CN208223631U - 一种激光多普勒桥梁测振装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光多普勒桥梁测振装置，该装置包括测试箱和计算机，所述测试箱的内部设有从左往右顺次连接的第一光纤准直镜、第一移频器、第二移频器、第一光纤耦合器、光电探测器和高频信号采集仪，所述高频信号采集仪与所述计算机相连；所述第一移频器连接有第一超声驱动器，所述第二移频器连接有第二超声驱动器；所述测试箱的内部还设有从左往右顺次连接的第二光纤准直镜、第二光纤耦合器和光纤激光发射器，且所述第二光纤耦合器与所述第一光纤耦合器相连，同时，所述第一光纤准直镜和第二光纤准直镜之间设有激光笔。本实用新型提出的激光多普勒桥梁测振装置，结构合理，成本低，可以实现速度方向的识别，且装置使用方便。

Description

一种激光多普勒桥梁测振装置

技术领域

本实用新型涉及土木建筑及工程结构领域，具体涉及一种激光多普勒桥梁测振装置。

背景技术

桥梁结构施工和运营中动态力学参数的测量越来越重要，并且精度应尽可能高，这样就可以检测到一些特殊的外界响应，例如异地地震波的影响，而针对那些刚度较大的桥梁结构，在车辆荷载经过时同样的精度也可以检测到显著信号。近年来，传感器技术蓬勃发展，出现了基于半导体材料压阻效应、材料压电效应等原理的加速度传感器，但基本都是接触式的，并且精度都不是特别高。接触式测量的明显的弊端就是阻碍现场交通，传感器在安装费时往往费力并且对结构有不同程度的损伤。利用激光多普勒原理的振动测量装置或仪器采用的是非接触检测技术，测量精度可达微米级，能够做到动态测量的在线实时数据处理并显示，是以后结构非接触高精度检测的一种方向和趋势，能够很好地提高维护桥梁等结构健康和安全的水平。

现有的实用新型专利—一种基于激光的桥梁振动检测装置 (ZL201520084412.8)提供了一种基于激光多普勒原理的桥梁振动检测装置，该装置可以高精度捕捉结构的瞬时振动速度。在该实用新型中，激光发射器发射光和经物体表面振动改变频率后的入射光两者存在一个频率差值，如果这个差值为负数，则表示目标远离激光发射器，正值则表示目标靠近激光发射器，因而可以判断速度方向。但是发射光和入射光经过耦合器合二为一后原来的本征频率值相互抵消，探测器只能得到目标移动带来的频率变量的绝对值。因此，该绝对值只能得到该瞬间目标的绝对速度，而无法分别速度的方向，这样制约了的数据的使用价值。

实用新型内容

针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种激光多普勒桥梁测振装置，能确定所检测结构的振动速度方向，安装难度低，使用方便。

为达到以上目的，本实用新型采取的技术方案是：

测试箱和计算机，所述测试箱的内部设有从左往右顺次连接的第一光纤准直镜、第一移频器、第二移频器、第一光纤耦合器、光电探测器和高频信号采集仪，所述高频信号采集仪与所述计算机相连；所述第一移频器连接有第一超声驱动器，所述第二移频器连接有第二超声驱动器；

所述测试箱的内部还设有从左往右顺次连接的第二光纤准直镜、第二光纤耦合器和光纤激光发射器，且所述第二光纤耦合器与所述第一光纤耦合器相连，同时，所述第一光纤准直镜和第二光纤准直镜之间设有激光笔。

在上述技术方案的基础上，所述第一超声驱动器和第二超声驱动器具有不同大小的驱动参数。

在上述技术方案的基础上，所述第一超声驱动器和第二超声驱动器的驱动参数差值为ΔM，|ΔM|为所述第一移频器和第二移频器提供的综合移频值，所述第一移频器和第二移频器能提供的速度变化范围为[-|ΔM|,|ΔM|]。

在上述技术方案的基础上，所述第一光纤准直镜、第二光纤准直镜和激光笔均通过调节式夹持器与测试箱连接。

在上述技术方案的基础上，所述测试箱与第一光纤准直镜对应之处开有第一激光口，所述测试箱与第二光纤准直镜对应之处开有第二激光口，所述测试箱与激光笔对应之处开有第三激光口。

在上述技术方案的基础上，所述光纤激光发射器、第二光纤准直镜和第一光纤耦合器均通过光纤跳线与所述第二光纤耦合器相连，所述第一光纤准直镜、第一移频器、第二移频器、第一光纤耦合器和所述光电探测器均通过光纤跳线顺次相连。

在上述技术方案的基础上，所述光电探测器和计算机均有数据线与高频信号采集仪相连。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

该激光多普勒桥梁测振装置，包括设置在测试箱内部的光纤激光发射器、第一光纤耦合器、第一光纤准直镜、第二光纤准直镜、第二光纤耦合器、第一移频器、第二移频器、第一超声驱动器和第二超声驱动器等组件，第一移频器和第二移频器结合第一超声驱动器和第二超声驱动器的设置使该检测装置可以进行速度方向的识别，得到的速度数值经过傅里叶变换计算其振动频率，通过微分计算加速度，通过积分计算位移，极大提高了装置的数据检测范围，能提供更多更有意义的评价结构状况的参数。另外，采用双移频器的设计来达到一个小范围的移频，即实现了技术要求，又极大降低了成本，突破了现有技术的制约。

附图说明

图1为本实用新型实施例中的激光多普勒桥梁测振装置的结构示意图。

图中：1-计算机，2a-第一光纤准直镜，2b-第二光纤准直镜，3a- 第一移频器，3b-第二移频器，4a-第一光纤耦合器，4b-第二光纤耦合器，5-光电探测器，6-高频信号采集仪，7a-第一超声驱动器，7b-第二超声驱动器，8-光纤激光发射器，9-激光笔，10-调节式夹持器，11a- 第一激光口，11b-第二激光口，11c-第三激光口。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例作进一步详细说明。

实施例1

参见图1所示，本实用新型实施例提供一种激光多普勒桥梁测振装置，包括相互连接的测试箱和计算机1，测试箱的内部设有从左往右顺次连接的第一光纤准直镜2a、第一移频器3a、第二移频器3b、第一光纤耦合器4a、光电探测器5和高频信号采集仪6，高频信号采集仪6与计算机1相连，第一移频器3a连接有第一超声驱动器7a，第二移频器3b连接有第二超声驱动器7b。测试箱的内部还设有从左往右顺次连接的第二光纤准直镜2b、第二光纤耦合器4b和光纤激光发射器8，且第二光纤耦合器4b与第一光纤耦合器4a相连，同时，第一光纤准直镜2a和第二光纤准直镜2b之间设有激光笔9。为了保护测试箱内部的整套设备，测试箱的外表面为用于固定和保护整套装置的外壳。测试箱与第一光纤准直镜2a对应之处开有第一激光口11a，测试箱与第二光纤准直镜2b对应之处开有第二激光口11b，测试箱与激光笔9对应之处开有第三激光口11c。

参见图1所示，第一移频器3a的两端端口的极性分别为正极和负极，第二移频器3b的两端端口的极性也分为正极和负极，在连接时，第一移频器3a和第二移频器3b的连接方式可以为任一合适的连接方式相连，如正正、负负、正负或负正，都可以实现对速度方向的测定。与第一移频器3a和第二移频器3b分别相连接的第一超声驱动器7a和第二超声驱动器7b具有不同大小的驱动参数，其中两者的参数差值为ΔM，这里ΔM的绝对值|ΔM|即为第一移频器3a和第二移频器3b综合提供的移频值，而最终能提供的速度变化范围为 [-|ΔM|,|ΔM|]。光电探测器5可以探测到物体振动的频率改变量和本征频率|ΔM|，即探测到的频率范围为[0,2|ΔM|]，这样可以得到物体振动带来的频率该变量变化范围为[-|ΔM|,|ΔM|]，通过该变量变化范围可以识别到速度的方向。

参见图1所示，第一移频器3a和第二移频器3b的移频参数由与他们分别连接的第一超声驱动器7a和第二超声驱动器7b的功率来决定，双移频器的设置可以实现达到小范围的移频，既实现了技术要求，又极大降低了成本，突破了现有技术的制约。由于受数据采集速度的限制和成本原因，不能进行过大范围的移频，例如80MHz的移频点需要至少大概200MHz的采集电路，造价非常高而且结构体积大，不便于技术的产品化；而现有移频器的移频点都较高，单一移频器不能实现一次小的移频，但是采用双移频器通过正负两次移频正好可以很好解决这个问题。

参见图1所示，第一光纤准直镜2a、第二光纤准直镜2b和激光笔9均通过调节式夹持器10与测试箱连接。第一光纤准直镜2a、第一移频器3a、第二移频器3b、第一光纤耦合器4a和光电探测器5均通过光纤跳线顺次相连；第二光纤准直镜2b、光纤激光发射器8，和第一光纤耦合器4a均通过光纤跳线与第二光纤耦合器4b连接；光电探测器5、计算机1均通过数据线与高频信号采集仪6连接，其中，第一光纤准直镜2a和第二光纤准直镜2b的连接端是分光比大的部分。

激光从光纤激光发射器8出来后被第二光纤耦合器4b分为两部分，一部分入射到振动物体表面反射后进行二次固定频率移动，然后和另一部分一起汇聚到光电探测器5上，光电探测器5将光信号转化为电信号，电信号经高频信号采集仪放大及A/D转换给交给计算机分析处理。其中，光纤激光发射器8的发射光波长为1550nm，激光笔9的发射光波长为380～780nm，第一光纤耦合器4a和第二光纤耦合器4b的分光比为1:99。第一光纤准直镜2a的横向中心线与第二光纤准直镜2b的横向中心线之间的夹角≤0.02°，第一光纤准直镜 2a的纵向中心线与第二光纤准直镜2b纵向中心线之间的夹角≤ 0.02°；第一光纤准直镜2a的横向中心线与激光笔9横向中心线之间的夹角≤0.02°，第一光纤准直镜2a的纵向中心线与激光笔9纵向中心线之间的夹角≤0.02°；第二光纤准直镜2b的横向中心线与激光笔9横向中心线之间的夹角≤0.02°，第二光纤准直镜2b的纵向中心线与激光笔9纵向中心线之间的夹角≤0.02°。

本实用新型实施例的工作原理如下：

光纤激光发射器8发射激光，激光通过第二光纤耦合器4b后分为第一激光和第二激光，第一激光通过第二光纤准直镜2b后射至待侧物体表面，经过漫反射后，得到漫反射光，漫反射光依次通过第一光纤准直镜2a、第一移频器3a、第二移频器3b和第一光纤耦合器4a 后进入光电探测器5，光电探测器5将光信号转化为电信号后，通过高频信号采集仪6放大并发送至计算机1。

第二激光通过第一光纤耦合器4a后进入光电探测器5，光电探测器5将光信号转化为电信号后，通过高频信号采集仪6放大并发送至计算机1。

实施例2

本实用新型实施例提供一种激光多普勒桥梁测振装置，本实施例与上述实施例1的不同点在于所述测试箱的内部设有从左往右顺次连接的第一光纤准直镜2a、第一光纤耦合器4a、光电探测器5和高频信号采集仪6，所述高频信号采集仪6与所述计算机1相连，所述第一光纤耦合器4a上还连接有第二移频器3b，所述第二移频器3b连接有第二超声驱动器7b，所述测试箱的内部还设有从左往右顺次连接的第二光纤准直镜2b、第二光纤耦合器4b和光纤激光发射器8，且所述第二光纤耦合器4b上还连接有第一移频器3a，所述第一移频器3a连接有第一超声驱动器7a，所述第一光纤准直镜2a和第二光纤准直镜2b之间设有激光笔9。本实施例与上述实施例1相比是等效的连接方式，可以达到同样的效果和目的。

本实用新型不仅局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本实用新型相同或相近似的技术方案，均在其保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光多普勒桥梁测振装置，其特征在于，其包括：

测试箱和计算机(1)，所述测试箱的内部设有从左往右顺次连接的第一光纤准直镜(2a)、第一移频器(3a)、第二移频器(3b)、第一光纤耦合器(4a)、光电探测器(5)和高频信号采集仪(6)，所述高频信号采集仪(6)与所述计算机(1)相连；所述第一移频器(3a)连接有第一超声驱动器(7a)，所述第二移频器(3b)连接有第二超声驱动器(7b)；

所述测试箱的内部还设有从左往右顺次连接的第二光纤准直镜(2b)、第二光纤耦合器(4b)和光纤激光发射器(8)，且所述第二光纤耦合器(4b)与所述第一光纤耦合器(4a)相连，同时，所述第一光纤准直镜(2a)和第二光纤准直镜(2b)之间设有激光笔(9)。

2.如权利要求1所述的一种激光多普勒桥梁测振装置，其特征在于：所述第一超声驱动器(7a)和第二超声驱动器(7b)具有不同大小的驱动参数。

3.如权利要求2所述的一种激光多普勒桥梁测振装置，其特征在于：所述第一超声驱动器(7a)和第二超声驱动器(7b)的驱动参数差值为ΔM，|ΔM|为所述第一移频器(3a)和第二移频器(3b)提供的综合移频值，所述第一移频器(3a)和第二移频器(3b)能提供的速度变化范围为[-|ΔM|,|ΔM|]。

4.如权利要求1所述的一种激光多普勒桥梁测振装置，其特征在于：所述第一光纤准直镜(2a)、第二光纤准直镜(2b)和激光笔(9)均通过调节式夹持器(10)与测试箱连接。

5.如权利要求1所述的一种激光多普勒桥梁测振装置，其特征在于：所述测试箱与第一光纤准直镜(2a)对应之处开有第一激光口(11a)，所述测试箱与第二光纤准直镜(2b)对应之处开有第二激光口(11b)，所述测试箱与激光笔(9)对应之处开有第三激光口(11c)。

6.如权利要求1所述的一种激光多普勒桥梁测振装置，其特征在于：所述光纤激光发射器(8)、第二光纤准直镜(2b)和第一光纤耦合器(4a)均通过光纤跳线与所述第二光纤耦合器(4b)相连，所述第一光纤准直镜(2a)、第一移频器(3a)、第二移频器(3b)、第一光纤耦合器(4a)和所述光电探测器(5)均通过光纤跳线顺次相连。

7.如权利要求1所述的一种激光多普勒桥梁测振装置，其特征在于：所述光电探测器(5)和计算机(1)均有数据线与高频信号采集仪(6)相连。