激光检测技术在公路工程中的应用

激光检测技术在公路工程中的应用

摘要：现代科学技术的发展为公路工程建设提供了各种新材料、新方法、新工艺，同时也提供了各种新的测试方法。激光的相干性强、亮度高、方向性好，激光技术在无损检测方面的应用有独特的优点，在路基路面弯沉检测、路面质量检测等方面有广阔的应用前景。

关键词：激光；检测；弯沉；路面平整度

1 前言

现代科学技术的发展为公路工程建设提供了各种新材料、新方法、新工艺，同时也提供了各种新的测试方法。激光的相干性强、亮度高、方向性好，激光技术在无损检测方面的应用有独特的优点。本文就激光技术在路基路面弯沉检测、路面质量检测等方面的应用作一简要介绍。

2 激光测试技术的应用

2.1 利用激光技术测量路面的弯沉

2.1.1 激光弯沉测定仪的主要结构及功能

激光弯沉测定仪主要包括激光器、光电转化测头、放大器、电桥和显示表头等（见下图）

对于野外作业来讲，目前激光器的选择以半导体激光发生器为宜。光电转化测头是将激光能量转化为电能的一种装置，一般选用硅光电池作为转化元件。硅光电池具有较多的转化特点： a）光生伏特效应显著，转化率高，一般能达到60%左右，即光能的绝大部分可转化为电能； b）产品成熟，性能稳定，工作可靠性高；c）寿命长； d）分辨率高； e）使用方便，价格便宜。放大器用于放大光电流。电桥作为补偿调零之用，以消除由于阳光余辉作用产生的少量光电流。显示表头与电桥调零表头共用，表征弯沉值的光电流即是从该电流表读出的。由于一般光电流为微安级，因此，为确保测读精度，以采用微安表为宜。

2.1.2 仪器的工作原理

光电流的增加或减少与硅光电池测头的变动距离有密切关系。光电流少时，落入小孔的激光量也少，说明路面回弹变形；而光电流大时，落入小孔且射到硅光电池上的激光量增加，则意味着路面（或路基）的回弹变形增大。因此，通过光电流的大小，完全可以测出路面实际回弹变形的数值，这就是利用激光- 硅光电池测定路基路面回弹弯沉值的基本工作原理。

2.1.3 仪器应用的技术要点

2.1.

3.1 仪器标定

激光弯沉测定仪与其他测定仪器一样，也需要标定，以得到实用的“标定线”。仪器标定工作一般在室内进行，根据我国目前的路面刚度情况，可以将激光的射程光束定为5m.

2.1.

3.2 硅光电池的选择

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，一般可以根据入射光强度以及变形量变化大小综合挑选。

2.1.

3.3 光电流温度修正

一般硅光电池的工作温度为30℃，当超过30℃时，光电流的产生将要受到温度影响，而在野外进行弯沉测定有时路面温度超过了30℃，为此，需要对光电流进行温度影响修正。

2.1.

3.4 光点的校正

当入射光照射到硅光电池上的光面积必须是长方形或正方形时，入射光的光强与产生的光

电流才呈线性关系。但激光器发射出的激光在自然条件下是红色的圆点，为此，必须对自然光点进行技术处理。这种技术处理比较简单，只需要在激光器发射口上套一个光罩，其上开一个方形口子，大小可以调节，便可使落在硅光电池上的光成为长方形或正方形光束。

2.1.4 激光弯沉测定仪的应用

激光弯沉仪操作简单、精度高、读数稳定、体积小、质量特轻、造价低，而且容易开发研制，特别是这种仪器是依靠光线作为臂长的，可以射得很远，由于激光发射角窄，光点小而亮，这给刚度大的路面弯沉测量提供了条件。随着公路路面刚度半径的提高，弯沉影响的半径也越来越大。有统计表明，60年代时的中级路面的弯沉影响半径为0.5m～1m，70年代三级沥青路面为1m～1.5m，二级路面为1.5m～2m，90年代高等级公路兴建后，路面弯沉影响半径普遍发%考试大%展到3m，有的已达到4m以上。在这种情况下，现行弯沉测定仪臂长的支点已落入弯沉影响区内，使得测定值偏小，造成测量误差。因此，激光弯沉测定仪的应用就有了很重要的现实意义。

2.2 利用激光技术测量路面平整度

对路面平整度可定义为：路面表面诱使行驶车辆出现振动的高程变化。由于路面不平整引起车辆振动，它便对车辆磨损、燃油消耗、行驶舒适性、路面损坏等产生了直接影响。因此，平整度便成为度量路面使用性能的一项重要指标，其特性和量测方法也成为道路工程中最为关注的问题之一。在以往的发展过程中，曾提出过多种平整度测定方法和仪器，大体可划分为两类： a）断面类平整度测定；b）反应类平整度测定。英国、美国、日本近年来都相继研制和使用了一种以非接触式激光传感器为基础建立的断面测量仪，利用该仪器，可在50km/h～80km/h的车速下，测量路面纵断面、横断面、路面纹理深度和轮迹车辙深度，其测量的基本原理如下：将激光发射和接收单元安装在三个%考试大%刚性梁上，并使发射和接收轴线相互垂直。激光器发射激光束照射路面，光束一部分被散射，另一部分由接收透镜接收，并在接收器上聚焦。当路面纵断面出现起伏时，接收光必聚焦在相对中心位置有一位移之处，将该位移量与标定值比较，就可计算出传感器与路面的垂直距离，并由仪器自动描绘断面图，或给出具体值。用该测量仪测量车辙轮迹的方法与上述原理相似，都是用激光传感器测量距路面轴线的高度，将它测量车辙深度的数据与传统测量方法——直尺和楔形块测量的数据相比较，两种测量结果趋向一致，相差在±2mm以内，这其中包括了直尺测量误差和激光系统的测量误差。测得的车辙深度数据可存贮在软盘上或显示打印。激光断面测量仪还可配以摄像机，拍摄路面状况，配合激光传感器和计算机系统自动辨认1mm以上的裂缝，对路面质量、路况评估很有实用价值。随着我国高速公路里程总数的快速增长，对道路质量的管理水平也相应提高，我国目前已有多家科研和工程单位引进了这种高效的断面验平仪，但国内产品尚未见报道。

3 结语

本文介绍了激光检测技术的特点及其原理，并且简要地介绍了其在公路工程中的应用，例如利用激光弯沉仪检测路面弯沉，利用激光平整度仪检测路面质量，包括纵断面、纹理深度、车辙深度等。相信随着激光技术的进一步发展，其在公路工程领域中的应用将更加广泛。