公路工程中激光检测技术

1、第七章第七章 公路工程中激光检测技术公路工程中激光检测技术 7.1 激光检测概述与基本原理激光检测概述与基本原理 我国近几十年来，研制与开发了一大批具有现代 水平的激光测量仪器，如激光雷达、激光测速陀螺与 激光测距仪等，对国家科学技术以及激光总体水平的 提高起到了促进作用。然而，激光用于道路与交通检 测技术方面，特别是在公路工程路基路面的质量与指 标的检测技术上发展较为缓慢。 l 激光检测概述激光检测概述 l 激光检测概述激光检测概述 激光产生器种类：激光产生器种类： 固体激光器固体激光器（如：红宝石激光器，波长（如：红宝石激光器，波长0.6943m ） 制作成熟，功率其次，工作电压高，技术复

2、杂 气体激光器气体激光器（如：氦氖激光器，波长（如：氦氖激光器，波长3.39 m ） 功率高，发射稳定，受温度影响大，技术制作复杂 液体激光器液体激光器（如：氧氯化硒加四氯化锡激光器，波长（如：氧氯化硒加四氯化锡激光器，波长1.04 m ） 输出功率较小，受温度影响大，技术复杂 半导体激光器半导体激光器（如：砷化镓材料激光器，波长覆盖红外线到可见光）（如：砷化镓材料激光器，波长覆盖红外线到可见光） 输出功率小，工作电压低，体积小，质量轻，价格便宜，工作于常温 激光检测概述激光检测概述 激光检测基本原理激光检测基本原理 l 用激光进行路基路面检测，目前只限于激光纹理 测定、弯沉测定与平整度测定等

3、领域。 l弯沉弯沉 柔性路面在荷载作用下会产生竖向变形，在荷载作用后变 形会恢复，能够恢复的那部分变形量就是弯沉。能够恢复的那部分变形量就是弯沉。它是直接 反映路面强度的一个重要指标。如果弯沉值过大，其变形 也就越大，路面各层也就容易破裂。 弯沉值过大，其原 因一般与路面各层的材料性质，厚度，整体性，压实度等 有关，还与气候条件有关，雨季会偏大。 一般路基顶层弯沉值为300-400。路面面层为30-60。 第一类第一类:激光衍射原理激光衍射原理 激光在衍射时，屏幕上出现亮暗相间的条纹，而亮暗相 干条纹又与狭缝宽窄有关，当狭缝变宽时，亮条或暗条 增加，狭缝变窄时，亮条或暗条相应减少。这样，可根

4、据亮条或暗条的数目来确定缝的宽狭，即可得到实际的 弯沉位移变形大小。 第二类第二类:光电转化原理光电转化原理 激光光强愈强激光光强愈强光能愈大光能愈大光电流愈强光电流愈强 用光电转化器将光能转换成电能（例如硅光电池例如硅光电池），当 激光光强发生变化时，光电流也随之发生变化。当事先 做好光电流位移变形标定线后，即可根据光电流的变 化反算弯沉位移的变化量多少。 第三类第三类:光时差原理光时差原理 激光能用反射时间差来记录所测量的极短极短长度。 激光检测基本原理激光检测基本原理 7.2 激光检测的主要仪器激光检测的主要仪器 由于采用贝克曼梁测定弯沉基本上是静态弯沉， 与汽车荷载作用下的实际情况有所

5、不同，而且整个 过程为人工操作，速度慢、精度低，目前各国都正 在对快速连续或动态测定进行研究；当前使用比较 普遍的有激光弯沉仪及落锤式弯沉仪等。激光弯沉 仪依靠光线作为臂长，可以射得很远，由于激光发 射角窄，光点小而红亮，10m之远仍清晰可见，读 数稳定，精度高，且操作简易。 国产5.4米贝克曼梁 7.2 激光检测的主要仪器激光检测的主要仪器 5.4米贝克曼梁弯沉现场测试 7.2 激光检测的主要仪器激光检测的主要仪器 贝克曼梁检测方法贝克曼梁检测方法 l路面测点的回弹弯沉公式： LT-在路面温度T时的回弹弯沉值（0.01mm） L1-车轮中心临近弯沉仪侧头时百分表的最大读 数（0.01mm）

6、L2-汽车驶出弯沉影响半径后百分表的最终读数 （0.01mm） 7.2 激光检测的主要仪器激光检测的主要仪器 一一.激光弯沉测定仪激光弯沉测定仪 l1仪器主要结构与功能仪器主要结构与功能 激光弯沉测定仪的主要结构与功能见图7-1所示。 野外作业激光发生器激光发生器应选择半导体激光器半导体激光器为宜。 光电转化测头光电转化测头是将激光能量转化为电能的一种转 化装置，也是本仪中的一个核心部件。放大器放大器是 专供放大光电流之用。电桥电桥是作为补偿调零之用。 显示表头显示表头与电桥调零表头共用，表征弯沉测定值 的光电流即是从该电流表读出。 l2仪器工作基本原理仪器工作基本原理 l 光电流的增加或减少

7、与硅光电池测头的变动距离有密切关系： l 路面回弹变形小路面回弹变形小 落入小孔的激光量少落入小孔的激光量少 光电流少光电流少 ； l 路面（或路基）回弹变形增大路面（或路基）回弹变形增大 落入小孔且射到硅光电池落入小孔且射到硅光电池 上的激光量增加上的激光量增加 光电流大。光电流大。 l 因此，通过光电流的大小可以测出路面实际回弹变形（回弹弯 沉）的数值，这就是利用激光硅光电池原理测定路基路面回 弹弯沉值的基本工作原理。 1-激光器；激光器；2-激光束；激光束；3-进光小孔；进光小孔；4-硅光电池；硅光电池；5-测头稳块；测头稳块；6-电桥电桥 1-千分表；2-表头支架；3-调节螺丝；4-硅

8、光电池测头；5-变形架；6-变形升降杆；7-激光器；8-激光束 变形量与光电流关系式： kAal l变形量（m或mm）； A光电流（A）； a常数，对于一定激光器，一定光距时，值一定（m或mm）； k系数，由光强与硅光电池特性所决定（m/A）。 3仪器设计与应用技术要点仪器设计与应用技术要点 l仪器标定 得到得到“变形量变形量光电流光电流”的一一对应关系的一一对应关系 l硅光电池选择 硅光电池是激光弯沉仪的核心部件，在设计仪器时可 根据变形量需要精心选择。 l4光电流温度修正光电流温度修正 l一般，硅光电池的工作温度为30，当超 过30时，光电流产生将要受到温度影响， 而野外进行弯沉测定有时路

9、面温度超过 30，为此，需要对光电流进行温度影响 修正。温度影响修正的速率以5间隔上升 为宜，并在2060范围内变化，且量 取它们的变化值，即可得到光电流温度影 响修正值曲线。 l5光点的校正光点的校正 l在激光器发射口套一个光罩，其上开一个 方形口子，大小可以调节，使落在硅光电 池上的光成为正方形光束。一般这种正方 形光束的面积略大于硅光电池面积，在布 局上左右两边对称，以利光束正常工作。 二、激光路面平整度测定仪 l激光路面平整度测定仪是一种与路面无接 触的测量仪器 l1G型激光路面平整度测定仪构成与原理 1-激光器；2-仪器箱；3-集光器；4-车架；5-拉杆 Ajeh 路面高差公式： h

10、路面凹凸值（或平整度值）（mm）； A光电流增量（或减量）（A）； e常数，由仪器确定（mm）； j系数，由激光器、反射镜与硅光电池等部件确定（mm/A）。 二、激光路面平整度测定仪 激光路面平整度测定仪 二、激光路面平整度测定仪 l由后组发射的调制平行激光方形波束射到 路面A点，被后组集光器的反射镜接收至硅 光电池，产生光电流A1，在同样时间里， 由前组发射的同样激光方形波束射到路面B 点，产生光电流A2，通过仪器中的减法器 得到前后两组装置所测光电流之差，即 A=A1-A2，由图看出，该A正是由 于路面高差h引起，当光电流之差值由仪 器中减法器给出，路面凹凸值随即得出。 二、激光路面平整度

11、测定仪 l2路面平整度测定仪准备利用全球定位 系统(GPS)技术来确定测试车的位置。 lGPS导航系统是由24颗卫星，围绕在离地 球共约20,000.00km的6个轨道组成的全球 导航系统，当1993/（1994）年利用这个系 统后，可以确定路面平整度测定仪的位置 在几厘米误差之内。 二、激光路面平整度测定仪 附： 公路工程中射线检测技术 第一节 射线检测概述 射线是同位素或核子散发的一种无形的能束， 而同位素中的某些元素所散发的能束，与土壤的 密度与水分有着十分密切的关系，而且，具有十 分明显的规律性，射线检测技术就是利用了某些 同位素的这种特性。射线检测技术具有快速、无 损（也可有损）、测

12、法简单的独特优点，因而， 国内外许多专家较早地设计了核子检测仪器，用 于土壤密实度与土壤含水量的测定。我国于80年 代初，开始研制土壤核子密实度检测仪，目前， 在我国公路工程中已得到了较好的应用。 l射线检测技术用于土壤密实度与含水量测 定，一般归纳为四种结构类型， （1）散射插入型 （2）透射插入型、 （3）透射表面型 （4）散射表面型。 （1）散射插入型， 即将射线源安置在一根特制的金属管里，将土 基钻孔并插入其中，靠射线散射来测定； （2）透射插入型。 即将射线源放在一根管子里， 同样钻孔插入土 中，另一管也隔一定距离插入，作透射射线的接 收之用； （3）透射表面型， 即将射线源安置于一

13、根管中钻孔，并插入路基 土壤中，而接收器摆在路面，靠射线的透射来记 录接收到射线的脉冲数； （4）射线源与接收器两部分均安置在土基上，靠射 线的表面散射来检测土基密实度与含水量。 第二节 射线检测基本原理及应用 射线法检测一般以路面与路基施工质量 监测为多，而路基施工监测以030cm厚 度为主要质量检测对象，因此，这里主要 叙述散射表面式测定原理。 一、密实度测量 散射表面式密实度测量原理如图8-1b） 所示：射线源发出的是特定的射线，因为 这一种射线只与密实度发生关系，而与水 分与土质基本无关。射线发射后，与物质 的原子外围电子进行弹性碰撞而向四周散 射，散射后的射线能量显著减小，而且方 向改变，这就是著名的康普顿散射效应。 物质密实度愈大，康普顿散射的机率也愈 大，亦即物质所吸收的射线能量愈大。这 样，通过测量射线散射前后的强度变化就 能判断出被测物质的密度。 “衰减量与材料密 实度”的变化关系 如图8-2所示。在图 中，N0为标准衰减 量，x为被测材料 的衰减量，其它符 号在图中已标出。 二、含水量测量 从核子含水量测定原理可知， 射线的特性基本上只与物质的 密实度发生关系，而与物质中 的含水量关系不大，显然，用 射线测量物质（如土