拱壩位移激光自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)方案

拱壩位移激光自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)1拱壩位移激光自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)概述該系統(tǒng)利用的是半導(dǎo)體激光器和位敏傳感器技術(shù)。這兩項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于位移監(jiān)測是由從1996年開始研究的。我公司已經(jīng)在東北的云峰大壩壩面建成了一條折線分段型激光三維位移自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，它具有如下特點(diǎn)：通過測量相鄰兩點(diǎn)間的相對位移來解算各點(diǎn)的絕對位移，比較圓滿地解決了曲線型壩位移自動(dòng)監(jiān)測問題；布置十分靈活，可以任意改變方向、斷開或錯(cuò)開，所以非常適用于拱壩、折線型壩、邊坡、圍巖、坡度變化的基礎(chǔ)廊道等不通視的部位以及現(xiàn)場需要轉(zhuǎn)彎、斷開或錯(cuò)開的部位的位移監(jiān)測；只需一個(gè)工作基點(diǎn)，故用在通視的部位，造價(jià)也不高；系統(tǒng)全密封、無任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)，可保證長期穩(wěn)定可靠；不抽真空，測量時(shí)間短（一次測量只需2-3分鐘），可真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，箱體及管道的尺寸小（管道直徑小于10厘米，箱體寬度約26厘米），占用空間少，易于布置；原理、結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理和施工等方面都十分簡單；可實(shí)現(xiàn)一維、二維或三維位移監(jiān)測，性能價(jià)格比很高；全天候測量，也不受泄洪和震動(dòng)的影響；軟硬件功能齊全；系統(tǒng)造價(jià)低。3原理簡介本方法的原理實(shí)際上就是大地測量中的邊角導(dǎo)線的原理。只要測出每條邊的長度和相鄰兩個(gè)邊的水平夾角，邊角導(dǎo)線法就可以計(jì)算出各點(diǎn)的兩維水平位移。3.1邊長測量點(diǎn)與點(diǎn)之間均有一根薄壁銦剛管，一端固定，另一端自由。自由端安置一個(gè)一維位敏傳感器PSD,測點(diǎn)上安置一個(gè)激光發(fā)光二極管LED，LED在一維PSD上形成光斑即可得到兩點(diǎn)間邊長的變化。邊長的變化與起始邊長相加即為測量時(shí)的邊長。3.2。夾角和垂直方向位移從起始點(diǎn)（要求該點(diǎn)的轉(zhuǎn)角為零）發(fā)射一束激光，在測點(diǎn)1上面向光束安置一個(gè)兩維位敏傳感器PSD，在該P(yáng)SD前有一塊分光鏡，激光束的一半光強(qiáng)透過分光鏡在PSD上形成光斑,PSD給出光斑的位置變化即為該測點(diǎn)的位移，另一半光束被分光鏡反射回起始點(diǎn)的PSD，通過兩個(gè)PSD的測量數(shù)據(jù)就可以計(jì)算出測點(diǎn)1的夾角變化；在測點(diǎn)再向下一個(gè)測點(diǎn)發(fā)射激光，同理可得下一個(gè)測點(diǎn)的夾角變化，以此類推,可得出所有測點(diǎn)的夾角變化。也就是說，最后一個(gè)測點(diǎn)之前的所有點(diǎn)上均設(shè)置一支激光器和兩支兩維位敏傳感器PSD，通過每條邊兩端的PSD測量數(shù)據(jù)計(jì)算出每個(gè)測點(diǎn)的相對轉(zhuǎn)角、絕對轉(zhuǎn)角和夾角，之后用邊角導(dǎo)線的評差計(jì)算方法就可以計(jì)算出各點(diǎn)的兩維水平位移。如果整個(gè)系統(tǒng)的長度不超過300米，另一端無已知點(diǎn)閉合亦可滿足精度要求。由于垂直于激光束的PSD是兩維的，所以在測量水平面內(nèi)夾角的同時(shí)，垂直于水流方向的立面內(nèi)的轉(zhuǎn)角也得到了。那么，通過每條邊兩端的PSD測量數(shù)據(jù)即可計(jì)算出每個(gè)測點(diǎn)的相對垂直位移，累加即可得到各點(diǎn)的絕對垂直位移，而無需用導(dǎo)線法計(jì)算垂直位移。通過以上的闡述可以看出，本方法與激光準(zhǔn)直法是截然不同的；另外，本方法不僅可以測量三維向位移，還可以測量兩個(gè)方向的傾斜。激光器為半導(dǎo)體激光器，價(jià)格低，壽命長，性能穩(wěn)定；位敏傳感器由硅品體制成，精度高，不易損壞。4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，每個(gè)觀測墩上安置一個(gè)儀器箱，相鄰測墩之間布置有鋼管，其兩端為波紋管。鋼管上采取了一些措施來減少折光差，并可走電纜。整個(gè)系統(tǒng)是嚴(yán)格密封的?？紤]了半導(dǎo)體激光器的溫漂以及半導(dǎo)體激光器和其他部件的歸心。箱底板四周設(shè)有應(yīng)力槽，以減少安裝應(yīng)力的影響，箱體、激光器和PSD的基座需進(jìn)行時(shí)效處理，以減小加工應(yīng)力的影響?？紤]了防雷和震動(dòng)的影響。激光器和儀器箱兩側(cè)的保護(hù)鋼管的方向根據(jù)現(xiàn)場測點(diǎn)走向確定。圖1測點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡圖（立面）圖2測點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡圖（平面）①半導(dǎo)體激光器②兩維PSD③一維PSD④發(fā)光二極管⑤銦鋼管固定⑥電路板⑦銦鋼管支承結(jié)構(gòu) ⑧溫度傳感器5精度估算5.1水平位移X和垂直位移Z精度估算。5.1.1PSD測量精度的影響：假如只有一個(gè)基點(diǎn)，25個(gè)測點(diǎn)，最弱點(diǎn)（末端）的觀測值為：%=g1+g2+…+gn其中g(shù)i為各點(diǎn)PSD讀數(shù)，誤差為m=0.02毫米。根據(jù)誤差傳播定律得出最弱點(diǎn)觀測值的中誤差平方為：M2=m12+m22+...+m2=nXm2M="~flXmn=EX0.02=5X0.02=0.10（毫米）5.1.2大氣折光影響：折光差最大的點(diǎn)也是末端，其值為：M=1/8X（0.95）XdT/dxXE12X10-6其中dT/dx為溫度梯度，由于采用了降低溫度梯度措施，估計(jì)溫度梯度值為0.1°C/m。l為各測點(diǎn)之間的長度，取20米。所以得出：M=0.95/8X0.5X25X202X10-6折二0.60(毫米)那么，最弱點(diǎn)觀測值的精度為：口=VM2+M2=V0.I2+0.62=0.61mm位移為觀測值與基準(zhǔn)值之差，所以位移的綜合精度為：M=V如=0.86mm該精度滿足規(guī)范規(guī)定的1毫米的要求。5.2側(cè)向位移Y精度估算：最弱點(diǎn)的側(cè)向觀測值公式為：6=f+f+...+f-aXlX(△T+AT+...AT)n 12 n 1 2 n其中fx為一維PSD讀數(shù)。a為銦鋼管膨脹系數(shù)10-7。l為各測點(diǎn)之間的距離，取20米。AT〔為各測點(diǎn)的溫度變化。所以，觀測值中誤差為：M2=m2+m2+.+M2+a2XI2X(m2+m2+...+M2)其中mi為bsD讀數(shù)精度0.02毫米。mTi為溫度測量精度，取1C。則：”口2=nXm2+na212m：p=V25X(m2+a212m2)=0.12毫米T所以位移的綜合精度為：M=V2p=0.15mm該精度滿足規(guī)范規(guī)定的1毫米的要求。以上的精度估算是粗略的，沒有考慮轉(zhuǎn)角測量的誤差。比較準(zhǔn)確的精度計(jì)算應(yīng)該用邊角導(dǎo)線的精度計(jì)算方法。

6.概算單個(gè)測點(diǎn)單元設(shè)備及材料明細(xì)表序號名稱單位數(shù)量單價(jià)（元）金額（元）一測控部分1測控板塊15000.005,000.002溫度傳感器支1400.00400.003一維PSD塊1500.00500.004二維PSD塊22000.002,000.005電源電纜米205.00100.006信號電纜米2010.00200.007電源個(gè)1300.00300.008測控軟件套11000.001,000.00小計(jì)9,500.00二光學(xué)系統(tǒng)1激光器支13500.003,500.002分光鏡套11500.001,500.003發(fā)光二極管支1100.00100.00小計(jì)5,100.00三機(jī)械系統(tǒng)1銦鋼管米20200.004,000.002測點(diǎn)箱個(gè)130