激光檢測技術在公路工程中的應用
發布時間：2010-01-14 共1頁
1 前言
現代科學技術的發展為公路工程建設提供了各種新材料、新方法、新工藝，同時也提供了各種新的測試方法。激光的相干性強、亮度高、方向性好，激光技術在無損檢測方面的應用有獨特的優點。本文就激光技術在路基路面彎沉檢測、路面質量檢測等方面的應用作一簡要介紹。
2 激光測試技術的應用
2.1 利用激光技術測量路面的彎沉
2.1.1 激光彎沉測定儀的主要結構及功能
激光彎沉測定儀主要包括激光器、光電轉化測頭、放器、電橋和顯示表頭等（ 見圖1）
對于野外作業來講，目前激光器的選擇以半導體激光發生器為宜。光電轉化測頭是將激光能量轉化為電能的一種裝置，一般選用硅光電池作為轉化元件。硅光電池具有較多的轉化特點： a） 光生伏特效應顯著， 轉化率高，一般能達到60%左右， 即光能的絕部分可轉化為電能； b） 產品成熟，性能穩定，工作可靠性高；c） 壽命長； d） 分辨率高； e） 使用方便，價格便宜。放器用于放光電流。電橋作為補償調零之用，以消除由于陽光余輝作用產生的少量光電流。顯示表頭與電橋調零表頭共用，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，因此，為確保測讀精度，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頭的變動距離有密切關系。光電流少時，落入小孔的激光量也少，說明路面回彈變形； 而光電流時，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， 通過光電流的小，完全可以測出路面實際回彈變形的數值， 這就是利用激光- 硅光電池測定路基路面回彈彎沉值的基本工作原理。
2.1.3 儀器應用的技術要點
2.1.3.1 儀器標定
激光彎沉測定儀與其他測定儀器一樣，也需要標定，以得到實用的“標定線”。儀器標定工作一般在室內進行，根據我國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，在設計儀器時可根據變形量需要精心選擇，一般可以根據入射光強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℃，當超過30℃時，光電流的產生將要受到溫度影響，而在野外進行彎沉測定有時路面溫度超過了30℃，為此，需要對光電流進行溫度影響修正。
2.1.3.4 光點的校正
當入射光照射到硅光電池上的光面積必須是長方形或正方形時，入射光的光強與產生的光電流才呈線性關系。但激光器發射出的激光在自然條件下是紅色的圓點，為此，必須對自然光點進行技術處理。這種技術處理比較簡單，只需要在激光器發射口上套一個光罩，其上開一個方形口子，小可以調節，便可使落在硅光電池上的光成為長方形或正方形光束。
2.1.4 激光彎沉測定儀的應用
激光彎沉儀操作簡單、精度高、讀數穩定、體積小、質量特輕、造價低， 而且容易開發研制，特別是這種儀器是依靠光線作為臂長的，可以射得很遠，由于激光發射角窄，光點小而亮，這給剛度的路面彎沉測量提供了條件。隨著公路路面剛度半徑的提高，彎沉影響的半徑也越來越。有統計表明，60年代時的中級路面的彎沉影響半徑為0.5m～1m，70年代三級瀝青路面為1m～1.5m，二級路面為1.5m～2m，90年代高等級公路興建后，路面彎沉影響半徑普遍發%%展到3m，有的已達到4m以上。在這種情況下，現行彎沉測定儀臂長的支點已落入彎沉影響區內，使得測定值偏小，造成測量誤差。因此，激光彎沉測定儀的應用就有了很重要的現實意義。
2.2 利用激光技術測量路面平整度
對路面平整度可定義為： 路面表面誘使行駛車輛出現振動的高程變化。由于路面不平整引起車輛振動，它便對車輛磨損、燃油消耗、行駛舒適性、路面損壞等產生了直接影響。因此，平整度便成為度量路面使用性能的一項重要指標，其特性和量測方法也成為道路工程中最為關注的問題之一。在以往的發展過程中，曾提出過多種平整度測定方法和儀器，體可劃分為兩類： a） 斷面類平整度測定；b） 反應類平整度測定。英國、美國、日本近年來都相繼研制和使用了一種以非接觸式激光傳感器為基礎建立的斷面測量儀，利用該儀器，可在50km/h～80km/h的車速下，測量路面縱斷面、橫斷面、路面紋理深度和輪跡車轍深度，其測量的基本原理如下：將激光發射和接收單元安裝在三個%%剛性梁上，并使發射和接收軸線相互垂直。激光器發射激光束照射路面，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。當路面縱斷面出現起伏時，接收光必聚焦在相對中心位置有一位移之處，將該位移量與標定值比較，就可計算出傳感器與路面的垂直距離，并由儀器自動描繪斷面圖，或給出具體值。用該測量儀測量車轍輪跡的方法與上述原理相似，都是用激光傳感器測量距路面軸線的高度，將它測量車轍深度的數據與傳統測量方法——直尺和楔形塊測量的數據相比較，兩種測量結果趨向一致，相差在±2mm以內，這其中包括了直尺測量誤差和激光系統的測量誤差。測得的車轍深度數據可存貯在軟盤上或顯示打印。激光斷面測量儀還可配以攝像機，拍攝路面狀況，配合激光傳感器和計算機系統自動辨認1mm以上的裂縫，對路面質量、路況評估很有實用價值。隨著我國高速公路里程總數的快速增長，對道路質量的管理水平也相應提高，我國目前已有多家科研和工程單位引進了這種高效的斷面驗平儀，但國內產品尚未見報道。
3 結語
本文介紹了激光檢測技術的特點及其原理，并且簡要地介紹了其在公路工程中的應用，例如利用激光彎沉儀檢測路面彎沉，利用激光平整度儀檢測路面質量，包括縱斷面、紋理深度、車轍深度等。相信隨著激光技術的進一步發展，其在公路工程領域中的應用將更加廣泛。
現代科學技術的發展為公路工程建設提供了各種新材料、新方法、新工藝，同時也提供了各種新的測試方法。激光的相干性強、亮度高、方向性好，激光技術在無損檢測方面的應用有獨特的優點。本文就激光技術在路基路面彎沉檢測、路面質量檢測等方面的應用作一簡要介紹。
2 激光測試技術的應用
2.1 利用激光技術測量路面的彎沉
2.1.1 激光彎沉測定儀的主要結構及功能
激光彎沉測定儀主要包括激光器、光電轉化測頭、放器、電橋和顯示表頭等（ 見圖1）
對于野外作業來講，目前激光器的選擇以半導體激光發生器為宜。光電轉化測頭是將激光能量轉化為電能的一種裝置，一般選用硅光電池作為轉化元件。硅光電池具有較多的轉化特點： a） 光生伏特效應顯著， 轉化率高，一般能達到60%左右， 即光能的絕部分可轉化為電能； b） 產品成熟，性能穩定，工作可靠性高；c） 壽命長； d） 分辨率高； e） 使用方便，價格便宜。放器用于放光電流。電橋作為補償調零之用，以消除由于陽光余輝作用產生的少量光電流。顯示表頭與電橋調零表頭共用，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，因此，為確保測讀精度，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頭的變動距離有密切關系。光電流少時，落入小孔的激光量也少，說明路面回彈變形； 而光電流時，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， 通過光電流的小，完全可以測出路面實際回彈變形的數值， 這就是利用激光- 硅光電池測定路基路面回彈彎沉值的基本工作原理。
2.1.3 儀器應用的技術要點
2.1.3.1 儀器標定
激光彎沉測定儀與其他測定儀器一樣，也需要標定，以得到實用的“標定線”。儀器標定工作一般在室內進行，根據我國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，在設計儀器時可根據變形量需要精心選擇，一般可以根據入射光強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℃，當超過30℃時，光電流的產生將要受到溫度影響，而在野外進行彎沉測定有時路面溫度超過了30℃，為此，需要對光電流進行溫度影響修正。
2.1.3.4 光點的校正
當入射光照射到硅光電池上的光面積必須是長方形或正方形時，入射光的光強與產生的光電流才呈線性關系。但激光器發射出的激光在自然條件下是紅色的圓點，為此，必須對自然光點進行技術處理。這種技術處理比較簡單，只需要在激光器發射口上套一個光罩，其上開一個方形口子，小可以調節，便可使落在硅光電池上的光成為長方形或正方形光束。
2.1.4 激光彎沉測定儀的應用
激光彎沉儀操作簡單、精度高、讀數穩定、體積小、質量特輕、造價低， 而且容易開發研制，特別是這種儀器是依靠光線作為臂長的，可以射得很遠，由于激光發射角窄，光點小而亮，這給剛度的路面彎沉測量提供了條件。隨著公路路面剛度半徑的提高，彎沉影響的半徑也越來越。有統計表明，60年代時的中級路面的彎沉影響半徑為0.5m～1m，70年代三級瀝青路面為1m～1.5m，二級路面為1.5m～2m，90年代高等級公路興建后，路面彎沉影響半徑普遍發%%展到3m，有的已達到4m以上。在這種情況下，現行彎沉測定儀臂長的支點已落入彎沉影響區內，使得測定值偏小，造成測量誤差。因此，激光彎沉測定儀的應用就有了很重要的現實意義。
2.2 利用激光技術測量路面平整度
對路面平整度可定義為： 路面表面誘使行駛車輛出現振動的高程變化。由于路面不平整引起車輛振動，它便對車輛磨損、燃油消耗、行駛舒適性、路面損壞等產生了直接影響。因此，平整度便成為度量路面使用性能的一項重要指標，其特性和量測方法也成為道路工程中最為關注的問題之一。在以往的發展過程中，曾提出過多種平整度測定方法和儀器，體可劃分為兩類： a） 斷面類平整度測定；b） 反應類平整度測定。英國、美國、日本近年來都相繼研制和使用了一種以非接觸式激光傳感器為基礎建立的斷面測量儀，利用該儀器，可在50km/h～80km/h的車速下，測量路面縱斷面、橫斷面、路面紋理深度和輪跡車轍深度，其測量的基本原理如下：將激光發射和接收單元安裝在三個%%剛性梁上，并使發射和接收軸線相互垂直。激光器發射激光束照射路面，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。當路面縱斷面出現起伏時，接收光必聚焦在相對中心位置有一位移之處，將該位移量與標定值比較，就可計算出傳感器與路面的垂直距離，并由儀器自動描繪斷面圖，或給出具體值。用該測量儀測量車轍輪跡的方法與上述原理相似，都是用激光傳感器測量距路面軸線的高度，將它測量車轍深度的數據與傳統測量方法——直尺和楔形塊測量的數據相比較，兩種測量結果趨向一致，相差在±2mm以內，這其中包括了直尺測量誤差和激光系統的測量誤差。測得的車轍深度數據可存貯在軟盤上或顯示打印。激光斷面測量儀還可配以攝像機，拍攝路面狀況，配合激光傳感器和計算機系統自動辨認1mm以上的裂縫，對路面質量、路況評估很有實用價值。隨著我國高速公路里程總數的快速增長，對道路質量的管理水平也相應提高，我國目前已有多家科研和工程單位引進了這種高效的斷面驗平儀，但國內產品尚未見報道。
3 結語
本文介紹了激光檢測技術的特點及其原理，并且簡要地介紹了其在公路工程中的應用，例如利用激光彎沉儀檢測路面彎沉，利用激光平整度儀檢測路面質量，包括縱斷面、紋理深度、車轍深度等。相信隨著激光技術的進一步發展，其在公路工程領域中的應用將更加廣泛。
