拱坝位移激光自动监测系统方案

拱坝位移激光自动监测系统1 拱坝位移激光自动监测系统概述该系统利用的是半导体激光器和位敏传感器技术。这两项技 术应用于位移监测是由从 1996 年开始研究的。我公司已经在东 北的云峰大坝坝面建成了一条折线分段型激光三维位移自动监 测系统，它具有如下特点： 通过测量相邻两点间的相对位移来解算各点的绝对位移， 比较圆满地解决了曲线型坝位移自动监测问题； 布置十分灵活，可以任意改变方向、断开或错开，所以非 常适用于拱坝、折线型坝、边坡、围岩、坡度变化的基础廊道等 不通视的部位以及现场需要转弯、断开或错开的部位的位移监 测； 只需一个工作基点，故用在通视的部位，造价也不高； 系统全密封、无任何机械运动，可保证长期稳定可靠； 不抽真空，测量时间短（一次测量只需2-3分钟），可真 正实现远程监控； 系统结构紧凑，箱体及管道的尺寸小（管道直径小于10 厘米，箱体宽度约26 厘米），占用空间少，易于布置； 原理、结构、数据处理和施工等方面都十分简单； 可实现一维、二维或三维位移监测，性能价格比很高； 全天候测量，也不受泄洪和震动的影响； 软硬件功能齐全；系统造价低。3 原理简介本方法的原理实际上就是大地测量中的边角导线的原理。 只要测出每条边的长度和相邻两个边的水平夹角，边角导线法 就可以计算出各点的两维水平位移。3.1 边长测量点与点之间均有一根薄壁铟刚管，一端固定，另一端自由。 自由端安置一个一维位敏传感器PSD,测点上安置一个激光发光 二极管 LED， LED 在一维 PSD 上形成光斑即可得到两点间边长 的变化。边长的变化与起始边长相加即为测量时的边长。3.2。夹角和垂直方向位移 从起始点（要求该点的转角为零）发射一束激光,在测点 1 上面向光束安置一个两维位敏传感器PSD,在该PSD前有一块分 光镜，激光束的一半光强透过分光镜在PSD上形成光斑,PSD给 出光斑的位置变化即为该测点的位移,另一半光束被分光镜反射 回起始点的PSD，通过两个PSD的测量数据就可以计算出测点1 的夹角变化；在测点再向下一个测点发射激光, 同理可得下一个 测点的夹角变化, 以此类推,可得出所有测点的夹角变化。也就是 说，最后一个测点之前的所有点上均设置一支激光器和两支两维 位敏传感器PSD，通过每条边两端的PSD测量数据计算出每个测 点的相对转角、绝对转角和夹角，之后用边角导线的评差计算方 法就可以计算出各点的两维水平位移。如果整个系统的长度不超过 300 米，另一端无已知点闭合 亦可满足精度要求。由于垂直于激光束的 PSD 是两维的，所以在测量水平面内夹 角的同时，垂直于水流方向的立面内的转角也得到了。那么，通 过每条边两端的 PSD 测量数据即可计算出每个测点的相对垂直 位移，累加即可得到各点的绝对垂直位移，而无需用导线法计算 垂直位移。通过以上的阐述可以看出，本方法与激光准直法是截然不同 的；另外，本方法不仅可以测量三维向位移，还可以测量两个方 向的倾斜。激光器为半导体激光器，价格低，寿命长，性能稳定；位敏 传感器由硅晶体制成，精度高，不易损坏。4 系统结构如图 1 和图2 所示，每个观测墩上安置一个仪器箱，相邻测 墩之间布置有钢管，其两端为波纹管。钢管上采取了一些措施来 减少折光差，并可走电缆。整个系统是严格密封的。考虑了半导 体激光器的温漂以及半导体激光器和其他部件的归心。箱底板四 周设有应力槽，以减少安装应力的影响，箱体、激光器和PSD的 基座需进行时效处理，以减小加工应力的影响。考虑了防雷和震 动的影响。激光器和仪器箱两侧的保护钢管的方向根据现场测点走向 确定。保护管测点箱支承墩测墩图 2 测点结构简图（平面）半导体激光器两维PSD一维PSD发光二极管 铟钢管固定 电路板铟钢管支承结构温度传感器5 精度估算5.1 水平位移 X 和垂直位移 Z 精度估算。5.1.1 PSD测量精度的影响：假如只有一个基点，25 个测点，最弱点（末端）的观测值 为：J=g1 + g2+ + 岂其中 g 为各点 PSD 读数，误差为 m=0.02 毫米。i根据误差传播定律得出最弱点观测值的中误差平方为：M2 = m2 + m2+ + m2n12n=nXm2M = V-nXmn= 25X0.02=5X 0.02=0.10 （毫米）5.1.2 大气折光影响：折光差最大的点也是末端，其值为：M =1/8 X （0.95） XdT/dxX 工 12X10-6折其中dT/dx为温度梯度，由于采用了降低温度梯度措施，估计温度梯度值为0.1°C/m。l为各测点之间的长度，取20米。 所以得出：M =0.95/8X0.5X25X202X10-6折 =0.60(毫米)那么，最弱点观测值的精度为： u = V M2 + M2 = V 0.I2+0.62 = 0.61mmn折位移为观测值与基准值之差，所以位移的综合精度为：M= V 乜u =0.86mm 该精度满足规范规定的 1 毫米的要求。5.2侧向位移Y精度估算： 最弱点的侧向观测值公式为：6= f+f+.+f a XlX ( T+A T+.4 T)n12n12n其中 f 为一维 PSD 读数。ia 为铟钢管膨胀系数 10-7。l为各测点之间的距离，取20米。A T为各测点的温度变化。i 所以，观测值中误差为：M2 = m 2+m 2+. +M 2+a 2X l2X (m 2+m 2+. +M 2)12nT1 T2Tn其中m为PSD读数精度0.02毫米。im为温度测量精度，取1C。Ti则：u 2 = nX m2+na 2l2m2Tu 二 V 25 X (m2+a 2l2m 2)T= 0.12 毫米 所以位移的综合精度为：M= V"2p =0.15mm 该精度满足规范规定的 1 毫米的要求。以上的精度估算是粗略的，没有考虑转角测量的误差。比较 准确的精度计算应该用边角导线的精度计算方法。6. 概算单个测点单元设备及材料明细表序号名称单位数量单价（元）金额（元）-一-测控部分1测控板块15000.005,000.002温度传感器支1400.00400.003一维 PSD块1500.00500.004二维 PSD块22000.002,000.005电源电缆米205.00100.006信号电缆米2010.00200.007电源个1300.00300.008测控软件套11000.001,000.00小计9,500.00'光学系统1激光器支13500.003,500.002分光镜套11500.001,500.003发光二极管支1100.00100.00小计5,100.00-；机械系统1铟钢管米20200.004,000.002测点箱个13000.003,000.003保护管及支承结构套13000.003,000.004波纹管个2900.001,800.005测墩及底板套1500.00500.006箱内机械部件套1700.00700.00小计13,000.00合计27,600.00注:上表不包括设备的运输及安装调试的费用