基于激光多普勒的索力测量系统设计与研究基于激光多普勒的索力测量系统设计与研究
根据激光多普勒测振工作原理,设计了一种小型低频高精度激光多普勒测振系统并用于桥梁斜拉索索力测量。
首先分析外差式声光移频激光多普勒测振系统的频率稳定特性,提出直接数字频率合成驱动串行双移频器构成
的外差式激光多普勒测振计,并利用自适应滤波器消除测振系统中环境振动带来的干扰。利用自行研制的低频
测振系统开展了低频测振实验与拉索实测。实验表明,基于DDS的移频系统有很高的频率稳定度,测振计的本
底噪音分布平坦,且测振系统有很强的抗震能力和高分辨率,可以用于工程现场快速索力测量工作。
0 引言引言
桥梁中承担桥梁荷载的一个重要构件是拉索,该构件控制整个结构物的应力分布,整座桥的应力分布可以用作衡量结构状
态健康与否的重要指标。大地脉动、风雨等环境激励引起的拉索振动,以及在桥梁的运营过程中拉索遭受的损害都可能导致应
力分布发生改变,从而给大跨度结构带来灾难性后果。因此在工程施工期和运营期,都有必要检测拉索力的变化。在拉索桥索
力测量工程中,利用速度、加速度等传感器对微弱振动进行测量的索力测量方法是目前广泛使用的一类方法,但是该类测量方
案均采用接触式测量
[1-5]
。
随着激光多普勒测振技术的飞速发展, 可以实现远距离、非接触测量各种微弱振动目标的运动速度及其微小变化。相对传统
的声信号探测手段而言,基于激光多普勒的测振方法具有更好的灵活性、机动性,能够克服工作环境的限制。大量的研究集中
在基于激光多普勒测振的声光通信方面,军事上美国海军水下战争中心的BLACKMON F A等
[6]
在声光通信方面做了大量研究,
提出并验证了声光通信的可行性和有效性。激光多普勒测振技术具有精度高、抗干扰能力强、保密性好等特点,消除了水体对
激光传输的限制,因而可能成为一种与水下目标通信的技术手段。激光多普勒测振的分辨率一直以来不断提高
[7]
,但是在桥梁
等工程测振领域中更多地关心结构的低频振动信息,因此对激光多普勒测振系统中的频率稳定性和分辨率提出了更高要求
[8-
13]
。在激光多普勒测振技术中,无失真鉴频是非常关键的技术,而一般基于双路移频器低频外差式激光多普勒测振系统中双
路移频器不同的噪声特性无法消除,因此目前工程上激光多普勒测速系统的频率范围和分辨率不能满足桥梁斜拉索频率法测量
索力的要求。
本文根据激光多普勒测振相干检测工作原理, 设计了一种小型超低频高精度激光多普勒测振系统并用于实际桥梁拉索索力测
量。由平衡探测器直接获取激光回波反射信号,利用自适应滤波器消除环境振动对激光多普勒系统带来的环境振动干扰,进而
提取低频多普勒频移信息,增强了系统的灵活性和实用性, 利于系统集成以及后期处理。文中介绍了探测的原理和电路的实现
方法, 并进行了实验。实验表明,测振计的本底噪音分布平坦,性能优于传统电磁式速度传感器、压电式加速度传感器,完全
满足工程现场索力测量要求。
1 频率法测索力基本原理频率法测索力基本原理
频率法测量索力的基本原理是利用拉索自由振动时其内部应力与低频振动频率之间的关系进行间接测量。一根能够自由振
动的拉索,其自由振动方程如下式:
其中,m为每米拉索质量(假设质量均匀),EI表示抗弯刚度,y=y(x,t)表示拉索在t时刻垂直于索轴向的位移,t、x分别表示时
间坐标、沿索向的位置坐标。同时考虑垂度影响,求解得到拉索内部轴向应力F与振动频率f
n
的关系为:
其中,l表示索的自由长度,n为振动频率的阶数。
2 外差式激光多普勒系统外差式激光多普勒系统
2.1 串行双移频器外差激光多普勒系统设计串行双移频器外差激光多普勒系统设计