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TDR遥测方法、设备及其在桥梁检测中的应用樊孝春，韦冰峰，鲍道铭（北京航天数据技术公司，北京100076）1前言随着国家现代化建设的高速发展，公路桥梁的建设取得巨大的成就（公路立交桥超过60万座），并正快速发展。桥梁检测随之得到迅速发展。一直以来，公路桥梁的动态（振动、应变等）检测使用有线测量方法。使用该方法测量时，从分布的传感器测点位置到布置测量仪器设备的位置，需要很长的引线电缆。然后再由二次仪表，连接到记录设备，才能侧连记录测点的信号数据。图1为有线测量方法示意图。一般的压电加速度振动传感器需要通过电荷放大器将电荷转换为电压，一个传感器对应一路变换器。因此，当加速度振动传感器测量路数较多时，测量电缆、电荷放大器通道相应增加，测量系统庞大。当测点位置分散，布线、调试测量系统的工作量很大。采用内置式加速度振动传感器测量，不需要使用电荷放大器，减少一个测量环节，但布线、调试测量系统的工作量没有减，并且该类振动传感器需要直流供电，增加了一个电路环节。在桥梁的振动测试中，有的桥梁需要测量两侧，有的桥梁长度大，有的桥梁需要测量的测点多（如70多点），需要移动传感器、测量电缆、记录设备，这些工作的强度和工作量是很大的。当桥梁检测不允许阻断交通时，测量电缆布线受很多的限制，公共测点的设置难以实现，检测受到很大的影响。新桥梁竣工验收、危桥检测中，需要进行应变测试，以对桥梁进行强度校核。应变的测量通常由应变片、桥盒、测量电缆、应变仪、记录设备组成，应变测量系统比振动测试系统更庞大。应变测量示意图如图2所示。有的桥梁进行两侧一段桥身应变测量，需要将数据记录在同一测量系统中，此时，不仅传感器传感器记录设备二次仪表图1有线测量示意图记录设备应变片应变片桥合应变仪图2应变测量示意图需要长电缆而且须跨越桥面。测试环节多，系统庞大，给桥梁应变测试带来了很大麻烦，限制了应变测试的应用。为了改进上述测试工作的弊端，经过长时间的探讨、研究，将计算机技术与微电子技术相结合，开发了将多路电荷放大器、应变仪、低通滤波器、程控放大器、A/D采集板、计算机集成一体的系统，如DSPS-2000，此类系统在桥梁振动测试中将二次仪表和记录设备合为一体，在桥梁应变测试中将应变仪和记录设备合为一体，大小与一个手提包差不多（工控机），而且可使用蓄电池（汽车用电池）供电，大大减少了测量环节，减少了工作量和减轻了工作强度，至今仍广泛使用于桥梁振动和应变测试。DSPS-2000进行桥梁振动、应变测试示意图如图3、图4所示。虽然DSPS-2000等高集成的采集分析系统在有线测量方法上对减少测量环节、减化测试系统；减轻工作强度、提高工作效率；以及提高测试可靠性方面有很大改进。但有线测量方法存在几个固有缺陷：其一是拉线测量，未能从根本上解决工作量和强度大的问题，在大中型桥梁的测试中尤其突出；其二是公共点，在不进行交通管制状态下，设置公共点是困难的，很多情况下无法解决；其三是应变的同时测量，在不进行交通管制状态下，难以解决同时测量桥梁两侧应变问题。这些缺陷使得有线测量对桥梁的动态测试受到很大的限制，更很难应用到铁路桥梁的测试。为了解决桥梁有线测量方法存在的弊端，需要从方法上加以改变。一种直接的方法是遥测方法，即采用类似无线通信的方法：将测试信号转化为射频信号发送出来，通过遥测接收系统接收，解码变换成物理信号后再进行分析。但是这类遥测系统庞大，成本昂贵；为了遥测信号不出现错码、漏码、丢码，对环境条件要求高，不适合车辆川流的公路桥梁检测，更难在没有遥测条件的铁路桥梁上使用。另一种方法是本文介绍的无线遥测方法，这是一种遥控+类似飞机黑匣子的方法：采用遥测控制、固态记录方案。对所有测点的遥控、监测通过一台笔记本计算机和一台上位机（大小约为笔记本的1/4）就可完成，测试系统很小。每一个测点附近配有一台下位机（大小与上位机相同），解决了拉线问题；由于控制计算机与测点的联系和监控是遥控，也就解决了公共点问题；在控制计算机的遥控下，所有测点同时测量，解决了测量的同时性DSPS-2000图3DSPS-2000振动测量示意图DSPS-2000桥合应变片应变片桥合应变片应变仪传感器传感器应变片应变片图4DSPS-2000应变测量示意图问题；笔记本计算机、上位机、下位机都是充电电池供电，实际使用很方便。在测试中，这种系统的数据是保存在下位机的固态记录器中，然后通过无线传输到监控计算机，或通过USB将下位机内的数据传输给主机，因此不存在直接遥测方法的错码、漏码、丢码问题，解决了实时遥测存在的问题，很适合于公路桥梁检测使用。可以推测，该系统在铁路桥梁有广泛应用前景。本文介绍一种桥梁动态测试的TDR无线遥测测量方法，对组成TDR系统的硬件、软件作了说明，描述了TDR系统的特点，给出了北京市的若干座桥梁振动测试的过程和分析结果，对TDR系统的应用前景作了预测。2TDR测量方法概括来说，桥梁动态测试的TDR方法采用遥测控制、固态记录。系统分为前置部分、控制部分，如图5所示。前置部分是各测点传感器和下位机（通常为方便起见，一个传感器配一台下位机），控制部分由笔记本计算机和上位机组成。前置部分的传感器与下位机一般相距很近，用短电缆即可连接（如1米），工作量和工作强度大大减少。下位机是一个组成复杂的分系统，其组成如图6所示。“指令接收”部分的功能是接收控制计算机发出的联络、设置、采集、数据传输等指令。“抗混滤波器”是A/D采集必须的前端，该滤波器是程控控制，有若干挡，可根据需要选取。“二次仪表”因测量对象不同而不同，测量振动时，它是电荷放大器，测量应变时，它是应变仪，集成度高。“程控放大器”功能是对信号增益放大，有若干挡可选取。“A/D”是数据采集板，高精度。“固态存储器”存储采集得到的数据。“无线发送”可将存储器的数据发送到控制计算机。“数据传输口”可通过电缆将存储器的数据传输到控制计算机，传输速度很快。组成控制部分的计算机和上位机相距很近，控制计算机通过串口或USB口控制上位机。控制部分构成如图7所示。下位机指令接收抗混滤波器二次仪表程控放大器A/D无线发送数据传输口图6下位机构成示意图固态存储器图5TDR无线遥测系统无线接收CPU传感器信号适调数采和变换无线发射数据存储无线发射无线接收数据接口计算机“指令发送”的功能是向下位机发送控制计算机的联络、设置、采集、数据传输等指令。“状态监测”实时监测下位机与上位机的联络、下位机的状态、数据存储等。“无线接收数据”接收下位机无线发送过来的存储器的数据。“数据通讯口”通过电缆与下位机连接，将下位机的数据传输到控制计算机，传输速度很快。由于下位机在测点旁边，下位机与上位机的联系通过无线进行，解决了有线测量的拉线问题。下位机与上位机可根据需要研制成2Km、5Km或10Km距离的通讯系统，因此，对大跨度、超大跨度或复杂的桥梁的动态测试也就变成简单易行了；与有线测量相比，其工作量、工作强度减少了一个数量级，工作效率大大提高。因为TDR系统可以长距离无线通讯，同时进行数据采集，振动测试中的公共点问题迎刃而解。传感器、下位机、上位机、控制计算机（如笔记本）组成的测试系统很轻便，适合在桥梁现场操作。TDR系统测量数据采用固态记录，不是实时无线传输，没有错码、漏码、丢码的问题。由于TDR系统构成特点，其成本比实时遥测系统低得多。由此看，TDR测试系统兼有实时无线传输系统和有线测量系统的优点，摈弃了它们的缺点，拥有巨大优势。3TDR设备及软件TDR测试系统设备主要有上位机、下位机、控制计算机、传感器。图8为TDR系统的上位机，图9为TDR系统的下位机。功能和特点：每次试验根据信号和任务要求，由主控命令确定采样频率、采样时间、采样通道和总通道数；根据内部存储量的大小，可进行多次试验记录（0～32次）；应变测量可自动预调平衡；分散在不同位置的各采集装置可由主控命令控制同时采集；数据可通过无线远距传输，或直接“对接”方式传入计算机；无线传输时，可长时间连续传输测量数据，也可按主控命令要求传输某测量段的一定数据量；数据传输可含CRC（循环冗余码）检验，通过软件高效快速地完成错误监测；图7控制部分构成示意图控制部分指令发送状态监测无线接收数据指令发送图8TDR测量系统上位机图9TDR测量系统下位机可以选用内外两种电源供电，便于野外操作；可根据需要将遥测数据记录器制作成防水密封件。主要技术指标：采集频率：0.1~50kHz记录容量：0.5~32兆数据采集精度：12位和16位振动测量动态范围：0.0001g～5000g（根据需要定量程）振动测量频率范围：0.1Hz～20kHz（根据需要定截止频率）；应变测量量程：±100με～±50000με（根据需要分档）应变测量频率范围：DC～20kHz（根据需要定截止频率）应变测量自动平衡范围：±100με～±50000με（等同于测量量程）应变测量应变计；单臂120Ω或350Ω，半桥或全桥50～1000Ω无线数传工作频段300—500MHz，需要时可编设工作频点数传速率9.6Kbps或1.2Kbps无线传输距离分如下数档：100m,1Km,2Km,5Km（根据需要定）工作电压DC5—10V工作温度–30--+80℃或0--+60℃多通道，每个系统可以带256台遥测数据记录器，每台可以有1或2个通道（根据需要定）TDR测试系统软件为TDR遥测数据控制和采集系统软件，主要功能为联络、设置、采集、数据传输等。4TDR技术在桥梁测试中的应用4.1朝阳门桥朝阳门桥测试位置为桥的北侧，测点分布图如图10所示。典型测点时间历程和谱图如图11所示。北15924368710公共点图10朝阳门桥北侧测点布置图（a）（b）图11典型测点时间历程图和谱图分析得到朝阳门桥垂直方向一阶模态频率为6.25Hz，阻尼为2.2%；水平横向一阶模态频率为5.2Hz。垂直方向一阶模态振型如图12所示。图12朝阳门桥垂直一阶振型图4.2官园桥官园桥测试位置为桥的东侧，测点分布图如图13所示。典型测点时间历程和谱图如图14所示。图13官园桥东侧测点布置图（a）（b）图14典型测点时间历程图和谱图分析得到官园桥垂直方向一阶模态频率为3.125Hz，阻尼为2.9%；水平横向一阶模态频率为2.75Hz。垂直方向一阶模态振型如图15所示。159132346781011112公共点三向点北图15官园桥垂直一阶振型图4.3安贞桥安贞桥测试位置为桥的西侧，测点分布图如图16所示。图16安贞桥西侧测点布置图分析得到安贞桥垂直方向一阶模态频率为7.875Hz，阻尼为1.1%；水平横向一阶模态频率为10.5Hz。垂直方向一阶模态振型是整体带弯曲平动，局部中部局部弯曲，桥墩处未能约束，如图17所示。图17安贞桥垂直一阶振型图5结束语TDR测试系统已应用于北京朝阳门桥、官园桥等十多座桥梁的振动检测，数据品质良好，从测量的数据中分析了桥的横向固有频率及垂直固有频率、阻尼比系数、振型。TDR测试系统以其简捷、高效、轻便、可靠、低成本的特点，在公路桥梁的动态测试中取得很好的效果，有广泛的应用前景。铁路桥梁的动态测试使用有线测量传统方法是很困难的，可以预计，TDR测试系统在铁路桥梁上可以解决这些问题。TDR测试系统在铁路桥梁的动态测试中有广阔的天地。15913234678101112公共点西