CN114481769A - 一种激光式高速弯沉测定仪弯沉校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种激光式高速弯沉测定仪弯沉校准装置及方法。该装置包括刚性支撑、转动盘、驱动系统以及弯沉校准单元；刚性支撑上安装有转动盘，驱动系统驱动转动盘旋转，所述转动盘上表面沿圆周方向加工为具有斜率的斜面；弯沉校准单元，用于根据测量弯沉值以及理论弯沉值校准激光式高速弯沉测定仪；其中激光式高速弯沉测定仪中的激光多普勒测振仪发射的激光入射到旋转的转动盘上表面，从而得到所述测量弯沉值；弯沉校准单元根据转动盘倾角、转动角速度、以及激光入射点与转动盘回转中心的距离计算理论弯沉值。本申请实现了激光式高速弯沉测定仪测量结果的无损校准。

Description

一种激光式高速弯沉测定仪弯沉校准装置及方法

技术领域

本申请涉及激光校准领域，尤其涉及一种激光式高速弯沉测定仪弯沉校准装置及方法。

背景技术

近几十年来，路面检测与评价技术的发展十分迅速，传统的贝克曼梁法、落锤法等静态或走-停式测量方法已无法满足现代社会的发展需求。激光式高速弯沉测定仪是目前世界上最先进的动态弯沉测试装置。该装置在高速行驶过程中利用激光多普勒(Laser-Doppler)技术测量路面在荷载作用下的下沉速度v _m ，并基于欧拉-伯努利梁模型及弯沉盆2参数模型或面积法反演路面的最大弯沉值d ₀及弯沉盆d(x)，其检测速度可达100 km/h，具有检测成本低、安全性高、能及时反映路面实时状况等优点。

虽然目前已有多种传统方法用于检测路面弯沉，如贝克曼梁法、落锤法等，并形成了相对应的测试规程及校准规范，但此类规程或规范并不适用于激光式高速弯沉测定仪，主要原因在于：测试设备的载荷加载方式不同，弯沉测量及计算原理不同等。尽管大量实验表明基于激光式高速弯沉测定仪的测量结果具有较好的重复性，且与传统测量方法的结果具有较高的相关性，但无法进行计量校准及溯源的现实条件仍然影响了新技术在工程领域的推广应用。

发明内容

有鉴于此，本申请提出了一种激光式高速弯沉测定仪弯沉校准装置及方法，实现激光式高速弯沉测定仪的校准。

根据本申请的一个方面，提出了一种激光式高速弯沉测定仪弯沉校准装置，该装置包括刚性支撑、转动盘、驱动系统以及弯沉校准单元；

刚性支撑上安装有转动盘，驱动系统驱动转动盘旋转，所述转动盘上表面沿圆周方向加工为具有斜率的斜面；

弯沉校准单元，用于根据测量弯沉值以及理论弯沉值校准激光式高速弯沉测定仪；

其中激光式高速弯沉测定仪中的激光多普勒测振仪发射的激光入射到旋转的转动盘上表面，从而得到所述测量弯沉值；

弯沉校准单元根据转动盘倾角、转动角速度、以及激光入射点与转动盘回转中心的距离计算理论弯沉值。

优选地，该装置具有有序排列的多个转动盘以及对应的驱动系统，转动盘的数量不少于激光式高速弯沉测定仪中的激光多普勒测振仪数量。

优选地，每个转动盘上表面沿圆周方向的斜面斜率模拟路面弯沉盆上一点的斜率，多个转动盘上表面沿圆周方向的斜面斜率彼此不同，以模拟所述路面弯沉盆。

优选地，转动盘上的测振点沿圆周方向的线速度模拟行车速度，沿激光线方向的线速度模拟路面弯沉速度。

优选地，驱动系统包括电机和驱动器，电机与转动盘同轴安装于刚性支撑上。

优选地，所述刚性支撑具有固定电机的横梁。

优选地，所述刚性支撑上部有通孔，激光从该通孔入射到转动盘上。

优选地，所述电机通过法兰与刚性支撑或横梁固定连接。

优选地，电机下方悬空，和/或转动盘与刚性支撑无直接接触。

优选地，弯沉校准单元根据转动盘上表面的斜率以及电机的转速基于欧拉-伯努利梁理论及弯沉盆2参数模型计算理论弯沉值。

本申请提供了一种激光式高速弯沉测定仪弯沉校准方法，该方法包括：

激光式高速弯沉测定仪中的激光多普勒测振仪发射的激光入射到旋转的转动盘上表面，得到所述测量弯沉值；所述转动盘上表面沿圆周方向加工为具有斜率的斜面；

根据转动盘倾角、转动角速度、以及激光入射点与转动盘中心点的距离计算理论弯沉值；

根据测量弯沉值以及理论弯沉值校准激光式高速弯沉测定仪。

优选地，计算理论弯沉值包括：

根据转动盘上表面的斜率以及电机的转速基于欧拉-伯努利梁理论及弯沉盆2参数模型计算理论弯沉值。

本申请基于离散及相对运动的思想，提供了一种激光式高速弯沉测定仪校准技术方案。通过模拟弯沉盆上不同测量点的斜率，并基于多个测点的斜率反演出路面弯沉盆及弯沉标准值，实现了激光式高速弯沉测定仪测量结果的无损校准，突破了激光式高速弯沉测定仪目前无法计量及校准的困境。

本申请的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施方式及其说明用于解释本申请。在附图中：

图1为本申请提供的激光式高速弯沉测定仪校准装置；

图2（a）-图2（d）为本申请提供的转动盘等轴侧视图、俯视图、正视图以及沿圆周延展视图；

图3为本申请提供的2种弯沉盆曲线实例；

图4为本申请提供的2种弯沉盆速度曲线实例。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施方式及各个实施方式中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本申请。

设计及研发激光高速弯沉校准装置主要难点包括：在保证车速v _k 的前提下，准确模拟弯沉速度v _m ；弯沉值d ₀及弯沉盆d(x)的溯源。

为了实现激光式高速弯沉的校准功能，本申请提供的激光式高速弯沉测定仪校准装置如图1所示，该激光式高速弯沉测定仪校准装置包括：刚性支撑7、刚性支撑8、转动盘9、转动盘10、转动盘11、转动盘12、驱动电机13、驱动电机14、驱动电机15、驱动电机16、驱动器17及弯沉分析及校准系统19。刚性支撑主要实现如下功能：支撑待测设备，使设备后轴轮胎与地面分离；安装驱动电机。

横梁1、激光多普勒测振仪2、多普激光勒测振仪3、激光多普勒测振仪4、激光多普勒测振仪5、轮胎6及待校准设备弯沉计算系统18为待校准激光式高速弯沉测定仪所拥有的设备或组件。

转动盘模拟路面激光式高速弯沉测定仪与路面的相对运动；转动盘有多个，其数量取决于激光式高速弯沉测定仪的激光多普勒测振仪的数量；多个转动盘的上表面沿圆周方向加工有斜率不同的斜面，用以模拟弯沉盆不同位置的弯沉斜率。测试时，多个斜率不同的转动盘根据需求有序放置于激光式路面弯沉测定仪的下方，并确保待校准设备的激光多普勒测振仪的测点可以测量转动盘斜面上某一点的振动速度。通过调整转动盘上的斜面斜率可以模拟不同的路面弯沉盆。

驱动系统包括驱动电机、驱动器等。驱动电机与转动盘同轴连接，并驱动转动盘进行圆周运动，且可通过所述驱动器调节转速。因转动盘上加工有斜面，则位于所述转动盘上方的激光测点会因转动盘的转动而产生位移，从而模拟该处的弯沉速度，所述转动盘上具有相同半径的点的线速度相同且可以模拟行车速度。通过调节驱动电机的转速可以模拟不同车速。

因本申请涉及多个激光多普勒测振仪(2，3，4，5)、刚性支撑(7，8)、转动盘(9，10，11，12)及驱动电机(13，14，15，16)，如图1所示，以多普勒测振仪2、刚性支撑7、转动盘9及驱动电机13为例进行说明，其他多普勒测振仪、刚性支撑、转动盘及驱动电机的连接方式、安装位置及相对关系参照图1，工作方式相同或类似。

转动盘9与驱动电机13同轴安装，驱动电机13通过法兰与刚性支撑7固定连接；驱动电机13的下方悬空；转动盘9与刚性支撑7无直接接触；刚性支撑7的上表面中部切有通孔，可使多普勒测振仪2发射的激光穿过，并打在转动盘9上表面上，驱动电机13通过信号线与所述驱动器17连接。刚性支撑中部安装有横梁，便于安装所述驱动电机。需要说明的是，将驱动电机直接安装在刚性支撑的顶部而无需横梁也是可行的技术方案。

转动盘9的等轴侧视图、正视图、俯视图及沿圆周方向的延展视图如图2（a）-2（d）所示。转动盘9的上方沿圆周方向加工有倾角为α，宽度为b的斜面。激光多普勒测振仪2发射的激光穿过刚性支撑7的通孔照射在该斜面上入射点20，激光点的光斑中心距离转动盘9的回转中心的水平直线距离为r。距离r可由转动盘9的尺寸控制。图2（d）中示出了t时刻激光入射点21和t+Δt时刻激光入射点22。

待测试校准激光式高速弯沉测定仪在校准时，需要驾驶员将车辆停靠在校准装置上，如所述轮胎6压在所述刚性支撑7上。因所述刚性支撑7的刚度较大，可忽略所述轮胎6作用下整个所述校准装置的变形。

已知转动盘9在驱动电机13的驱动下，以角速度ω进行逆时针圆周运动，则激光点处的圆周线速度即模拟了行车速度v _k ，其中v _k =ω*r。

当转动盘9以角速度ω进行圆周运动时，根据相对运动原理，源自激光多普勒测振仪2的激光点即第1个激光测点将沿转动盘9上方的斜面移动。因转动方向为逆时针，则该过程模拟了路面下降，其中弯沉下降速度为v _m 。假设Δt时间内，激光测点的下降位移Δy=v _m *Δt，激光测点沿圆周方向的相对位移Δx=v _k *Δt，则Δy/Δx=v _m /v _k 。转动盘9上方以α角为倾角的斜面决定了待模拟的弯沉盆在该处的斜率k，其中k=tan(α)。根据几何关系可知，斜率k=Δy/Δx，则转动盘9模拟的弯沉下降速度v _m =tan(α)*v _k = tan(α)*ω*r。

根据以上分析可知，只需控制转动盘9的转动角速度ω、转动盘9上方沿圆周方向的斜面的倾角α以及激光测点到转动盘9回转中心的距离r即可模拟弯沉盆上任意点对应的弯沉下降速度v _m 。

通过改变转动盘9上方的斜面倾角α _i,1可模拟第i种弯沉盆在第1个激光测点对应的弯沉下降速度v _mi,1= tan(α _i,1)*ω*r，i=1,2,3…,N。同理，可以改变转动盘10、11、12等的斜面倾角α _i,j 模拟第i种弯沉盆在第j个激光测点对应的弯沉下降速度v _mi,j = tan(α _i,j )*ω*r。其中，j表示第j个激光多普勒测振仪。

待校准激光高速弯沉测定仪在评价路面弯沉时依赖于激光多普勒测振仪(2，3，4，5)测量的弯沉速度v _mi,j ，路面测量弯沉值d _0,i 与弯沉速度v _mi,j 的关系可使用式（1）表示。

（1）

式中，x _j 表示待校准激光高速弯沉测定仪的第j个激光多普勒测振仪到后轴轴载中心的水平距离；v _k 表示车辆行车速度。注意，在实际应用过程中，激光多普勒测振仪的测量速度v' _mi,j 并不等价于路面弯沉速度v _mi,j ，两者有一定的数值关系。为了说明问题，本申请将两者进行了等价。

本申请将路面弯沉速度v _mi,j 转化为转动盘转速ω、斜面倾角α _i,j 以及距离r，则校准装置模拟的路面弯沉D _0,i 可使用公式（2）表示。

（2）

对于某工况下的激光式高速弯沉测定仪弯沉校准实验，待模拟车速v _k 是确定的，即ω*r为定值。如模拟车速v _k =72km/h，可取距离r=100mm，转动盘角速度ω=200rad/s。最终，校准装置模拟的路面弯沉D _0,i 只与斜面倾角α _i,j 有关。

弯沉分析及校准系统19为弯沉校准单元，首先根据转动盘(9，10，11，12)的上表面的斜率及驱动电机(13，14，15，16)的转速基于欧拉-伯努利梁理论及弯沉盆2参数模型计算校准装置的理论弯沉值；其次，根据待校准设备的测量结果和理论弯沉值对待校准设备的测量结果进行校准。

图3描述了2种弯沉盆曲线，分别对应于2种路面类型,α _i,j 表示第i种弯沉盆的第j个转动盘的倾角，i=1,2,3..., j=1,2,3,..,N。2条曲线可作为溯源弯沉盆曲线；轴载中心处的路面弯沉D₀分别等于-0.80mm和-0.50mm，可作为溯源目标的弯沉值。假设待校准激光高速弯沉测定仪安装有4个激光多普勒测振仪，且其安装位置到轴载中心的距离x _i 分别为0.1m，0.2m，0.3m和3.6m。因距离轴载中心最远(x=3.6m)的激光多普勒测振仪5在工作时处于弯沉盆的最远端，在实际应用中常作为参考及角度标定使用，可认为该处的弯沉d ₃₆₀₀、弯沉斜率Slope ₃₆₀₀及倾角α _i,4均为0。另外3处的斜率倾角α _i,j 见图中所示。将4个斜率倾角α _i,j 、距离r及转动盘转速ω输入到弯沉分析与校准系统19中，可模拟4个激光多普勒测振仪测点的弯沉速度v _mi,j 。基于速度v _mi,j 及待模拟弯沉盆的2参数方程可拟合出对应的弯沉速度曲线。

弯沉盆2参数方程d(x)见公式（3）所示，其中两参数分别为A和B。2参数方程对应的弯沉速度v _m (x)见公式（4）所示。2参数方程对应的最大弯沉d ₀见公式（5）所示。

（3）

（4）

（5）

图4显示了拟合得到的2种弯沉盆速度曲线,v _mi,j 表示第i种弯沉盆的第j个转动盘模拟的弯沉速度，i=1,2,3..., j=1,2,3,..,N。在拟合过程中，2参数方程的2个参数分别为：A=0.0048、B=3和A=0.005、B=5，则两条速度曲线对应的最大弯沉d ₀分别为0.0008m和0.0005m。

通过对比图3中理论弯沉值D ₀及图4反演出的仿真弯沉值d ₀可知，仿真弯沉值与理论弯沉值一致，说明弯沉仿真校准装置及弯沉反演方法的正确性。

以上过程即实现了某一种路面弯沉盆的仿真模拟及弯沉溯源。

通过改变转动盘的倾角α _i,j 可以实现多种路面的弯沉盆模拟，即通过校准装置对路面弯沉进行仿真具有较强的普适性。

待测试校准激光式高速弯沉测定仪的激光多普勒测振仪(2，3，4，5)在测量校准装置多个转动盘(9，10，11，12)模拟的弯沉速度后，经过待校准设备弯沉计算系统18输出对应的测量弯沉值，随后将测量弯沉值输入到弯沉分析与校准系统19中。

设定多组转动盘的倾角α _i,j ，模拟多种路面弯沉盆以便校准装置和待校准设备同时计算理论弯沉值及测量弯沉值。通过比对弯沉标准值与测量弯沉值，评定待校准设备的示值误差，计算修正值或校准因子。

以上过程即实现了激光式高速弯沉测定仪的弯沉校准工作。

本申请还提供了一种激光式高速弯沉测定仪弯沉校准方法，该方法包括：

激光式高速弯沉测定仪中的激光多普勒测振仪发射的激光入射到旋转的转动盘上表面，得到所述测量弯沉值；所述转动盘上表面沿圆周方向加工为具有斜率的斜面；

根据转动盘倾角、转动角速度、以及激光入射点与转动盘中心点的距离计算理论弯沉值；具体地，根据转动盘上表面的斜率以及电机的转速基于欧拉-伯努利梁理论及弯沉盆2参数模型计算理论弯沉值；

根据测量弯沉值以及理论弯沉值校准激光式高速弯沉测定仪。

结合以上分析以及公式（2）可知，校准装置可以满足不同路面的弯沉仿真及溯源；校准方法适用于不同的激光式高速弯沉测定仪在不同车速v _k 下的弯沉校准测试，如激光多普勒测振仪数量N不同、激光多普勒测振仪的安装位置x _j (j=1,2,3,..,N)不同等。

激光式高速弯沉测定仪校准装置基于离散及相对运动的思想模拟并反映了激光式高速弯沉测定仪的弯沉形成机制，实现了此类设备弯沉测量值的校准。

以上所述仅为本申请的较佳实施方式而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种激光式高速弯沉测定仪弯沉校准装置，其特征在于，该装置包括刚性支撑、转动盘、驱动系统以及弯沉校准单元；

刚性支撑上安装有转动盘，驱动系统驱动转动盘旋转，所述转动盘上表面沿圆周方向加工为具有斜率的斜面；

弯沉校准单元，用于根据测量弯沉值以及理论弯沉值校准激光式高速弯沉测定仪；

其中激光式高速弯沉测定仪中的激光多普勒测振仪发射的激光入射到旋转的转动盘上表面，从而得到所述测量弯沉值；

弯沉校准单元根据转动盘倾角、转动角速度、以及激光入射点与转动盘回转中心的距离计算理论弯沉值。

2.根据权利要求1所述的弯沉校准装置，其特征在于，该装置具有有序排列的多个转动盘以及对应的驱动系统，转动盘的数量不少于激光式高速弯沉测定仪中的激光多普勒测振仪数量。

3.根据权利要求2所述的弯沉校准装置，其特征在于，每个转动盘上表面沿圆周方向的斜面斜率模拟路面弯沉盆上一点的斜率，多个转动盘上表面沿圆周方向的斜面斜率彼此不同，以模拟所述路面弯沉盆。

4.根据权利要求1所述的弯沉校准装置，其特征在于，转动盘上的测振点沿圆周方向的线速度模拟行车速度，沿激光线方向的线速度模拟路面弯沉速度。

5.根据权利要求1所述的弯沉校准装置，其特征在于，驱动系统包括电机和驱动器，电机与转动盘同轴安装于刚性支撑上。

6.根据权利要求5所述的弯沉校准装置，其特征在于，所述刚性支撑具有固定电机的横梁。

7.根据权利要求5所述的弯沉校准装置，其特征在于，所述刚性支撑上部有通孔，激光从该通孔入射到转动盘上。

8.根据权利要求5或6所述的弯沉校准装置，其特征在于，所述电机通过法兰与刚性支撑或横梁固定连接。

9.根据权利要求5所述的弯沉校准装置，其特征在于，电机下方悬空，和/或转动盘与刚性支撑无直接接触。

10.根据权利要求5所述的弯沉校准装置，其特征在于，弯沉校准单元根据转动盘上表面的斜率以及电机的转速基于欧拉-伯努利梁理论及弯沉盆2参数模型计算理论弯沉值。

11.一种根据权利要求1所述的激光式高速弯沉测定仪弯沉校准装置的激光式高速弯沉测定仪弯沉校准方法，其特征在于，该方法包括：

激光式高速弯沉测定仪中的激光多普勒测振仪发射的激光入射到旋转的转动盘上表面，得到测量弯沉值；所述转动盘上表面沿圆周方向加工为具有斜率的斜面；

根据转动盘倾角、转动角速度、以及激光入射点与转动盘中心点的距离计算理论弯沉值；

根据测量弯沉值以及理论弯沉值校准激光式高速弯沉测定仪。

12.根据权利要求11所述的弯沉校准方法，其特征在于，计算理论弯沉值包括：

根据转动盘上表面的斜率以及电机的转速基于欧拉-伯努利梁理论及弯沉盆2参数模型计算理论弯沉值。

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