【行业应用】激光位移传感器在轨道交通桥梁监测中的应用

0   引言

近年北京市轨道交通建设发展迅速，截止目前运营线路已达19条，为及时掌握高架线路运行状态，自2012年起北京地铁陆续在5号线、13号线、八通线、机场线、亦庄线、房山线、昌平线和15号线高架线路上安装自动化监测系统，开展对桥梁梁体位移、裂缝、支座位移、梁体应力、挠度、环境温度和风力风向等参数的监测。位移是结构监测的重要参数之一，在进行位移传感器选型设计时，为避免接触式位移传感器存在的精度低、易磨损、长期稳定性差等缺点，本文首次将激光位移传感器用于梁体、支座位移和结构微裂缝的测量。激光位移传感器至今少有本身质量出现异常或损坏的情况，取得了良好效果，为传感器的选型设计和运行维修积累了经验。

1   传感器原理及数据传输

1.1 三角测量法

图1是三角测量法激光位移传感器结构原理，激光发射器通过准直透镜将可见红色激光射向参考物体表面（量程下限），经物体反射，激光束通过成像透镜在CCD（或CMOS）图像传感器上成像，以此作为传感器测量基准。在测量被测物体时，其反射激光束在图像传感器上的不同位置成像，经信号处理器与基准成像位置比对，得到距被测物体的实际距离，最大被测距离为量程上限。通过模拟和数字电路处理，传感器可以输出标准模拟电压、电流信号或数字信号，同时具有显示输出信号、远距离传输等功能。常用三角测量法激光位移传感器技术指标见表1。

图1 三角测量法激光位移传感器结构原理

1.2 反射特性

三角测量法激光位移传感器又分为漫反射（扩散反射或直射）和正反射（斜射）型两类（图2）。漫反射型传感器激光束与被测物体表面垂直入射，即入射角为90°时，其特点是激光束集中，光斑不受被测物体距离远近和表面粗糙程度的影响，可对粗糙表面物体进行有效测量，并且有效测量范围更大，在结构上也更紧凑，传感器体积更小。

正反射型传感器入射角在0～90°之间，其特点是可以有效接收被测物体的反射光，能对光滑表面进行有效测量。与漫反射型相比，其分辨率和精度更高，但测量范围变小，且体积增大。

图2 激光传感器反射原理

1.3 信号及数据传输

通用数据采集仪可直接处理激光传感器的模拟电压、电流或数字输出信号，信号传输距离较长或监测点较多时，可使用采集仪+配套扩展模块方式。远距离数据传输还可选专用通信模块、无线传输模块，网关等产品。

2   传感器选型

2.1 反射型

基于漫反射型传感器的特点，将其用于桥梁梁体位移、支座位移测量，使激光束直射梁体、支座或标靶上，可不受表面粗糙度等因素影响，且满足测量对象变形较大的需要。正反射型位移传感器用于梁体微裂缝测量，因其量程小、分辨率高而效果更好。可根据实际需要选用。漫反射型位移传感器能够满足桥梁监测的需要。

2.2 组合型

为适应多种监测场合需求，激光传感器具有一体机和模块组合机2种形式。一体机可以直接输出标准模拟或数字信号，比组合机（传感器+放大器转换模块+……）价格低且体积小。因此长期连续观测场合宜采用一体机，但对多测点、短期、低频率监测场合，采用多传感器头+单转换开关+单放大器模块形式更为经济。例如，在地铁机场线专项普查工程中，要求以1次/天的频率对290个测点监测3个月，采用1套组合机即可解决问题。对于精度要求不高的裂缝测量，采用振弦裂缝计更为经济，也可采用磁伸缩传感器，其精度较高，寿命长，但价格也较高。

2.3 保护型

针对不同测量对象和环境选择传感器的结构形式和防护等级。例如，高温高压喷水场合可以选择具有不锈钢结构、坚固抗震、易于清洗、外壳防护等级为IP67的传感器；灰尘较大的场合，可选择高发射功率机型。

3   传感器现场应用

3.1 传感器安装

梁体位移包括竖向位移、横向（横桥向）位移和纵向（顺桥向）位移，图3是梁体和支座横向位移测量示意图。现场将传感器安装在固定支架上，支架固定在桥墩顶部。为避免环境光的影响并减少激光头表面灰尘，将传感器安放在护筒内，护筒激光头位置设有光孔。中部设有维修手孔，下部留有电缆孔。位移标靶（板）固定在梁底，激光头正对标靶中心，标靶距激光头距离和尺寸要考虑量程和变形量，选择量程时注意距标靶的距离要大于量程下限，以避开传感器死区。为了获得足够的监测范围，安装时尽量将标靶置于传感器量程中间位置。

传感器安装在支架上时，要使它的发射和接收轴线垂直于被测对象或靶标的移动方向。对于转动的对象，激光头轴线必须与转动方向垂直。测量微裂缝宽度时，将标靶和传感器分别安装在裂缝两侧。

图3 梁体和支座横向位移测量示意图

图4 桥梁监测系统框图

3.2 数据采集处理

北京地铁建设有桥梁设施安全监控系统平台及专用机房，统一管理全路网桥梁设施安全。各条线路桥梁安装的传感器通过图4的DataTaker数据采集和传输系统，直接将监测数据无线传输至机房系统平台，进行分析、处理、展示和存储。

3.3 应用情况

（1）2012年9～12月首次在首都机场线采用激光位移传感器监测病害支座处桥梁梁体竖向、横向和纵向位移，在机场线1号、4号、5号桥病害支座处梁体布设7个监测点。表2给出了机场线部分病害支座处梁体纵向位移情况。由表2可以看出，梁体纵向位移数据稳定在10mm内。横向位移最大值为1.23mm，竖向位移最大值为-1.09mm，均在设计控制值内，见表3，表明梁体位移在可控范围内，支座处于稳定状态。

表2 机场线梁体纵向位移监测数据mm

表3 机场线梁体位移监测最大值及控制值mm

支座编号监测项目最大值控制值7-16-3竖向位移-1.09±31-63-8横向位移1.23±25-70-4纵向位移9.96±20

（2）亦庄线于2012年10月采用激光位移传感器，对位于小红门—旧宫、亦庄桥—亦庄文化园、荣京东街—荣昌东街、经海路—次渠南等4个区间6个有代表性支座及梁体的竖向、横向和纵向位移进行为期3个月的监测（图5）。表4、表5给出了亦庄线梁体横向、竖向、纵向位移监测数据，可以看出被测梁体的竖向、横向和纵向位移均在控制值内，梁体与支座处于稳定状态。此后2013年对桥梁及支座的竖向、横向和纵向位移实时监测至今。

图5 亦庄线梁体位移测量

表4 亦庄线梁体横向位移监测数据mm

表5 亦庄线监测结果最大值及控制值mm

支座编号监测项目最大值控制值YY-12-4竖向位移-0.90±2XJ-17-1横向位移0.41±2XJ-17-1纵向位移-3.86±20

3.4 日常维护

（1）传感器硬件系统日常维护遵从常规电气设备维护规律，主要是定期紧固各部螺丝，清理灰尘，测量绝缘电阻、接地电阻，检查线、缆、管、箱等状态。

（2）使用高质量清洗剂定期清理激光发射器和接受器表面玻璃上的灰尘。尽管采取护筒防尘，但是从维护实践看，传感器数据显示异常原因仍多是受灰尘影响。

（3）为了防止交互式干扰，传感器进行初始值采集时，需要预热15min。

（4）对使用中的激光传感器进行测试或校准时，务必注意激光束所通过的路径，避免激光束对人体或人眼的伤害，对正反射型传感器尤其要注意，必要时采取防护措施。

（5）在几年的维护实践中，曾经发生过一次数据采集模块烧坏案例，经分析发现是因为传感器线路较长时间暴露在露天雷电所致，应对数据采集仪信号端加装防雷和电涌模块。

（6）采用太阳能电池板作仪器供电电源，安装电池板时要考虑周围是否有树木、建构筑物遮挡，还要考虑日出日落等因素。在选择电池容量时，要考虑持续雾霾天气影响。

4   结论及建议

（1）激光位移传感器用于重要结构高精度实时监测效果良好，传感器寿命至少可达3～5年，维修工作量也较小。对于精度要求不高且量程较大的场合，采用常规岩土工程传感器更为经济。

（2）从各条线路加装监控系统实践看，国外主要品牌激光位移传感器质量相近，选择重点是根据监测对象的变形范围选择传感器型号和量程。例如，梁体横向位移宜采用小量程传感器，梁体纵向位移宜采用大量程传感器，梁体微裂缝应采用微小量程传感器。

（3）基于激光传感器工作原理，仪器的测量下限不在零点。对于现场安装条件狭小的场合，要考虑选择起始距离小的传感器。

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