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1、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
2、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。图1有线测量示意图图2应变测量示意
3、图新桥梁竣工验收、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
4、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。图3 DSPS-2000振动测量示意图虽然 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
5、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，在不进行交通管制图4 DSPS-2000应变测量示意图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、
6、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 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
7、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。2 TDR 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
8、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。图5 TDR无线遥测系统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。图6下位机构成“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
9、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。“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、数据传图7控制部分构成示意图输等指令。“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
10、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
11、 TDR 系统构成特点，其成本比实时遥图8 TDR测量系统上位机 图9 TDR测量系统下位机测系统低得多。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。3 TDR 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（032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
12、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;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： 0.150kHz记录容量： 0.532 兆数据采集精度： 12位和 16位振动测量动态范围：O.OOOlg5000g （根据需要定量程） 振动测量频率范围：0.1Hz20kHz （根据需要定截止频率）； 应变测量量程：100陆50000憾（根据需要分档） 应变测量频率范围：DC20kHz
13、（根据需要定截止频率） 应变测量自动平衡范围：100憾50000陆（等同于测量量程） 应变测量应变计；单臂120Q或350Q，半桥或全桥501000Q 无线数传工作频段300500MHz，需要时可编设工作频点 数传速率 9.6K bps 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 DC 510V工作温度-30-+80 C或 0-+60 C 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
14、传输等。4 TDR 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。G Q Q 昴 Q Q 。 (9)(公共点图 10 朝阳门桥北侧测点布置图（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 6.25 Hz ，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。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
15、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，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。
