拱壩位移激光自動監(jiān)測系統(tǒng)方案

拱壩位移激光自動監(jiān)測系統(tǒng)1拱壩位移激光自動監(jiān)測系統(tǒng)概述該系統(tǒng)利用的是半導體激光器和位敏傳感器技術。這兩項技術應用于位移監(jiān)測是由從1996年開始研究的。我公司已經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監(jiān)測系統(tǒng)，它具有如下特點：通過測量相鄰兩點間的相對位移來解算各點的絕對位移，比較圓滿地解決了曲線型壩位移自動監(jiān)測問題；布置十分靈活，可以任意改變方向、斷開或錯開，所以非常適用于拱壩、折線型壩、邊坡、圍巖、坡度變化的基礎廊道等不通視的部位以及現(xiàn)場需要轉彎、斷開或錯開的部位的位移監(jiān)測；只需一個工作基點，故用在通視的部位，造價也不高；系統(tǒng)全密封、無任何機械運動，可保證長期穩(wěn)定可靠；不抽真空，測量時間短（一次測量只需2-3分鐘），可真正實現(xiàn)遠程監(jiān)控；系統(tǒng)結構緊湊，箱體及管道的尺寸?。ü艿乐睆叫∮?0厘米，箱體寬度約26厘米），占用空間少，易于布置；原理、結構、數(shù)據(jù)處理和施工等方面都十分簡單；可實現(xiàn)一維、二維或三維位移監(jiān)測，性能價格比很高；全天候測量，也不受泄洪和震動的影響；軟硬件功能齊全；系統(tǒng)造價低。3原理簡介本方法的原理實際上就是大地測量中的邊角導線的原理。只要測出每條邊的長度和相鄰兩個邊的水平夾角，邊角導線法就可以計算出各點的兩維水平位移。3.1邊長測量點與點之間均有一根薄壁銦剛管，一端固定，另一端自由。自由端安置一個一維位敏傳感器PSD,測點上安置一個激光發(fā)光二極管LED，LED在一維PSD上形成光斑即可得到兩點間邊長的變化。邊長的變化與起始邊長相加即為測量時的邊長。3.2。夾角和垂直方向位移從起始點（要求該點的轉角為零）發(fā)射一束激光，在測點1上面向光束安置一個兩維位敏傳感器PSD，在該PSD前有一塊分光鏡，激光束的一半光強透過分光鏡在PSD上形成光斑,PSD給出光斑的位置變化即為該測點的位移，另一半光束被分光鏡反射回起始點的PSD，通過兩個PSD的測量數(shù)據(jù)就可以計算出測點1的夾角變化；在測點再向下一個測點發(fā)射激光，同理可得下一個測點的夾角變化，以此類推,可得出所有測點的夾角變化。也就是說，最后一個測點之前的所有點上均設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)計算出每個測點的相對轉角、絕對轉角和夾角，之后用邊角導線的評差計算方法就可以計算出各點的兩維水平位移。如果整個系統(tǒng)的長度不超過300米，另一端無已知點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夾角的同時，垂直于水流方向的立面內的轉角也得到了。那么，通過每條邊兩端的PSD測量數(shù)據(jù)即可計算出每個測點的相對垂直位移，累加即可得到各點的絕對垂直位移，而無需用導線法計算垂直位移。通過以上的闡述可以看出，本方法與激光準直法是截然不同的；另外，本方法不僅可以測量三維向位移，還可以測量兩個方向的傾斜。激光器為半導體激光器，價格低，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)結構如圖1和圖2所示，每個觀測墩上安置一個儀器箱，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。整個系統(tǒng)是嚴格密封的?？紤]了半導體激光器的溫漂以及半導體激光器和其他部件的歸心。箱底板四周設有應力槽，以減少安裝應力的影響，箱體、激光器和PSD的基座需進行時效處理，以減小加工應力的影響?？紤]了防雷和震動的影響。激光器和儀器箱兩側的保護鋼管的方向根據(jù)現(xiàn)場測點走向確定。圖1測點結構簡圖（立面）圖2測點結構簡圖（平面）①半導體激光器②兩維PSD③一維PSD④發(fā)光二極管⑤銦鋼管固定⑥電路板⑦銦鋼管支承結構 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：假如只有一個基點，25個測點，最弱點（末端）的觀測值為：%=g1+g2+…+gn其中gi為各點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，估計溫度梯度值為0.1°C/m。l為各測點之間的長度，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側向位移Y精度估算：最弱點的側向觀測值公式為：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為各測點之間的距離，取20米。AT〔為各測點的溫度變化。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，沒有考慮轉角測量的誤差。比較準確的精度計算應該用邊角導線的精度計算方法。

6.概算單個測點單元設備及材料明細表序號名稱單位數(shù)量單價（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1300.00300.008測控軟件套11000.001,000.00小計9,500.00二光學系統(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5,100.00三機械系統(tǒng)1銦鋼管米20200.004,000.002測點箱個130