CN102162217A - 激光动态弯沉测量车 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光动态弯沉测量车，其包括移动测量平台、测量横梁、工作轮、测速轮、加速度计和数据采集与处理装置。本发明所述的激光动态弯沉测量车利用激光多普勒测速原理和惯性测量原理，在车辆以正常交通速度(15～80km/h)行驶过程中，由安装在车辆载荷轮前的多个激光多普勒测振仪同步测量各测点的路面相对运动速度，经过惯性补偿计算后，获得路面的瞬时弯沉变形速度，再通过道路层状弹性力学模型，反演得到路面动态弯沉值，用于普查与评估道路网的承载能力。

Description

激光动态弯沉测量车

技术领域

本发明涉及一种弯沉测量车，尤其涉及一种激光动态弯沉测量车，可以广泛应用于交通领域中的高速公路、国省道、城市道路及机场跑道的弯沉测量。

背景技术

自1960年以来，激光多普勒技术由于在测量中具有高的空间和时间分辨率，不接触测量物体，不扰动测量对象，能测量原有测速技术难以测量的对象而引人注目。1964年，YEH和CUMMIUS发表了第1篇关于激光多普勒技术测速的论文后，此项技术立即受到各方面的重视并进行了大量的理论分析和试验研究，取得了显著的成果。70年代后，国外厂商已经开始向市场提供比较完备的产品并在不断更新。激光多普勒测振技术现在成为科学技术及许多行业中不可少的检测方法，已经从流体和固体的速度测量发展到了振动测量领域。

振动测量因为能反映物体的动态特性，特别是高速运动的物体，在工程技术中十分重要。激光多普勒测振仪从1983年南安普敦大学的光振研究所的发明开始，从单光束、交叉光束测量发展到了多光束测量。激光振动测量最开始是利用差动式激光多普勒测速仪进行扭转振动测量，随后激光扭转振动仪的理论开始独立发展，已经取得了很大的成果。世界著名的生产激光多普勒测振仪的厂家B&K公司研究并制造出商品型号为2523的激光扭振仪。该产品中使用了单个激光干涉仪。而同样知名的德国Polytec公司4000系列中的产品中包含了两个激光干涉仪，测量效果得到了进一步的提高。国内天津大学、西安交通大学等研究部门也进行了相应的研究。

激光多普勒测速(测振)技术最早是从激光测速技术发展来的。其物理原理在于探测从运动物体散射回来的反射光的多普勒频移。图9为单光束测速光路结构。

由激光器发出的频率为f激光束经分光镜入射到被测表面，由于测量表面的运动，反射光将产生多普勒频移f_D：

$f_D=\frac{2v}{\mathrm{\λ}}$

式中，v为表面运动速度，λ为激光的波长。频率为f+f_r的参考光束和频率为f+f_D反射光混合并投射到光电探测器上产生了拍频信号，经过电子信号处理***，最后得到频率为f_D-f_r的拍频的电信号，对其进行分析和处理就可得到所需的振动信号。由于混合了参考光束，这种光路结构能够分辨出被测表面的运动方向。

弯沉盆是指路面在荷载作用下形成的类似盆状变形，是路面弹性变形与塑性变形的总和，弯沉盆可以有效地反映路面的承载能力状况。我国公路路面设计中，柔性路面的弯沉盆半径设计值为3.6米，半刚性路面的弯沉盆半径设计值为5.4米。

路面弯沉的检测是评价路面承载力的基础，对于工程质量的控制和检验至关重要，此外，它还决定着路网养护决策的科学化水平和可信度，直接影响养护资金分配和旧路改造设计的合理性。虽然世界各国测试弯沉的设备和方法有所不同，但对弯沉基本概念的理解是相同的。弯沉定义一般是指路基或路面表面在规定标准车的荷载作用下轮隙位置产生的总垂直变形值(总弯沉)或垂直回弹变形值(回弹弯沉)，以0.01mm为单位。

路面结构承载力的合理定义为：路面结构在达到不能接受的结构性破坏或功能性破坏之前，所能承受的一定类型车辆的通过次数。一般认为，沥青路面开裂造成的结构性破坏主要与面层材料中的最大拉应力或最大拉应变有关，路面出现车辙或者平整度降低造成的功能性破坏主要与基层或路基散粒体材料中的最大压应力或最大压应变有关。

我国柔性路面设计是以回弹模量作为设计参数，以弯沉作为力学控制指标。其力学定义为模型在竖向力作用下的表面竖向位移分量，即路基路面在荷载作用下，顶面发生的垂直变形。虽然大量实践和研究资料表面，路基弯沉与其承载力并不存在简单的线性关系，但弯沉还是从某种程度上反映了路基路面的承载能力。直接应用表面弯沉作为承载力评估的指标具有明显的优点，因为野外测量容易，也不需要额外的计算分析。

近20年来，国际上路面检测与评价技术的发展十分迅速，总体趋势是：由人工检测向自动化检测技术发展，由破损类检测向无破损检测技术发展，由一般技术向高新技术发展。

弯沉是反映路面结构性能的重要指标，因此，路面弯沉检测技术的研究开发一直在国际上得到广泛重视。传统的贝克曼梁已逐步被自动弯沉仪、振动式弯沉仪和落锤式弯沉仪(Falling Weight Deflectometer，简称FWD)所取代。特别是测速快、精度高、操作方便的FWD测试***，已经在世界上60多个国家得到广泛应用。FWD与实用化的路面结构反分析软件相结合，使路面弯沉检测与承载力评价的科学化水平提高到一个新的阶段。

随着路面检测与评价技术的不断发展，国际上对路面跟踪检测与长期使用性能研究日益重视，并以此作为改善路面设计的主要途径。比如，原西德建立了170个长期观测路段，进行了18年的跟踪观测，对半刚性路面结构有了深入而***的认识。英国建立了400个长期观测路段，根据跟踪观测和分析研究结果，于1986年修订了路面设计方法。美国1988年开始实施的战略性公路研究计划(SHRP)，主要研究内容之一是路面跟踪检测与长期使用性能研究(LTPP)。

继FWD之后，新一代弯沉仪RWD(Rolling Wheel Deflectometer，滚轮式弯沉仪)正处于研究阶段。它是采用高频激光扫描，连续地记录行驶中的测试车在路表产生的弯沉，测试速度约88.5km/h。目前主要有Dynatest(丹麦)与Quest Integrated(美国)合作、美国密西西比州的ARA(Applied Research Associates)公司和瑞典的RDT等机构从事RWD的研制工作，第一代产品已经问世，精度适合于路网普查。丹麦的GreenWood公司也开发了基于激光多普勒测量原理高速激光自动弯沉仪(Traffic Speed Deflectometer，TSD)。

至今，国内路面检测仍主要依赖20世纪60年代引进的贝克曼梁，其测速慢、精度低、可靠性差，并且只适用于柔性路面。我国现有沥青路面总里程超过30万km，如以地市公路局(处、总段)为基本养护单位，则每个单位平均养护里程约900km，用贝克曼梁测完全程需3～4个月。显然，这种检测手段不适应现代路面管理的实际需要。贝克曼梁检测方法直接制约着路面承载能力评价和补强设计水平的提高。由于路面结构是一多层体系，仅根据贝克曼梁检测的单点(最大)弯沉来评价路面结构承载能力是不充分的。理论分析和工程实践均表明，路面最大弯沉与承载能力并不存在简单的关系。

路面结构的承载能力主要取决于其应力应变状态，以贝克曼梁观测到的弯沉来评价路面承载能力存在明显的不合理性。20世纪80年代以来，随着落锤式弯沉仪逐步得到广泛应用，根据弯沉盆信息反算路面结构层模量、进而评价路面承载能力在国际上受到普遍重视，并显示出高新技术带来的巨大经济社会效益。然而据了解，我国绝大部分FWD用户单位没有配套的分析软件，FWD也仅作为一种高精度的弯沉测量仪器在使用，没有发挥出其应有的作用。

交通部公路研究所研制的JG-2005型激光自动弯沉仪，用于进行路面强度指标检测。JG-2005型激光自动弯沉仪由设备装载车、测量机构、数据采集***三部分共同组成。装载车采用红岩斯太尔王6米长轴距专用底盘。测量机构由双侧测试机构、导向机构、移步卷扬机构、提升机构组成。数据采集***有数据采集计算机、下位机、激光测距传感器、无线数据传输***组成。

JG-2005型激光自动弯沉仪就是贝克曼梁的自动化形式，测量架安装在地扯底盘下方，配合导向机构、弯道测量同步控制***、测量机构移步***、数据采集***共同构成激光自动弯沉仪。

JG-2005型激光自动弯沉仪的工作原理与贝克曼梁的工作原理是相同的，都是利用杠杆原理，通过杠杆的位移来测量路面的变形。

在实际测试过程中，测试架放置在路面上，测试架前三点构成一个基准面，测量臂杠杆的指点在这个基准面上，激光传感器也安装在这个基准面上。当检测车后轮向前行驶，测试车后轮逐渐接近测试点时，测试点所在的路面承受的垂直载荷逐渐增大，地面下沉。同时放置在测试点上的测量臂后端也随着路面的下沉向下移动，同时带动激光反射面向下移动，激光测距传感器就可以测出测点处相应的位移量，也就是路面的弯沉值。

激光自动弯沉仪在进行路面弯沉检测时.测量架放置于路面上.汽车以一个恒定的速度前进，由于导向机构的作用，测量臂的测头刚好对准测试车左、右后轮的轮隙。随着汽车向前行驶.测头所在位置荷载逐渐增大.弯沉值逐渐变大，测头也随着弯沉值的变大向下移动.数据采集***记录这一个变化的过程，直到测头越过后轴中心线15cm，停止数据采集，同时计算这一过程弯沉曲线以及弯沉盆峰值。当完成这一检测周期后，移步卷扬机以2倍车速的速度将测量机构向前拖动，直到导向柱超过前光电对管，停止拉梁，进行下一步测量。至此，完成了一个完整的测量步骤。

发明内容

首先，目前主流弯沉测试手段在速度方面都小于5公里/小时，测试过程中存在安全隐患、影响正常交通等缺点；本发明主要解决正常交通速度条件下，即15-80km/h条件下的连续弯沉测试；

其次，传统的弯沉测试采用高精度的激光测距传感器直接测量路面的弯沉变形量，由于道路表面纹理的复杂，此方法只能静态条件，不适合动态条件下测量；本发明采用多台共梁激光多普勒测速传感器测量路面多点处的路面弯沉变形速度，再根据路面的弹性变形理论与模型反演计算路面的动态弯沉值，可以适用于动态条件下测量；

再次，由于载车在行驶过程中，由于道路的不平及车辆自身的原因，将产生颠簸振动，传统的方法采用加速度计来补偿，由于加速度计需要对时间的二次积分得到位移量，补偿结果随时间的漂移难以控制，从而不能可靠在车辆动态行驶过程中补偿激光位移传感器的测量值；本发明采用光纤陀螺测量车辆在行驶过程中产生的俯仰和横滚等姿态变化，得到车体的俯仰和横滚角速度，以补偿车辆运动与地面之间产生的速度变化。

最后，传统的方法无法测量路面的真实动态弯沉，因为路面在运动的车辆车轮碾压瞬间，没有很好的手段测量其瞬间变形量；本发明根据加速度计惯性测量原理，在实际的路面上预埋加速度计，通过采集车轮经过该加速度计所在的路面点瞬间的加速度计值，经过一次时间积分获得瞬间的变形速度，二次积分获得变形量(即瞬态弯沉值)。

下表是本发明所述的激光动态弯沉测量车与传统弯沉测量设备之间的比较表格：

传统的弯沉测量设备主要是贝克曼梁、激光自动弯沉车、以及落锤式弯沉仪等，测试精度低、速度慢、可重复性差，一般测量速度小于5公里，费时费力，使用危险性大，特别是在运用中的高速公路，基本无法使用。本发明的目的是实现快速、高精度、高可靠性的弯沉测量。

为了达到上述目的，本发明提供了一种激光动态弯沉测量车，其包括移动测量平台、测量横梁、工作轮、测速轮、加速度计和数据采集与处理装置；其中，

所述移动测量平台，包括牵引车和挂车，为所述测量横梁、所述同步与信号处理装置和所述数据采集与处理装置提供搭载平台；所述牵引车牵引所述挂车行进，所述挂车的后轮为工作轮；

所述测量横梁，位于所述挂车上，安装在所述工作轮的轮隙上方，主要由横梁骨架、激光多普勒测振仪和光纤陀螺仪构成，所述激光多普勒测振仪的激光束射向路面；

所述激光多普勒测振仪，其个数为4-7个，设置于所述横梁骨架上；其中一个所述激光多普勒测振仪为参考激光多普勒测振仪，与所述工作轮中心之间的距离大于弯沉盆的半径；另外的3-6个所述激光多普勒测振仪为测量激光多普勒测振仪，与所述工作轮中心之间的距离小于弯沉盆的半径；

所述激光多普勒测振仪发出的激光中心线与垂直方向之间的角度θ为1.5度至2.5度；

所述光纤陀螺仪的个数为3个，3个光纤陀螺仪成空间正交布置，所述光纤陀螺仪设置于所述横梁骨架上，光纤陀螺仪测量所述横梁骨架在惯性空间中的三轴角速度，用于补偿横梁骨架由于角运动导致激光多普勒测振仪的测速误差；

所述参考激光多普勒测振仪、所述测量激光多普勒测振仪和所述光纤陀螺仪的测量结果被传送至所述数据采集与处理装置中；

所述工作轮，能够保证在运转的过程中，不遮挡或干涉激光；

所述测速轮主要由车轮、车轮固定架及光电旋转编码器组成，该车轮由该车轮固定架固定于所述横梁骨架上；该光电旋转编码器安装于该车轮上，用于测量该车轮的瞬时运行速度，并将该瞬时运行速度传送至所述数据采集与处理装置中；

所述加速度计，埋设于路面，用于测量所述移动测量平台通过路面时加速度值，并将该加速度值传送至所述数据采集与处理装置中；

所述数据采集与处理装置，用于根据接收到的数据计算路面的瞬时弯沉值。

与现有技术相比，本发明所述的路面动态弯沉测量车，可以在15-80公里/小时的速度范围内连续测量路面的弯沉值，测量速度快，测量速度变化范围宽，

附图说明

图1是本发明所述的激光动态弯沉测量车的结构图；

图2是本发明所述的激光动态弯沉测量车的测量横梁的结构图；

图3A是载荷作用下的路面变形示意图；

图3B是载荷作用区域附近的路面变形速度分布示意图；

图3C是载荷作用区域附近的路面变形量分布示意图；

图4是变形斜率S定义示意图；

图5是路面变形速度的补偿示意图；

图6是本发明的光纤陀螺仪的补偿示意图；

图7是路面弯沉变形模拟图；

图8A是本发明的加速度计安装示意图(俯视图)；

图8B是本发明的加速度计安装示意图(剖视图)；。

图9为单光束测速光路结构图。

具体实施方式

本发明所述的激光动态弯沉测量车利用激光多普勒测速原理和惯性测量原理，在车辆以正常交通速度(15～80km/h)行驶过程中，由安装在车辆载荷轮前的多个激光多普勒测振仪同步测量各测点的路面相对运动速度，经过惯性补偿计算后，获得路面的瞬时弯沉变形速度，再通过道路层状弹性力学模型，反演得到路面动态弯沉值，用于普查与评估道路网的承载能力。

如图1所示，本发明所述的激光动态弯沉测量车包括移动测量平台、测量横梁11、工作轮12、方舱13、环境维持装置(图中未示)、测速轮、配重块14、加速度计(图1中未示)、同步与信号处理装置(图1中未示)、数据采集与处理装置(图1中未示)和电源装置；

其中，所述移动测量平台包括重型牵引车101和所述挂车102，为路面弯沉测量的各设备提供搭载平台。所述重型牵引车101具备强劲的牵引力和良好的操控性；所述挂车102具备良好的刚性及平稳性，所述工作轮12为所述挂车102的后轮，其悬挂采用空气弹簧减震***。

所述方舱13和所述环境维持装置为测量横梁11、同步与信号处理装置和数据采集与处理装置提供密封和温度适宜的工作环境。

所述方舱13主要由钢骨架、铝型材盖板及保温防火发泡材料构成，具备良好的隔热、隔音及密封性能，设置于所述挂车102上并罩设于所述测量横梁11上方；

所述环境维持装置主要由车载空调、暖风机和压气机构成，设置于所述方舱13内部，为所述方舱13内部维持25℃±2℃的工作环境，以及维持所述方舱14内的气压为舱外的1.1-1.2倍。

如图2所示，所述测量横梁11，位于所述挂车102上，安装在所述工作轮12的轮隙上方，主要由横梁骨架111、激光多普勒测振仪112和光纤陀螺仪113构成，所述激光多普勒测振仪112的激光束射向路面；

所述激光多普勒测振仪112，其个数为4-7个，设置于所述横梁骨架121上；其中一个所述激光多普勒测振仪112为参考激光多普勒测振仪，与所述工作轮中心之间的距离大于弯沉盆的半径；另外的3-6个所述激光多普勒测振仪112为测量激光多普勒测振仪，与所述工作轮12中心之间的距离小于弯沉盆的半径；

所述激光多普勒测振仪112发出的激光中心线与垂直方向之间的角度θ为1.5°至2.5°；

所述光纤陀螺仪113的个数为1-3个，所述光纤陀螺仪113设置于所述横梁骨架上，该光纤陀螺仪测量横梁骨架的运动瞬时角速度，以补偿测量横梁在运动过程中产生的颠簸导致的额外产生的速度；

优选的，所述光纤陀螺仪113的个数为3个，3个光纤陀螺仪113成空间正交布置，所述光纤陀螺仪113设置于所述横梁骨架111上，光纤陀螺仪113测量所述横梁骨架111在惯性空间中的三轴角速度，用于补偿横梁骨架111由于角运动导致激光多普勒测振仪的测速误差；

所述参考激光多普勒测振仪、所述测量激光多普勒测振仪和所述光纤陀螺仪113的测量结果被传送至所述数据采集与处理装置中；

所述加速度计，埋设于路面，用于测量所述移动测量平台通过路面时所产生的加速度值，并将该加速度值a传送至所述数据采集与处理装置中。

所述对该加速度值a数据采集与处理装置进行处理，根据以下公式以得到路面的瞬时速度v_t和变形值d_t。

v_t＝at

其中，t为时间

如图2所示，根据一种具体的实施方式，所述测量横梁11由钢制的横梁骨架111、4台激光多普勒测振仪112、3台光纤陀螺仪113构成。所述测量横梁111安置在所述工作轮12的轮隙上方，所述光多普勒测振仪112的激光束垂直射向路面；

其中三个激光多普勒测振仪112为测量激光多普勒测振仪，一个激光多普勒测振仪112为参考激光多普勒测振仪；

第一个测量激光多普勒测振仪距离所述工作轮12中心的前方100毫米，第二个测量激光多普勒测振仪距离所述工作轮12中心的前方300毫米，第三个测量激光多普勒测振仪距离所述工作轮12中心的前方750毫米，第四个参考激光多普勒测振仪距离所述工作轮12的前方3600毫米；3台光纤陀螺仪113成正交方式固定在所述测量骨架111的中部。

优选的，所述测量激光多普勒测振仪为三个，一所述测量激光多普勒测振仪距离所述工作轮中心的前方100±10毫米，另一所述测量激光多普勒测振仪距离所述工作轮中心的前方300±10毫米，又一所述测量激光多普勒测振仪距离所述工作轮中心的前方750±10毫米；所述参考激光多普勒测振仪距离所述工作轮中心的前方3600±100毫米；

所述测速轮主要由车轮151、车轮固定架152及光电旋转编码器组成，用于测量弯沉测量车的运行速度和距离。该车轮151由该车轮固定架152固定于所述横梁骨架111上；该光电旋转编码器安装于该车轮151上，用于测量该车轮151的瞬时运行速度，并将该瞬时运行速度传送至所述数据采集与处理装置中。

所述工作轮12由两只经过改造了轮毂的标准轮胎及连接件组成，其特别之处是能够保证在运转的过程中不遮挡或干涉邻近的激光多普勒测振仪的激光。

所述配重块14由一定重量的铅块及固定箱组成，可拆卸地安装于所述工作轮上；所述配重块14的重量大小能够保证所述工作轮12对地压力为100千牛，同时可以方便地从所述工作轮12底盘上安装与拆卸。

所述同步与信号处理装置由车辆定位与同步控制电路，以及传感器信号处理电路组成。该车辆定位与同步控制电路接收GPS和所述光电旋转编码器发出的信号，经过处理后，建立时间和线性空间基准，并生成传感器同步控制信号；该传感器信号处理电路主要用于各个传感器的输出不同类别的信号转化成标准的电压信号，以便数据采集计算机的采集与处理。

所述数据采集与处理装置由多通道数据采集卡、数据采集计算机、数据处理计算机及网络交换机组成。该数据采集与处理装置通过安装在数据采集计算机内部的多通道数据采集卡采集各个传感器输出的电压信号，经网络交换机传输到数据处理计算机后处理得到路面的瞬时弯沉值。

所述电源装置主要由液压发电机161、UPS(图1中未示)和配电盘(图1中未示)组成，为弯沉测量车的各用电装置提供稳定的电源和相应的控制方式。

本发明所述的激光动态弯沉车采用多个激光多普勒测振仪测量路面变形速度。该传感器通过测量反射的激光频移测量路面的变形速度。多普勒测振仪安装在刚性横梁上，使得多个激光多普勒测振仪同步运动。激光动态弯沉车将三个激光多普勒测振仪安装在弯沉盆内部，一个激光多普勒测振仪安置在弯沉盆外部，作为参考值。三个安装在弯沉盆内部的激光多普勒测振仪放在工作轮中心前面的100、300和750毫米处。光纤陀螺仪安装在横梁上以监测横梁的运动状态。

图3A显示所述工作轮12在轴载荷100KN下的路面变形速度矢量；

图3B、图3C分别是载荷中心区域变形速度分布示意图与相应的弯沉盆(右)在变形斜率所示的结果。

变形斜率S定义为路面变形速度与行驶速度的比值，如图4所示。变形斜率S是变形位移导数，因而可以用于计算位移。这意味着，它可以得到道路的承载能力参数，如结构弯曲指数SCI300，(SCI300＝D0-D300的)和中心弯沉值(D0)是基于测量变形斜率值。

在理想的工作状态下，激光多普勒测振仪需要连续的速度输入。这不能通过将激光传感器安装成完全垂直状态，使它们能够测量车辆高度可变的车轮悬挂运动来实现。这个问题通过以激光中心线大约与垂直方向约2°的夹角方式安装激光多普勒测振仪来解决。这样提供了一个近似恒定的速度输入，作为车辆的速度分量的水平分量，而却对垂直速度的测量影响不大。激光的安装与垂直方向有约2°的夹角，使得测量的速度值包括：

-测量车的水平运动速度；

-车辆悬挂的垂直和水平运动速度；

-路面的垂直弯沉速度。

如图5所示，设测量横梁的水平运动速度为v_v，激光多普勒测振仪的中心线与垂直方向的夹角为θ，测量激光多普勒测振仪的输出为v_i，参考激光多普勒测振仪的输出为v_ver，则有下式：

v_di＝v_i-v_v×cosθ

v_dver＝v_ver-v_v×cosθ

由于在测量车在运行过程中，由于路面的不平以及悬挂的作用，检测横梁将产生俯仰运动，设该运动的角速度为ω，如图6所示，则有下式：

v_di＝v_def+v_ver+d×ω

这里v_def为路面在载荷作用下的弯沉变形速度，即：

v_def＝v_di-v_ver-d×ω

路面的变形模型采用了基于这样的假设：路面结构像一个安置在弹簧的基础上的弹性横梁，如图7所示。这可以由欧拉-伯努利方程表示出来，其中F是该点的正压力，E是刚性，I是当前的转动惯量，h是路面的厚度，k是弹性系数。

相应的微分方程如下式，w(x)为沿横梁方向(x方向)的弯沉变形函数、δ(x)为受力作用点的冲击响应函数，即；

$\mathrm{EI}\frac{d^4}{{\mathrm{dx}}^4}w\left(x\right)+\mathrm{kw}\left(x\right)=-\mathrm{F\δ}\left(x\right);$

该微分方程的解是一个关于A和B的参数模型，其中X≥0，A＞0，B＞0。它们的解和道路指数见下表。

表：两参数欧拉-伯努利方程的解

本发明所述的动态弯沉测量车采用加速度计来测量本发明所述的激光动态弯沉测量车通过路面时所产生的动态弯沉，以标定本***的参数。该方案采用一台加速度计来测量路面的动态弯沉量。根据一种具体实施方式，加速度计选择Silicon Design公司的2220-05型加速度计，该加速度计的量程为±5g。

如图8A所示，加速度计83固定在一个钢制安装座82上，该钢制安装座82为钢制的圆盘的底面，并在路面81上挖一个圆形洞，将钢制安装座82嵌入在该洞内，其电源线通过一个切槽引到路边的固定接线盒内。

该加速度计83通过两个M3的螺钉固定在一个钢制安装座82上，并使用702胶水粘牢固。路面上挖的孔洞要有一个台阶，台阶上用于固定钢制安装座82，钢制安装座82上面低于路面2-5mm。中心挖的更深的洞用于给加速度计83腾出空间，防止加速度计83被破坏。钢制安装座82用黑色的环氧树脂胶粘接在路面圆孔内，并用该胶将该圆孔填平至路面81相同的高度。

加速度计83的信号线通过一个25mm深、5mm宽的切槽引至路边的接线盒内，当将信号线埋入该槽后，也用黑色的环氧树脂胶将该槽填平。加速度计83的信号线终端放入一个埋入路边的接线盒内，并做好与数据采集卡的接线插头。

加速度计83的输出信号经过A/D转换卡后，输入到便携式计算机，便携计算机记录路面的瞬态加速度值a，并对该加速度值进行如下处理，以得到路面的瞬时速度v_t和变形值d_t。

v_t＝at

$d_t=\frac{1}{2}{\mathrm{at}}^2$

本发明所述激光动态弯沉测量车的一种具体实施方式根据路面在标准重量的车轮的滚动压力下，车轮中心前100毫米、300毫米及750毫米处的变形速度，根据弹性力学的欧拉-伯努利方程反演计算路面的动态弯沉值；

激光动态弯沉测量车采用多个激光多普勒测振仪测量路面的变形速度，其中在弯沉盆内设置了3-6个激光多普勒测振仪，另外一个激光多普勒测振仪安装在弯沉盆外，用于作为速度测量的参考值；

激光动态弯沉测量车采用了1-3个光纤陀螺仪，用于监测测量横梁的运动状态，以补偿测量横梁在运动过程中产生的角运动；

激光动态弯沉测量车采用了一个专门设计的测距轮，安装了一个光电旋转编码器，用于测量车辆的瞬时运行速度；光电旋转编码器的输出信号经过分频处理后，得到占空比为1∶1的方波脉冲，直接输入到A/D采集卡经过高频采样后，得到检测车的瞬时速度；

激光动态弯沉测量车采用了多通道同步数据采集卡，将激光多普勒测振仪的测速信号、陀螺仪信号、路面温度信号、车轮编码器信号实现同步采集；

激光动态弯沉测量车采用了在测试路面上预埋加速度计来完成***的动态标定。

本发明的路面动态弯沉测量车，可以在15-80公里/小时的速度范围内连续测量路面的弯沉值，测量速度快，测量速度变化范围宽；(传统的方法速度太慢，一般小于5公里/小时，基本属于静态测量)

本发明的路面动态弯沉测量车，采样频率高，一般0.1m一个输出值；(传统的方法采样频率低，一般是20m一个测点或者50m一个测点)

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种激光动态弯沉测量车，其特征在于，其包括移动测量平台、测量横梁、工作轮、测速轮、加速度计和数据采集与处理装置；其中，

所述移动测量平台，包括牵引车和挂车，为所述测量横梁、所述同步与信号处理装置和所述数据采集与处理装置提供搭载平台；所述牵引车牵引所述挂车行进，所述挂车的后轮为工作轮；

所述测量横梁，位于所述挂车上，安装在所述工作轮的轮隙上方，主要由横梁骨架、激光多普勒测振仪和光纤陀螺仪构成，所述激光多普勒测振仪的激光束射向路面；

所述激光多普勒测振仪，其个数为4-7个，设置于所述横梁骨架上；其中一个所述激光多普勒测振仪为参考激光多普勒测振仪，与所述工作轮中心之间的距离大于弯沉盆的半径；另外的3-6个所述激光多普勒测振仪为测量激光多普勒测振仪，与所述工作轮中心之间的距离小于弯沉盆的半径；

所述激光多普勒测振仪发出的激光中心线与垂直方向之间的角度θ为1.5度至2.5度；

所述光纤陀螺仪的个数为3个，3个光纤陀螺仪成空间正交布置，所述光纤陀螺仪设置于所述横梁骨架上，光纤陀螺仪测量所述横梁骨架在惯性空间中的三轴角速度，用于补偿横梁骨架由于角运动导致激光多普勒测振仪的测速误差；

所述参考激光多普勒测振仪、所述测量激光多普勒测振仪和所述光纤陀螺仪的测量结果被传送至所述数据采集与处理装置中；

所述工作轮，能够保证在运转的过程中，不遮挡或干涉激光；

所述测速轮主要由车轮、车轮固定架及光电旋转编码器组成，该车轮由该车轮固定架固定于所述横梁骨架上；该光电旋转编码器安装于该车轮上，用于测量该车轮的瞬时运行速度，并将该瞬时运行速度传送至所述数据采集与处理装置中；

所述加速度计，埋设于路面，用于测量所述移动测量平台通过路面时加速度值，并将该加速度值传送至所述数据采集与处理装置中；

所述数据采集与处理装置，用于根据接收到的数据计算路面的瞬时弯沉值。

2.根据权利要求1所述的激光动态弯沉测量车，其特征在于，所述测量激光多普勒测振仪为三个，所述光纤陀螺仪为三个；

一所述测量激光多普勒测振仪距离所述工作轮中心的前方100±10毫米；

另一所述测量激光多普勒测振仪距离所述工作轮中心的前方300±10毫米；

又一所述测量激光多普勒测振仪距离所述工作轮中心的前方750±10毫米；

所述参考激光多普勒测振仪距离所述工作轮中心的前方3600±100毫米；

所述三台光纤陀螺仪，成正交方式固定在所述横梁骨架的中部。

3.根据权利要求1或2所述的激光动态弯沉测量车，其特征在于，其还包括同步与信号处理装置，所述同步与信号处理装置包括车辆定位与同步控制电路和传感器信号处理电路；

所述车辆定位与同步控制电路接收GPS信号和所述光电旋转编码器发送的信号，经过处理后，建立时间和线性空间基准，并生成传感器同步控制信号；

所述传感器信号处理电路，用于将所述激光多普勒测振仪、所述光纤陀螺仪、所述光电旋转编码器和所述加速度计输出的信号转化成标准的电压信号，并将该电压信号传送至所述数据采集与处理装置中。

4.根据权利要求3所述的激光动态弯沉测量车，其特征在于，其还包括方舱和环境维持装置，其中，

所述方舱，包括钢骨架、铝型材盖板及保温防火发泡材料，设置于所述挂车上并罩设于所述测量横梁上方；

所述环境维持装置，设置于所述方舱内部，包括车载空调、暖风机和压气机构成，为所述方舱内部维持25±2℃的工作环境，以及维持所述方舱内的气压为舱外的1.1-1.2倍。

5.根据权利要求4所述的激光动态弯沉测量车，其特征在于，其还包括配重块，所述配重块的重量大小能够保证所述工作轮对地压力为100KN，所述配重块可拆卸地安装于所述工作轮上。

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