CCD雙金屬標(biāo)儀的研制及應(yīng)用*

趙義飛 李農(nóng)發(fā) 歐同庚 史雨輝

1)中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071

2)中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢 430071

3)中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081

CCD雙金屬標(biāo)儀的研制及應(yīng)用*

趙義飛1，2)李農(nóng)發(fā)1，2)歐同庚1，2，3)史雨輝1，2)

1)中國(guó)地震局地震研究所(地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，武漢 430071

2)中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所武漢科技創(chuàng)新基地，武漢 430071

3)中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081

基于雙金屬標(biāo)的基本原理，設(shè)計(jì)了一種光電式雙金屬標(biāo)儀，并將其成功應(yīng)用于亭子口水電站大壩垂直位移安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。運(yùn)行結(jié)果表明，儀器運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定可靠，監(jiān)測(cè)效果良好。

CCD;雙金屬標(biāo);基準(zhǔn)點(diǎn);垂直位移;安全監(jiān)測(cè)

1 引言

垂直位移監(jiān)測(cè)儀器子系統(tǒng)是水庫(kù)、水電站大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，垂直位移觀測(cè)常用精密水準(zhǔn)、靜力水準(zhǔn)測(cè)量方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，這兩種觀測(cè)方式需要設(shè)置水準(zhǔn)基點(diǎn)，絕對(duì)垂直位移基點(diǎn)一般采用深埋標(biāo)志。為了減少溫度對(duì)深埋標(biāo)志的影響，通常深埋標(biāo)志選擇雙金屬標(biāo)的形式，雙金屬標(biāo)儀即為測(cè)量深埋標(biāo)志變化的儀器。雙金屬標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，對(duì)整個(gè)靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的正常工作起著舉足輕重的作用［1］。

CCD器件是一種半導(dǎo)體器件，它利用光電轉(zhuǎn)換原理把圖像信息直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這樣便實(shí)現(xiàn)了非電量的電測(cè)量。同時(shí)它具有體積小、重量輕、噪聲低、自?huà)呙琛⒐ぷ魉俣瓤臁y(cè)量精度高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在精密測(cè)量工程中有著廣泛的應(yīng)用［2］。CW-SBⅡ型遙測(cè)雙金屬標(biāo)儀是基于CCD設(shè)計(jì)的一種垂直位移監(jiān)測(cè)儀器，該儀器具有安裝方便、測(cè)量數(shù)據(jù)連續(xù)可靠、精度高、分辨率高等特點(diǎn)。

2 雙金屬標(biāo)工作原理

2.2 雙金屬標(biāo)結(jié)構(gòu)

常見(jiàn)的雙金屬標(biāo)采用平行設(shè)置的兩根具有不同線(xiàn)膨脹系數(shù)的金屬管組成雙金屬標(biāo)(見(jiàn)圖1)［3］。

圖1 雙金屬標(biāo)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of bi-metal tube

2.2 雙金屬標(biāo)原理

由于鋼管和鋁管都采用深埋方式處理，長(zhǎng)度大體一致，所以可以記兩根管原有長(zhǎng)度均為L(zhǎng)，鋼管的線(xiàn)膨脹系數(shù)為α鋼，鋁管的線(xiàn)膨脹系數(shù)為α鋁。在鋼管頂部與頂體之間安裝自動(dòng)化觀測(cè)儀器或者是傳感器，測(cè)量鋼管頂部相對(duì)于鋼管底部的形變量X，此處鋼管底部一般埋設(shè)在大壩所處地理位置的基巖處，t1時(shí)刻測(cè)量的數(shù)值記為X1，t2時(shí)刻測(cè)量的數(shù)值記為X2。則每次實(shí)測(cè)雙金屬標(biāo)處大壩沉降為H，即

式中:ΔT表示鋼管、鋁管各高度層溫度變化的平均值;α鋼ΔTL表示溫度變化引起的鋼管的長(zhǎng)度變化量。

同理，在鋁管頂部與頂體之間安裝自動(dòng)化觀測(cè)儀器，測(cè)量鋁管頂部相對(duì)于鋁管底部的形變量Y，t1時(shí)刻測(cè)量的數(shù)值記為Y1，t2時(shí)刻測(cè)量的數(shù)值記為Y2。則每次實(shí)測(cè)雙金屬標(biāo)處大壩垂直位移為:

由式(1)，式(2)可得

取鋼管的線(xiàn)膨脹系數(shù)α鋼=1.2×10－5/℃，鋁管的線(xiàn)膨脹系數(shù)為 α鋁=2.4 ×10－5/℃，則有

由式(5)可以看出，采用雙金屬標(biāo)這種測(cè)量方法，不需要安置測(cè)溫裝置來(lái)測(cè)定溫度，只需通過(guò)傳感器測(cè)量得到兩只管標(biāo)的形變量，即可得到雙金屬標(biāo)處大壩壩體的垂直位移量H。

3 光電式雙金屬標(biāo)儀的設(shè)計(jì)

儀器由兩路光源、光學(xué)系統(tǒng)、狹縫、CCD位移傳感器、信號(hào)與處理電路、接口電路等組成(圖2)。

儀器專(zhuān)用的光學(xué)系統(tǒng)，準(zhǔn)直后的光束具有較好的平行性。準(zhǔn)直處理后的光束通過(guò)狹縫，在CCD接收靶面上形成一亮線(xiàn)。當(dāng)溫度變化時(shí)，鋼管與鋁管的長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生變化，而該亮線(xiàn)位置也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化，該儀器兩路輸出:一路是鋼管與基點(diǎn)之間的差值;另一路是鋁管與基點(diǎn)之間的差值。根據(jù)這其差值求得基點(diǎn)的變化值。

儀器設(shè)計(jì)并安裝了兩個(gè)保護(hù)電路:一是電源保護(hù)電路。儀器采用AC36 V供電，在電源輸入端安裝了防雷擊、防浪涌及抗干擾電路，可承受3 kV，1 kA雷電沖擊;二是485端口保護(hù)電路。根據(jù)485端口的特點(diǎn)，安裝了光電隔離、防雷擊、防浪涌及抗靜電電路，除可承受3 kV、1 kA雷電沖擊外，還可抗±30 kV靜電。它們可保證儀器能在惡劣環(huán)境條件下正常工作。

4 工程實(shí)際應(yīng)用

亭子口水利樞紐工程位于四川省廣元市蒼溪縣境內(nèi)，距蒼溪縣城15 km，是嘉陵江干流開(kāi)發(fā)中唯一的控制性工程。CW-SBⅡ型遙測(cè)雙金屬標(biāo)儀布設(shè)在水電站基礎(chǔ)廊道31#壩段，儀器采用不銹鋼壓塊固定在混凝土表面，由于儀器對(duì)光元素敏感，在儀器安裝好后，采用不透明蓋子將整個(gè)儀器墩子蓋好。儀器采用36 V安全電壓供電，輸出兩路485信號(hào)，直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)當(dāng)中，采用專(zhuān)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

儀器主要技術(shù)指標(biāo)為:

量程:25 mm;

分辯力:0.02 mm;

測(cè)量準(zhǔn)確度:0.05 mm;

測(cè)量方式:隨機(jī)點(diǎn)測(cè);

輸出方式:數(shù)字量并帶有485端口;

數(shù)據(jù)傳輸速率:1 200 bit～9 600 bit可選;

工作電壓:AC36 V;

溫度:－15℃ ～+50℃;

相對(duì)濕度:98%。

表1是從亭子口水電站返回的儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)(測(cè)點(diǎn)編號(hào):DS01BD31;埋設(shè)部位:基礎(chǔ)廊道31#壩段;高程:352.937m)，取2012年1月7日觀測(cè)數(shù)據(jù)作為儀器初始觀測(cè)值，差值為后來(lái)觀測(cè)數(shù)據(jù)與初始觀測(cè)數(shù)據(jù)的差值，沉降值是通過(guò)雙金屬標(biāo)的原理計(jì)算獲取的數(shù)值。

表1 儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)(單位:mm)Tab.1 Instrument observations(unit:mm)

從表中觀測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，雙金屬標(biāo)儀測(cè)值連續(xù)性較好，無(wú)突變，符合水電站在初建時(shí)期所發(fā)生的沉降形變，為大壩安全監(jiān)測(cè)提供了有用可靠的初始數(shù)據(jù)。在雙金屬標(biāo)儀運(yùn)行的半年多時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)生故障，能夠隨時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，且成功獲取有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，儀器系統(tǒng)的可靠性高。

5 結(jié)束語(yǔ)

雙金屬標(biāo)標(biāo)點(diǎn)作為垂直位移觀測(cè)的一種基準(zhǔn)點(diǎn)，用于大壩垂直位移監(jiān)測(cè)或高程傳遞，能夠完成大壩垂直位移觀測(cè)任務(wù)的前提是其本身的可靠性和準(zhǔn)確性，而其本身的準(zhǔn)確性來(lái)源于對(duì)雙金屬標(biāo)基本原理的正確理解及安裝的準(zhǔn)確［4］。文章通過(guò)對(duì)雙金屬標(biāo)的基本結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了分析研究，設(shè)計(jì)出一種基于CCD傳感器的雙金屬標(biāo)儀，并將其成功地應(yīng)用于實(shí)際，能及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)大壩的變形情況，為實(shí)現(xiàn)大壩廊道垂直位移監(jiān)測(cè)提供連續(xù)可靠的工作基點(diǎn)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，儀器系統(tǒng)具備精度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，可靠性高等特點(diǎn)。

1 肖永紅，周克明.雙金屬標(biāo)在大壩垂直位移觀測(cè)中的應(yīng)用與改進(jìn)［J］.大壩與安全，2007，(04):22－24.(Xiao Yonghong and Zhou Keming.Application and improvement of double-metal marks in damvertical displacement measurement［J］.Dam and Safety，2007，(04):22 －24)

2 楊博雄，等.一種線(xiàn)陣CCD時(shí)序仿真新方法［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2004，(3);124 －127.(Yang Boxiong，et al.A new method of linear CCD time sequence and simulation［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2004，(3);124－127)

3 DL/T5178－2003.混凝土大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2003.(DL/T5178-2003，Technical specification for concrete dam safety monitoring［s］.Beijing:China Electric Press，2003)

4 陳曙強(qiáng).青銅峽大壩深埋雙金屬標(biāo)安裝技術(shù)探討［J］.寧夏工程技術(shù)，2008，7(3):264 －265.(Chen Shuqiang.Discussion on install technology of the bimetal deeply buries in Qingtongxia dam［J］.Ningxia Engineering Technology，2008，7(3):264－265)

DEVELOPMENT AND APPLICATION OF CCD TYPE BI-METAL TUBE INSTRUMENT

Zhao Yifei1，2)，Li Nongfa1，2)，Ou Tonggeng1，2，3)and Shi Yuhui1，2)
1)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan430071
2)Wuhan Base of Institute Crustal Dynamics，CEA，Wuhan430071
3)Institute of Geophysics，CEA，Beijing100081

A photoelectric bi-metal tube is developed successfully based on the principle of bi-metal tube.This instrument is applied to the vertical displacement monitoring system of the Tingzikou hydropower dam.The results show that the instrument operation is stable and reliable，and monitoring effect is good.

Charge-Coupled Device(CCD);bi-metal tube;reference point;vertical displacement;safety monitoring

TV689.1

A

1671-5942(2013)05-0157-03

2012-07-30

中國(guó)地震局基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)(IS201126048)

趙義飛，男，1984生，助理工程師，主要從事形變觀測(cè)技術(shù)的研究.E－mail:yifei_zhao0712@163.com

圖2 儀器結(jié)構(gòu)組成

Fig.2 Structure composition of instrument