng)距離無(wú)線通訊，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，振動(dòng)測(cè)試中的公共點(diǎn)問(wèn)題迎刃而解。傳感器、下位機(jī)、上位機(jī)、控制計(jì)算機(jī)（如筆記本）組成的測(cè)試系統(tǒng)很輕便，適合在橋梁現(xiàn)場(chǎng)操作。TDR系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)采用固態(tài)記錄，不是實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸，沒(méi)有錯(cuò)碼、漏碼、丟碼的問(wèn)題。由于TDR系統(tǒng)構(gòu)成特點(diǎn)，其成本比實(shí)時(shí)遙測(cè)系統(tǒng)低得多。由此看，TDR圖8TDR測(cè)量系統(tǒng)上位機(jī)圖9TDR測(cè)量系統(tǒng)下位機(jī)測(cè)試系統(tǒng)兼有實(shí)時(shí)無(wú)線傳輸系統(tǒng)和有線測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，挨棄了它們的缺點(diǎn)，擁有巨大優(yōu)勢(shì)。3TDR設(shè)備及軟件TDR測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備主要有上位機(jī)、下位機(jī)、控制計(jì)算機(jī)、傳感器。圖8為TDR系統(tǒng)的上位機(jī)，圖9為TDR系統(tǒng)的下位機(jī)。功能和特點(diǎn)：每次試驗(yàn)根據(jù)信號(hào)

11、和任務(wù)要求，由主控命令確定采樣頻率、采樣時(shí)間、采樣通道和總通道數(shù)；根據(jù)內(nèi)部存儲(chǔ)量的大小，可進(jìn)行多次試驗(yàn)記錄（032次）；應(yīng)變測(cè)量可自動(dòng)預(yù)調(diào)平衡；分散在不同位置的各采集裝置可由主控命令控制同時(shí)采集；數(shù)據(jù)可通過(guò)無(wú)線遠(yuǎn)距傳輸，或直接“對(duì)接”方式傳入計(jì)算機(jī)；無(wú)線傳輸時(shí)，可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)，也可按主控命令要求傳輸某測(cè)量段的一定數(shù)據(jù)量；數(shù)據(jù)傳輸可含CRC（循環(huán)冗余碼）檢驗(yàn)，通過(guò)軟件高效快速地完成錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)；可以選用內(nèi)外兩種電源供電，便于野外操作；可根據(jù)需要將遙測(cè)數(shù)據(jù)記錄器制作成防水密封件。主要技術(shù)指標(biāo)：采集頻率：0.150kHz記錄容量：0.532兆數(shù)據(jù)采集精度：12位和16位振動(dòng)測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍：0.0

12、001g5000g（根據(jù)需要定量程）振動(dòng)測(cè)量頻率范圍：0.1Hz20kHz（根據(jù)需要定截止頻率）；應(yīng)變測(cè)量量程：土100£土50000£（根據(jù)需要分檔）應(yīng)變測(cè)量頻率范圍：DC20kHz（根據(jù)需要定截止頻率）應(yīng)變測(cè)量自動(dòng)平衡范圍：土100£±50000&（等同于測(cè)量量程）應(yīng)變測(cè)量應(yīng)變計(jì)；單臂120Q或350Q，半橋或全橋501000Q無(wú)線數(shù)傳工作頻段300500MHz,需要時(shí)可編設(shè)工作頻點(diǎn)數(shù)傳速率9.6Kbps或1.2Kbps無(wú)線傳輸距離分如下數(shù)檔：100m,1Km,2Km,5Km（根據(jù)需要定）工作電壓DC510V工作溫度-30-+80C或0-+6

13、0C多通道，每個(gè)系統(tǒng)可以帶256臺(tái)遙測(cè)數(shù)據(jù)記錄器，每臺(tái)可以有1或2個(gè)通道（根據(jù)需要定）TDR測(cè)試系統(tǒng)軟件為TDR遙測(cè)數(shù)據(jù)控制和采集系統(tǒng)軟件，主要功能為聯(lián)絡(luò)、設(shè)置、采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?TDR技術(shù)在橋梁測(cè)試中的應(yīng)用4.1朝陽(yáng)門橋朝陽(yáng)門橋測(cè)試位置為橋的北側(cè)，測(cè)點(diǎn)分布圖如圖10所示。典型測(cè)點(diǎn)時(shí)間歷程和譜圖如圖11所示。圖10朝陽(yáng)門橋北側(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖(b)圖11典型測(cè)點(diǎn)時(shí)間歷程圖和譜圖分析得到朝陽(yáng)門橋垂直方向一階模態(tài)頻率為6.25Hz，阻尼為2.2%;水平橫向一階模態(tài)頻率為5.2Hz。垂直方向一階模態(tài)振型如圖12所示。圖12朝陽(yáng)門橋垂直一階振型圖4.2官園橋官園橋測(cè)試位置為橋的東側(cè)，測(cè)點(diǎn)分布圖如圖13所示。典型測(cè)點(diǎn)時(shí)間歷程和譜圖如圖14所示。北圖13官園橋東側(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖(a)(b)圖14典型測(cè)點(diǎn)時(shí)間歷程圖和譜圖分析得到官園橋垂直方向一階模態(tài)頻率為3.125Hz，阻尼為2.9%;水平橫向一階模態(tài)頻率為2.75Hz。垂直方向一階模態(tài)振型如圖15所示。4.3安貞橋安貞橋測(cè)試位置為橋的西側(cè)，測(cè)點(diǎn)分布圖如圖16所示。圖16安貞橋西側(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖分析得到安貞橋垂直方向一階模態(tài)頻率為7.875Hz，阻尼為1.1%;水平橫向一階模態(tài)頻率為10.5Hz。垂直方向一階模態(tài)振型是整體帶彎曲平動(dòng)，局部中部局部彎曲，橋墩處未能約束，如圖17所示。圖17安貞橋