基于?PSD?的大壩變形監(jiān)測儀關(guān)鍵技術(shù)研究

梁永榮，吳健琨，王春樹

（1. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012）

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基于?PSD?的大壩變形監(jiān)測儀關(guān)鍵技術(shù)研究

梁永榮1，2，吳健琨1，2，王春樹1，2

（1. 水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；2. 水利部水文水資源監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210012）

摘 要：為解決現(xiàn)有大壩變形監(jiān)測儀器可靠性不高等問題，基于半導體位置傳感器 PSD，以靜力水準儀為例，在優(yōu)化設(shè)計電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計新型變形監(jiān)測儀器系統(tǒng)。通過系統(tǒng)一致性、穩(wěn)定性和溫度適應性實驗，分析監(jiān)測儀器的測量精度、溫度適應性和測量時間 3 個關(guān)鍵技術(shù)指標：測量精度高達 0.002 mm，溫度穩(wěn)定性達到0.001 mm，測量時間短到 1 s。實驗證明，PSD 式新型監(jiān)測儀器優(yōu)于現(xiàn)有的變形監(jiān)測儀器。

關(guān)鍵詞：PSD；大壩變形監(jiān)測；靜力水準儀；關(guān)鍵技術(shù)

0　引言

變形監(jiān)測是我國工程安全信息智能感知體系的重要方式。精確的變形測量直接影響到堤壩、高邊坡、地鐵、高層建筑等基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)管，如果這些工程失事，不僅意味著投資的損失和功能的失去，而且將導致人民生命財產(chǎn)的巨大損失和重大的生態(tài)災難，甚至影響社會的穩(wěn)定。

目前，變形監(jiān)測主要采用垂線坐標儀、引張線儀、靜力水準儀等實現(xiàn)自動化測量［1］。這些儀器在工程應用中存在光源干擾嚴重、測量時間長、溫度影響大等缺點。針對這些問題，研究了一種新型位置傳感器 PSD，其感光區(qū)域只與光源重心位置有關(guān)，響應時間短達 5 us，分辨率高達 1 um，光譜響應范圍廣達 380～1 100 nm。以靜力水準儀為例，設(shè)計簡易測量電路，通過系統(tǒng)一致性、穩(wěn)定性和溫度適應性試驗，進行測量精度、溫度適用性和測量時間 3 個關(guān)鍵技術(shù)的研究，結(jié)果滿足電力行業(yè)標準要求，且優(yōu)于同行業(yè)的監(jiān)測儀器。

1　PSD檢測位移工作原理

位置敏感器件 PSD 是一種能測量光點在探測器表面上連續(xù)位置的光學探測器［2］。常用的一維 PSD由 P 襯底、PIN 光電二極管及表面電阻組成，結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1　PSD結(jié)構(gòu)圖

當入射光斑照射到 PSD 感光面上某一位置時，相應于光能量的電荷在入射點產(chǎn)生，電荷通過 P 型電阻層被電極收集［3］。P 型電阻層是均勻一體的電阻層，被電極收集到的光電流與入射點和電極間距成反比。假設(shè)產(chǎn)生的總光電流為 I，2 個信號電極上的光電流為 I1，I2，忽略電極上的極小電阻，則 I1和 I2之和等于總光電流 I，即

由于 PSD 為線性器件，輸出的電流大小與感光點到兩端的距離成反比，可以得出：

式中：L 為 PSD 器件中點位置到感光面兩端的距離；X 為入射光斑距 PSD 中點位置的距離。與式（1）聯(lián)立得

當入射光強度不變時，單個電極的輸出電流與入射光斑距 PSD 中點位置的距離 X 呈線性關(guān)系。將2 個信號電極的輸出電流相除，可得：

式中：P 為一維 PSD 的位置輸出信號，由此可知：PSD 的輸出電流信號與光斑的位置坐標 X 有關(guān)，與入射光強度無關(guān)。

2　PSD變形監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1PSD 變形監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

PSD 變形監(jiān)測系統(tǒng)通過 PSD 采集大壩變形的數(shù)據(jù)；用加速度傳感器監(jiān)測 PSD 采樣時是否發(fā)生振動，消除外界振動干擾對位移測量帶來的影響；通過 RS-485 將數(shù)據(jù)發(fā)送到變形監(jiān)測終端。系統(tǒng)框圖如圖 2 所示。

圖2　PSD變形監(jiān)測系統(tǒng)框圖

工作時，光源照射在 PSD 感光面上，PSD 輸出位移變化信號，計算出位移大?。患铀俣葌鞲衅鞴潭ㄔ诖髩位?，用來監(jiān)測 PSD 采樣時是否發(fā)生振動，保證系統(tǒng)不發(fā)生錯誤測量。

2.2PSD 式靜力水準儀監(jiān)測原理

當壩體變形發(fā)生時，靜力水準儀主容器內(nèi)的液面發(fā)生變化，浮子隨液面同時變化，則浮子的位置反映了壩體位置，結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。入射光經(jīng)浮子上鏡面反射后，反射光在 PSD 感光面上的位置不同，如圖 4 所示。

圖 4 中 H1，H2分別為壩體變形前后浮子上鏡面液面高度，X1，X2分別為變形前后 PSD 感光面測量的位置，通過簡單的光學反射定律和直角三角形關(guān)系可得到：OA = DH，OB = DX，

圖3　PSD靜力水準儀結(jié)構(gòu)圖

圖4　液面變化計算數(shù)學模型

即：DH= DX? cos α，

式中：α 為固定入射角；DH表示液面高度的變化；DX表示光源在 PSD 感光面位置的變化。

當入射角 α 固定已知時，可以得出液面的變化量。為計算方便，整個裝置的入射角 α 取 45°，即有

3　PSD變形監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1PSD 信號采集處理電路設(shè)計

設(shè)計選用的一維 PSD 有效光敏面為 2.5 mm × 34.0 mm，工作溫度為 -10～60℃，同時具有 1 um的分辨率，380～1 100 nm 的光譜響應范圍，響應時間為 5 us，數(shù)據(jù)采集電路如圖 5 所示。電源上電后，調(diào)節(jié)滑動變阻器 R10使 PSD 中間腳（P3-2）的電壓固定在 3.4 V，可防止電流過大燒壞傳感器，使電壓與 PSD 長度 34 mm 呈線性輸出，便于計算實際位移值。

當 PSD 接收到光斑后，光電流信號 I 通過積分電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，計算公式為 U = - I ? R，則有U1= - I ? R4，U2= - I ? R13，

式中：U1，U2為第 1 級 2 路采集電壓值。

電容 C1和 C5起濾波作用，過濾輸入信號中的脈沖干擾和高頻噪聲，還可消除電路可能出現(xiàn)的振蕩；通過改變 R14的阻值可以改變輸出電壓的大小?？紤]到前置電路中放大器的工作區(qū)間及單片機 A/D轉(zhuǎn)換的電平要求，阻值不宜過大。

圖5　PSD數(shù)據(jù)采集處理電路

采用典型的反相加法電路的接法，根據(jù)虛短和虛斷原理：

當 R11= R15時，公式（6）則為

式中：U0是第二級采集電壓值。改變 R14與 R11的比值可以調(diào)整電路的增益。由于前級電路是反相接法，這樣經(jīng)過反相加法電路后，電路消去負號，后級電路無需設(shè)計反相電路。

3.2PSD 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，在主程序下分成彼此獨立的功能模塊，如 PSD、加速度數(shù)據(jù)采集，電源電壓監(jiān)測，A/D 數(shù)據(jù)處理，RS-485 通訊模塊等。程序總體設(shè)計框圖如圖 6 所示。

首先對系統(tǒng)初始化，完成對各功能部件初始狀態(tài)的配置及中斷優(yōu)先級設(shè)置；然后通過 A/D 中斷實現(xiàn)對 PSD、加速度和電壓數(shù)據(jù)的采集處理，最后將采集處理的數(shù)據(jù)通過 RS-485 通訊發(fā)送到監(jiān)控終端。

圖6　系統(tǒng)程序流程圖

4　PSD變形監(jiān)測儀關(guān)鍵技術(shù)實驗測量與分析

為驗證設(shè)計電路的合理性，以靜力水準儀為例進行實驗，主要進行系統(tǒng)一致性、穩(wěn)定性，溫度適應性等關(guān)鍵技術(shù)實驗測量，并比較不同變形監(jiān)測儀器性能，分析實驗數(shù)據(jù)。

4.1一致性、穩(wěn)定性測量

變形監(jiān)測儀器的一致性和穩(wěn)定性直接影響儀器的品質(zhì)優(yōu)劣。本實驗固定 PSD 式靜力水準儀于專用標定裝置上，調(diào)整 PSD 式靜力水準儀高度至儀器讀數(shù)零位，并以此位置為參考原點。調(diào)節(jié)標定裝置，使靜力水準儀由測量原點移動至測量滿量程起點，每次移動 2 mm，測量記錄，測量 5 次取平均值。測量環(huán)境為溫度 17.6℃、濕度 85%RH，數(shù)據(jù)如表 1 所示。

表1　PSD變形監(jiān)測系統(tǒng)精度測量數(shù)據(jù)　mm

4.2溫度適應性測量

大壩變形監(jiān)測儀器的溫度適應性直接影響該儀器能否使用，本實驗研究選用的 PSD 的工作溫度為-10～60℃，將 PSD 變形監(jiān)測儀器放在溫度箱內(nèi)，通過設(shè)定恒溫箱的溫度，模擬 1年中大壩壩頂、基礎(chǔ)廊道等大概溫度。通過在各點溫度多次測量，經(jīng)多組數(shù)據(jù)平均計算后，PSD 在不同溫度時的測量平均值如表 2 所示（僅列舉部分典型值）。

表2　不同溫度PSD變形監(jiān)測儀器測量平均值　mm

4.3不同變形監(jiān)測儀器性能比較

將 PSD 式靜力水準儀與現(xiàn)有的 CCD 式靜力水準儀、步進電機式變形監(jiān)測儀器進行比較，如表 3所示。

表3　不同變形監(jiān)測儀器性能比較

4.4實驗數(shù)據(jù)對比分析

對表 1 數(shù)據(jù)進行分析可以看出，當給定標定位移不變時，2 個端點的測量誤差較大，最大達到0.060 mm；其他測量范圍內(nèi)，最大誤差值為 0.003 mm，具有相當好的一致性和穩(wěn)定性，滿量程條件下測量精度高達 0.002 mm。根據(jù)測量數(shù)據(jù)擬合線性直線，如圖 7 所示。

圖7　PSD變形監(jiān)測儀器系統(tǒng)一致性穩(wěn)定性關(guān)系

對表 2 中的數(shù)據(jù)進行分析可以看出，PSD 儀器在邊界溫度為 -10 和 60℃ 時測值不穩(wěn)定，這是由器件本身的特性導致的［4］。正常室溫環(huán)境下經(jīng)多組重復測量，測值穩(wěn)定，溫度穩(wěn)定性達到 0.001 mm。

表 3 可以看出，PSD 式儀器的測量精度高，測量時間短，溫度影響范圍略小，滿足行業(yè)標準要求［5］，基礎(chǔ)性能優(yōu)于現(xiàn)有變形監(jiān)測儀器。

5　結(jié)語

研究的 PSD 式靜力水準儀器，監(jiān)測系統(tǒng)工作可靠，測量精度高達 0.002 mm，溫度穩(wěn)定性達到0.001 mm，達到行業(yè)所需的穩(wěn)定性要求。同時該監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)在線控制，彌補現(xiàn)有儀器單向監(jiān)測的缺陷，具有較高的市場應用價值，可推廣應用到大壩變形監(jiān)測中。

參考文獻：

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Research of Key Techniques of Dam Deformation Monitoring Instruments based on PSD

LIANG Yongrong1，2，WU Jiankun1，2，WANG Chunshu1，2
（1.Nanjing Automation Institute of Water Conservancy and Hydrology，the Ministry of Water Resources，Nanjing 210012，China；2. Research Centre on Hydrology& Water Resources Monitoring，the Ministry of Water Resources，Nanjing 210012，China）

Abstract:In order to solve the poor reliability problem of the existing dam deformation monitoring instrument，based on semiconductor position sensor PSD，this article has taken the static level as an example and designed a new type of deformation monitoring instrument system on the optimized circuit. Through the experiment of system consistency，stability and temperature adaptability，it analyzes two key technical indicators which are measuring accuracy of monitoring instrument and temperature adaptability: Measurement accuracy up to 2 ‰，measurement time short to 1 s. Experiments show that the PSD new monitoring instrument is superior to the existing deformation monitoring instruments.

Key words:PSD；dam deformation monitoring；the static level；the key technology

中圖分類號：TV698.2

文獻標識碼：B

文章編號：1674-9405（2016）03-0040-04

DOI:10.19364/j.1674-9405.2016.03.009

收稿日期：2015-12-28

作者簡介：梁永榮（1987—），男，江蘇南京人，工程師，研究方向：測試技術(shù)與傳感器。