梁永榮，吳健琨，王春樹

（1. 水利部南京水利水文自動(dòng)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）

?

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(dòng)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(dǎo)體位置傳感器 PSD，以靜力水準(zhǔn)儀為例，在優(yōu)化設(shè)計(jì)電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(yīng)性實(shí)驗(yàn)，分析監(jiān)測儀器的測量精度、溫度適應(yīng)性和測量時(shí)間 3 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)：測量精度高達(dá) 0.002 mm，溫度穩(wěn)定性達(dá)到0.001 mm，測量時(shí)間短到 1 s。實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)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(dǎo)致人民生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失和重大的生態(tài)災(zāi)難，甚至影響社會(huì)的穩(wěn)定。

目前，變形監(jiān)測主要采用垂線坐標(biāo)儀、引張線儀、靜力水準(zhǔn)儀等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測量［1］。這些儀器在工程應(yīng)用中存在光源干擾嚴(yán)重、測量時(shí)間長、溫度影響大等缺點(diǎn)。針對(duì)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(yīng)時(shí)間短達(dá) 5 us，分辨率高達(dá) 1 um，光譜響應(yīng)范圍廣達(dá) 380～1 100 nm。以靜力水準(zhǔn)儀為例，設(shè)計(jì)簡易測量電路，通過系統(tǒng)一致性、穩(wěn)定性和溫度適應(yīng)性試驗(yàn)，進(jìn)行測量精度、溫度適用性和測量時(shí)間 3 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的研究，結(jié)果滿足電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)在探測器表面上連續(xù)位置的光學(xué)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(dāng)入射光斑照射到 PSD 感光面上某一位置時(shí)，相應(yīng)于光能量的電荷在入射點(diǎn)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(diǎn)和電極間距成反比。假設(shè)產(chǎn)生的總光電流為 I，2 個(gè)信號(hào)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(diǎn)到兩端的距離成反比，可以得出：

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

當(dāng)入射光強(qiáng)度不變時(shí)，單個(gè)電極的輸出電流與入射光斑距 PSD 中點(diǎn)位置的距離 X 呈線性關(guān)系。將2 個(gè)信號(hào)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(hào)，由此可知：PSD 的輸出電流信號(hào)與光斑的位置坐標(biāo) X 有關(guān)，與入射光強(qiáng)度無關(guān)。

2　PSD變形監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1PSD 變形監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shí)是否發(fā)生振動(dòng)，消除外界振動(dòng)干擾對(duì)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(shí)，光源照射在 PSD 感光面上，PSD 輸出位移變化信號(hào)，計(jì)算出位移大小；加速度傳感器固定在大壩基底，用來監(jiān)測 PSD 采樣時(shí)是否發(fā)生振動(dòng)，保證系統(tǒng)不發(fā)生錯(cuò)誤測量。

2.2PSD 式靜力水準(zhǔn)儀監(jiān)測原理

當(dāng)壩體變形發(fā)生時(shí)，靜力水準(zhǔn)儀主容器內(nèi)的液面發(fā)生變化，浮子隨液面同時(shí)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(xué)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(zhǔn)儀結(jié)構(gòu)圖

圖4　液面變化計(jì)算數(shù)學(xué)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(dāng)入射角 α 固定已知時(shí)，可以得出液面的變化量。為計(jì)算方便，整個(gè)裝置的入射角 α 取 45°，即有

3　PSD變形監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1PSD 信號(hào)采集處理電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)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(shí)具有 1 um的分辨率，380～1 100 nm 的光譜響應(yīng)范圍，響應(yīng)時(shí)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(dòng)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(jì)算實(shí)際位移值。

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

式中：U1，U2為第 1 級(jí) 2 路采集電壓值。

電容 C1和 C5起濾波作用，過濾輸入信號(hào)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(jī) 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(dāng) R11= R15時(shí)，公式（6）則為

式中：U0是第二級(jí)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(jí)電路是反相接法，這樣經(jīng)過反相加法電路后，電路消去負(fù)號(hào)，后級(jí)電路無需設(shè)計(jì)反相電路。

3.2PSD 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，在主程序下分成彼此獨(dú)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(jì)框圖如圖 6 所示。

首先對(duì)系統(tǒng)初始化，完成對(duì)各功能部件初始狀態(tài)的配置及中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置；然后通過 A/D 中斷實(shí)現(xiàn)對(duì) 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(shí)驗(yàn)測量與分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)電路的合理性，以靜力水準(zhǔn)儀為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，主要進(jìn)行系統(tǒng)一致性、穩(wěn)定性，溫度適應(yīng)性等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)驗(yàn)測量，并比較不同變形監(jiān)測儀器性能，分析實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)固定 PSD 式靜力水準(zhǔn)儀于專用標(biāo)定裝置上，調(diào)整 PSD 式靜力水準(zhǔn)儀高度至儀器讀數(shù)零位，并以此位置為參考原點(diǎn)。調(diào)節(jié)標(biāo)定裝置，使靜力水準(zhǔn)儀由測量原點(diǎn)移動(dòng)至測量滿量程起點(diǎn)，每次移動(dòng) 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(yīng)性測量

大壩變形監(jiān)測儀器的溫度適應(yīng)性直接影響該儀器能否使用，本實(shí)驗(yàn)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(diǎn)溫度多次測量，經(jīng)多組數(shù)據(jù)平均計(jì)算后，PSD 在不同溫度時(shí)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(zhǔn)儀與現(xiàn)有的 CCD 式靜力水準(zhǔn)儀、步進(jìn)電機(jī)式變形監(jiān)測儀器進(jìn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

對(duì)表 1 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，當(dāng)給定標(biāo)定位移不變時(shí)，2 個(gè)端點(diǎn)的測量誤差較大，最大達(dá)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(dāng)好的一致性和穩(wěn)定性，滿量程條件下測量精度高達(dá) 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(duì)表 2 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，PSD 儀器在邊界溫度為 -10 和 60℃ 時(shí)測值不穩(wěn)定，這是由器件本身的特性導(dǎo)致的［4］。正常室溫環(huán)境下經(jīng)多組重復(fù)測量，測值穩(wěn)定，溫度穩(wěn)定性達(dá)到 0.001 mm。

表 3 可以看出，PSD 式儀器的測量精度高，測量時(shí)間短，溫度影響范圍略小，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)儀器，監(jiān)測系統(tǒng)工作可靠，測量精度高達(dá) 0.002 mm，溫度穩(wěn)定性達(dá)到0.001 mm，達(dá)到行業(yè)所需的穩(wěn)定性要求。同時(shí)該監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在線控制，彌補(bǔ)現(xiàn)有儀器單向監(jiān)測的缺陷，具有較高的市場應(yīng)用價(jià)值，可推廣應(yīng)用到大壩變形監(jiān)測中。

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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(hào)：TV698.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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。