（电子科学与技术专业论文）基于ccd技术的大坝变形智能监测仪设计与开发.pdf

0 i l ll li lli l l li ll li iiil y 19 0 6 9 6 4 d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fd a md e f o r m a t i o n m o n i t o r i n gi n t e l l i g e n t i n s t r u m e n tb a s e do nc c d b y c h a is h i j i e b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e l n e l e c t r o n i cs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rd a iy u x i n g m a y , 2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 粜恒i 亦- 、 日期：2 纠，年岁月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日o ( 请在以上相应方框内打“v ”) 作者签名： 导师签名： 壮查日期： 2 口f7 年钼妇 日期： 加，f 年岁月z 阴 基于c c d 技术的人坝变形智能监测仪设计与开发 摘要 大坝在运行过程中一旦发生溃堤，会给事故发生国家带来巨大的灾害和经济 损失。大坝安全监测具有非常重要的意义，为了满足大坝安全监测的高要求，研 制出具有更高测量精度和可靠性的大坝安全监测仪器成为热点研究课题和发展趋一 势。本文采用c c d 技术，利用图像处理方法进行了大坝外部变形监测仪器的研 制，进行了如下研究： ( 1 ) 变形监测仪器是大坝安全监测系统前端必不可少的主要监测设备，本文 对各种变形监测仪器，从其工作原理到实际应用效果，进行了全方位的对比研究， 认为c c d 光电式仪器测量精度高，具有较好的长期稳定性与抗干扰能力，能满 足不同工程实际情况的需求。通过查阅相关电力行业标准，对所要开发的大坝变 形监测仪器设计提出了详细的要求和具体任务。 ( 2 ) 分析了大坝变形监测的分析方法，如引张线法、垂线法和水准法等主要 监测方法。重点介绍了变形监测仪的位移检测原理，阐述了大坝变形检测仪器设 计的总体思路，所设计的大坝变形智能监测仪主要包括引张线仪，垂线坐标仪和 静力水准仪。 ( 3 ) 根据大坝变形智能监测仪需求分析及性能指标，提出了仪器设计的总体 方案。详细讲解了仪器的机械结构和光学系统，给出了仪器硬件设计的总体结构 框图，详细分析了仪器的电源模块、c c d 驱动模块、控制模块、通信模块和显示 模块等各部分功能电路。 ( 4 ) 根据仪器所要实现的功能进行下位机软件设计。利用可编程元器件采用 v e r i l o g 语言设计c c d 驱动软件。重点阐述了大坝变形监测仪器的系统测控程序 设计、图像数据采集和处理的方法以及上位机与下位机通信的实现流程等。 最后，对所研制的大坝变形智能监测仪器进行基本误差测试、高低温测试和 稳定度测试。测试结果表明本文设计的仪器具有较高的测量精度，符合电力相关 行业标准的要求，实现了仪器成本低、体积小、智能化和网络化的目的。 关键词：c c d 技术；大坝变形；安全监测；引张线法；垂线法；水准法 a b s t r a c t t h ed a mm a vh a v es o m ed i s a d v a n t a g e o u sc h a n g e sd u r i n go p e r a t i o n t h e r eh a v e b e e nan u m b e t0 fa c c i d e n tr e c o r d so ft h ed a mi nb o t hh o m ea n da b r o a d w h i c hh a s b r o u g h tt h es e r i o u sd i s a s t e ra n dt h eh u g ee c o n o m i c l o s st ot h er e l a t e dc o u n t r y ，_ s ot n e d a ms a l e t vm o n i t o r i n gh a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i n o r d e rt om e e tt h eh l g n d e m a n d s0 fd a ms a f e t ym o n i t o r i n g ，t h ed e v e l o p m e n to fm o r ea c c u r a t ea n d r e l i a b l e i n s t 伽l e n t sf o rd a ms a f e t ym o n i t o r i n gb e c o m e st h ed e v e l o p m e n tt r e n d t h e c c d t e c h n o l o g yi s u s e s df o rd e v e l o p m e n to fd a md e f o r m a t i o n i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n g i n s t r u m e n t s c o n d u c t i n gt h ef o l l o w i n gr e s e a r c h ： ( 1 1d e f o 珊a t i o nm o n i t o r i n ge q u i p m e n t s a r et h ee s s e n t i a l m a i nf r o n t 。e n d m o n i t o r i n ge q u i p m e n t si ns y s t e mo fd a ms a f e t ym o n i t o r i n g ，t h i sp a p e rc o m p a r e s e a c n k i n do fd i s t o r t i o nm o n i t o ri n s t r u m e n t ，f r o mw h o s ep r i n c i p l eo f w o r kt ot h ep r a c t l c a l a p p l i c a t i o ne f f e c t ，f i n d i n gt h a tt h ec c d p h o t o e l e c t r i ci n s t r u m e n t sh a v eh i g hp r e c l s l o n ， g o o dl o n g - t e 珊s t a b i l i t ya n da n t i - ja m m i n gc a p a b i l i t y w h i c hm e e tt h ea c t u a ld e m a n d o fd i f f e r e n tp r o j e c t s t h r o u g hc o n s u l t i n gt h er e l e v a n tp o w e ri n d u s t r y s t a n d a r d s , t h e d e t a i l e dr e q u e s ta n dt h es p e c i f i ct a r g e t a r es e tf o rt h ed e s i g no fd a m d i s t o r t i o n m o n i t o ri n s t r u m e n t s ( 2 ) t h i sp a p e r d e s c r i b e st h ea n a l y s i s m e t h o d so f d e f o r m a t i o nm o n l t o 咖g ， h i g h l i g h t st h ed i s p l a c e m e n t d e t e c t i o np r i n c i p l eo fd e f o r m a t i o n ，a n d9 1 v e so v e r a l l d e s i g nm e n t a l i t yo fd a md e f o r m a t i o nm o n i t o r i n ge q u i p m e n t s i n t e l l i g e n tm e a s u 咖g i n s t r u m e n sa r ed e s i g n e di n c l u d i n gw i r ea l i g n m e n tt r a n s d u c e r ， t w od i m e n s i o n s c o o t d i n o m e t e ra n dh y d r o s t a t i cl e v e l i n g t r a n s d u c e r ( 3 ) a c c o r d i n g t od e m a n da n a l y s i s a n d p e r f o r m a n c e i n d i c a t o r so i ：d a m d e f o r m a t i o ni n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gi n s t r u m e n t s ，t h ep a p e re x p l a i n s t h em e c h a n i c a l s t r u c t u r ea n do p t i c a ls y s t e mi nd e t a i l ，g i v e st h eo v e r a l ld e s i g no f i n s t r u m e n th a r d w a r e b 1 0 c kd i a g r a m ， a n d a n a l y z e s t h ei n s t r u m e n t sp o w e rs u p p l y i n gm o d u l e ， c c d d r i v i n gm o d u l e ，c o n t r o l l i n gm o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，d i s p l a ym o d u l e a n ds o 0 n ( 4 ) a c c o r d i n g t ot h ei n s t r u m e n tf u n c t i o n s ，t h es o f t w a r ed e s i g n o ft h el o w e r c o m p u t e ri sa c h i e v e d ，w h i c hf o c u s e s o nt h ec c dd r i v i n gs o f t w a r e ，s y s t e mc o n t r o l l l n g p r o g r a m s ；d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gm e t h o d sa n dt h ei m p l e m e n t a t l o n p r o c e s so f c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt h eh o s tc o m p u t e ra n dt h el o w e rc o m p u t e r i l i t h eb a s i ce r r o rt e s t i n g ，h i g ha n dl o wt e m p e r a t u r e t e s t i n ga n ds t a b i l i t yt e s t i n gt 0 t h ed a md e f o r m a t i o ni n t e l l i g e n t m o n i t o r i n gi n s t r u m e n t sa r ec a r r i e do n ，t e s tr e s u l t s s h o wt h a t t h ei n s t r u m e n t sh a v e h i g h e rm e a s u r i n ga c c u r a c y , t o m p l y i n gw i t ht h e r e l e v a n ti n d u s t r ys t a n d a r d s ，t h ei n s t r u m e n t sa r e l o w c o s t ，s m a l l ，i n t e l l i g e n t i z e da n d n e t w o r k e d k e yw o r d s ：c c dt e c h n o l o g y ；d a m d e f o r m a t i o n ；s a f e t ym o n i t 。r i n g ；w i r e a l i g n m e n tm e t h o d ；t w od i m e n s i o n sc o o r d i n o m e t e rm e t h o d ；l e v e l i n g 妇e t h o d 硕f ：学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘 要l i a b s t r a c t j i l l 第l 章绪论1 1 1 课题的研究背景及意义1 1 2 国内外大坝监测的研究现状与发展趋势2 1 3 作者的研究工作和论文主要研究内容5 第2 章大坝变形监测方法及相关技术6 2 1 大坝变形监测方法6 2 1 1 水平位移监测方法6 2 1 2 垂直位移监测8 2 2c c d 传感器9 2 2 1c c d 的基本工作原理9 2 2 2c c d 的特性参数1 1 2 3 大坝变形监测仪器的测量原理一1 2 2 4 本章小结1 3 第3 章大坝变形监测仪总体结构及硬件设计1 4 3 1 大坝变形智能监测仪总体设计1 4 3 1 1 仪器的需求分析及性能指标1 4 3 1 2 仪器的总体设计方案1 4 3 2 大坝变形智能监测仪机械结构1 5 3 2 1 引张线仪机械结构一1 5 3 2 2 垂线坐标仪机械结构1 6 3 2 3 静力水准仪机械结构1 6 3 3 大坝变形智能监测仪光学系统1 7 3 3 1 平行光的设计1 7 3 3 2 光学器件选用1 8 3 4 大坝变形智能监测仪硬件设计1 8 3 4 1 硬件总体设计框图1 8 3 4 2 电源管理模块1 9 3 4 3 线阵c c d 驱动模块2 0 v 基于c c d 技术的人坝变形智能监测仪设计与开发 3 4 4 数据处理模块2 2 3 4 5 通信模块2 3 3 4 6 控制及主要外围模块2 4 3 5 本章小结2 7 第4 章大坝变形监测仪软件设计及实现2 8 4 1 大坝变形智能监测仪软件功能2 8 4 2c c d 驱动程序设计。2 8 4 2 1 传感器t c d l 7 0 3 的工作原理一2 8 4 2 2 基于v e r i l o g 的驱动程序设计2 9 4 3 大坝变形智能监测仪测控程序3 1 4 3 1 系统初始化及主程序流程图3 1 4 3 2 图像数据采集及处理3 2 4 3 3 图像畸变校正3 4 4 4 大坝变形智能监测仪通信设计3 6 4 4 1 通讯系统组成3 6 4 4 2 通信协议3 7 4 4 3 下位机通信3 8 4 4 4 上位机通信3 9 4 5 仪器定时测量功能设计4 2 4 6 本章小结4 4 第5 章大坝变形监测仪测试与分析4 5 5 1 大坝变形监测仪基本误差测试4 5 5 1 1 引张线仪基本误差测试4 5 5 1 2 静力水准仪基本误差测试4 7 5 1 3 垂线坐标仪基本误差测试4 8 5 2 大坝变形监测仪器高低温与稳定度测试4 9 5 2 1 大坝变形监测仪器高低温测试4 9 5 2 大坝变形监测仪稳定度测试。5 1 5 3 大坝变形监测仪工程应用5 2 5 4 本章小结5 3 总结与展望5 4 参考文献5 6 致 谢5 9 附录a 攻读学位期问发表的论文6 0 附录b 攻读学位期间参与的科研项目6 1 v i 硕上学位论文 附录c 部分原理图6 2 附录d 部分程序代码6 3 附录e 仪器实物图j 6 7 l 硕_ f 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 水库所拦蓄的水在正常使用时会带来巨大的经济效益和社会效益，但水库大 坝一旦溃堤，突然失控的洪水将给下游人民的生命财产带来巨大的损失。尽管水 库大坝在设计时考虑了一定的安全系数，但是由于设计中不可能对坝的实际运行 条件及承载能力作出非常准确的估计，施工质量也不可能完全得到保障，大坝在 运行过程中也可能发生一些不利的变化，所以国内外均有一些大坝出现失事的情 况。给相关国家带来了惨重的破坏和严重的经济损失，各国政府和坝工界开始对 大坝安全监测高度重视i lj 。 大坝安全监测主要是通过仪器对大坝坝体、坝肩、坝基、近坝区岸坡以及大 坝周围环境所作的测量以及观察。安全监测的主要目的是掌握大坝的工作状态， 为判断大坝安全状况提供必要的信息。大坝安全监测可以很好的获得大坝工作运 行状态的相关信息，对分析大坝的运行状况，进而发现大坝要发生的异常现象， 从而考虑相应的水库运行方式，保障大坝的安全运行。当大坝出现故障时也可以 采取维护措施。当大坝出现险情时可以提前疏散下游人民，从而减少人员伤亡。 对大坝进行安全监控是坝工建设和大坝运行管理中非常重要、不可或缺的+ 一项工 作。 大坝外部变形监测是大坝安全监测的重要内容，随着科学技术的进步和对变 形监测的要求的不断提高，变形监测技术也在不断地发展1 2 l 。在2 0 世纪8 0 年代 以前，变形监测主要是采用常规地面测量技术和某些特殊测量手段。常规地面测 量是采用经纬仪、测距仪、水准仪和全站仪等常规测量仪器测定点的变形值。目 前，垂直位移自动化监测有静力水准法和真空激光准直法，水平位移自动化监测 主要使用引张线法、真空激光准直法及垂线法；近年还出现了使用g p s ( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ) 或者全站仪实现垂直位移和水平位移监测自动化的方式【3 】i 在对大坝外形变形的监测中无论使用哪种方法，都必须符合精度要求。1 9 8 9 年颁布的混凝土大坝安全监测技术规范中规定，对混凝土坝的坝基倾斜度的 误差要求为1 ，坝体及坝基的垂直位移的误差要求为1 r a m 。对支墩坝、重力 坝的坝体水平位移监测误差为1 r a m ，而坝基为0 3 r a m 。这些规定对大坝的监 测工作提出了比较高的要求1 4 1 。 从对大坝变形监测的实际要求来看，上述的误差要求其实是很低的，实际监 基于c c d 技术的人坝变形智能监测仪设计与开发 测过程中要比上述要求更高一些，这无疑增加变形监测仪器的实际测量的难度。 随着c c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ) 技术、计算机图象处理技术的发展，相关技 术也应用到大坝变形监测仪中来。此类仪器测量精度高，具有较好的长期稳定性 与抗干扰能力，能在潮湿环境中有效的工作，可满足大部分工程实际监测的需求， 对提高大坝安全监测的可靠性有非常重要的意义。 1 2 国内外大坝监测的研究现状与发展趋势 为了尽早预测并防止大坝垮塌等事故的发生，对大坝进行监测是非常必要的。 长期以来，各国科学家对大坝安全监测技术的发展做出了巨大的努力，为大坝工 程安全实施积累了宝贵的经验。大坝监测首先要有完善、可靠、高精度的监测仪 器，获取观测数据。然后通过先进的理论和方法建立数学模型，对数据进行归纳 分析，进而对大坝安全状况进行评估预报。 1 大坝安全监测国外发展状况 上世纪2 0 年代以来，国际上相继出现了一些水库垮坝事件，这些事故引起了 坝工界和各国政府对大坝安全的高度重视，推动了大坝监测设备及方法的发展。 主要经历了两个阶段：第一阶段是原形观测阶段。监测工作只是对坝体进行监测， 主要是为了验证及发展大坝设计理论。随着使用钢筋混凝土建造大坝，设计中遇 到了诸如混凝土热力学特性，结构关系及计算方法等方面的技术问题。为解决这 些问题，发展了变形观测、温度观测和应力应变观测设备和方法。3 0 年代发展了 接缝和裂缝观测仪器。4 0 年代提高了正垂线的测量方法，5 0 年代改进了倾斜仪， 6 0 年代提出了垂线和引张线法用于位移的测量，大大提高了位移观测的精度。第 二阶段是大坝安全监测阶段。监测对象是大坝的坝体和坝基，从而实现大坝的安 全监测。6 0 年代后，随着晶体管问世，使得监测仪器实现了数字化、小型化、智 能化和遥测化。这些仪器的应用使得观测结果的准确度得到很大的提高。为后期 的数据分析处理提供了有效的依据。8 0 年代，随着微电子技术、控制技术和通信 技术的发展，出现了大坝监测自动化系统【5 1 。在监测数据的分析方法上，意大利 的法那林和葡萄牙的罗卡等人在1 9 5 5 年应用统计回归方法定量分析了大坝的变 形观测数据。1 9 7 7 年，在此基础上法那林等人年提出了混凝土坝变形的确定性模 型和混合模型。通过运用有限元计算，把理论计算值与实测数据有机结合起来， 有效地评估大坝的安全状况。前苏联和日本等国家也开展了不同方式的反演分析， 主要反演坝体材料的物理力学参数以及施工期的反馈分析。意大利的托尼尼运用 最小二乘法分析观测数据中的自变量和因变量，将其表示为函数关系，后来经过 改进，引进回归分析方法，从而为大坝安全监测提供了坚实的理论基础1 6 墙j 。 2 大坝安全监测国内发展状况 2 硕士学位论文 我国大坝安全监测起步于5 0 年代，8 0 年代末期实现了自动化遥测，9 0 年代 后随着电子技术，通信技术的不断引进，大坝安全监测技术得到了飞速发展，许 多已修建的大坝实现了自动化监测系统的更新改造，新建设的大坝更是采用了更 加先进的监测仪器和监控手段【9 j 。建国初期，我国开始在永定河上的官厅水库、 薄山等大型水库的土石坝上进行垂直沉降、水平位移、分层固结等项目的观测； 到6 0 年代初，我国已在大型土石坝中实施了孔隙水压力、减压井水位、渗流量、 渗水浑浊度和波浪等观测项目，并在混凝土坝中开始了挠度、倾斜、扬压力、渗 透压力、钢筋应力、渗流量、接缝开度等多方面的监测。近二十年来大坝安全监 测有了很大发展。大中型混凝土大坝以及大型土坝基本都安装了用于大坝安全的 监测设备，安排了专门人员常年进行观测。为了适应大坝监测工作的实际需要， 编制了试行的混凝土大坝安全监测技术规范等规章制度，同时为了适应大坝 监测工作发展，编制了观测资料分析和整编办法和观测技术手册等书， 出版了土石坝安全监测技术规范和水工建筑物观测工作手册等书籍【3 , 1 0 l ， 进一步加强了大坝安全监测工作，并取得了显著成绩。 3 大坝变形监测主要仪器及技术概况 大坝变形监测主要是监测大坝本身及局部位置随时间的变化情况，用来确定 测点在不同时刻的空间位置1 1 1 l 。本文重点研究大坝变形监测仪，下面给出大坝变 形监测的主要仪器及技术。 ( 1 ) 引张线仪及监测技术 引张线仪是用来测量坝体的水平位移的仪器。随着传感技术提高，引张线仪 发展到感应式和c c d 式引张线仪。其测量方便、精度较高、测量速度快、成本 低，在我国大坝安全监测中起着很重要的作用。早期安装在坝上的引张线仪，由 人工来读取标尺上的位移数据，这种方法的工作量很大，获取的数据的可靠性也 差。随着传感技术和电子技术的发展，国内已研制出步进电机光电跟踪式引张线 仪、电容感应式引张线仪、电磁感应式引张线仪和c c d 式引张线仪。 ( 2 ) 垂线坐标仪及监测技术 垂线坐标仪除可以进行大坝水平位移监测外，还可以进行绕度的监测。也已 发展到感应式垂线坐标仪与c c d 式垂线坐标仪。采用差动电容感应原理的传统 电容感应式垂线坐标仪，当被测对象在垂直方向有位移变化时，则差动电容比值 将相应的发生变化，通过测量此时的电容比进而测出垂直方向的位移。该类仪器 测量精度较高，技术较为先进，长期稳定性也较好。有些仪器成本低、防水性能 也很不错，现在广泛应用到大坝变形监测中。采用c c d 技术的垂线坐标仪，利 用测点在c c d 上的投影变化，应用数字图像处理技术，计算垂直方向的位移。 具有更高的测量精度、抗电磁干扰能力强，长期稳定性好，适用于环境较恶劣的 大坝。 3 基于c c d 技术的人坝变形智能髓测仪设计与开发 ( 3 ) 静力水准仪及监测技术 一一一一 静力水准仪用于大坝基础沉降、倾斜监测。要求测量仪器精度高、量程小、 长期测量性能稳定可靠，国内外在该领域都投入了较大的力量，开发出了技术先 进、性价比高的仪器。主要有步进马达式静力水准仪，高精度水管式静力水准仪 和钢弦式静力水准仪等。国内生产的电容感应式静力水准仪是与连通管配合使用 的，主要用于测量测点垂直位移。其中浮子式静力水准仪( 武汉地震所研制) ，其 利利用差动变压器式位移传感器测量测点的垂直位移，该类仪器的测量精度高， 稳定性好。 ( 4 ) 光纤传感监测仪器及技术 采用光纤技术的传感监测仪可以测量压力、位移、流量、温度以及液面等。 光导纤维是以不同折射率的石英玻璃包层及石英玻璃细芯组合而成的一种新型纤 维。它使光线的传播以全反射的形式进行，能将光曲折传递到所需要的任意空间。 自8 0 年代中后期美国、加拿大、德国、日本等国开始了将此种技术应用于测量领 域的理论研究，在大坝的裂缝、应力、应变和振动等观测上得到了应用。 ，5 ) 激光准直仪器及监测技术 激光准直监测仪器由发射端设备、真空管道、接受端设备、测点设备和真空 泵等组成。真空激光准直系统，是使用三点法激光准直与一套适用于大坝外部变 形监测的动态软连接真空管道相连接起来的系统1 12 1 。因为各个测量点仪器都放在 真空管道中，其受到外部温湿度的影响很小，从而提高了测量的精度。其可以测 量大坝的水平位移和垂直位移。但该设备也有局限性，其要求用于直线型、可通 视的环境，一般安装在水平廊道或直线坝的坝面，对于曲线坝、拱坝则无能为力。 ( 6 ) g p s 仪器及监测技术 g p s 接收机测量精度较高，体积较小，适合野外工作。该类仪器在潮湿、闷 热或严寒的环境下也能正常工作。g p s 卫星定位技术已经渗透到科学技术的许多 领域，其对测量界也产生了深刻影响。在国内已开始运用到混凝土坝和土石坝的 变形监测中，并取得了很好的监测效果。长江大坝在1 9 9 8 年8 月水库蓄水达百年 一遇的洪水水位，采用g p s 监测系统对其监测，系统一直安全可靠的运行。其能 够快速反映大坝在超高蓄水下的3 d 变形，抗干扰能力强、数据分析处理及时， 不仅实现了坝体的安全监测，也成功地实现了洪水错峰。但该技术也存在着缺点， 为了继续提高测量精度、同时扩大测量量程，还需要进行仪器硬件的改进和软件 解算算法的优化。 使用大坝外部变形监测仪器进行监测时，由于大坝现场环境条件相当恶劣， 要求仪器适应其环境，性能稳定、安全可靠。本文对各种变形监测仪器，从其工 作原理到实际应用效果，进行对比研究，认为c c d 光电式仪器具有较好的长期 稳定性与抗干扰能力，测量精度高，能满足不同工程实际情况的需求，是本文研 4 硕十学位论文 究的重点。 4 监测技术发展趋势 要实现大坝安全监测中采集的数据更加精确和可靠，监测系统提供更加有效 的预测结果，要求多学科的融合渗透。要将监测技术的发展与传感技术、精密仪 器、通讯技术相联系，实现监测的自动化和智能化。随着计算机、微电子、激光、 g p s 、空间技术、光纤传感、互连网和宽带等现代信息技术的飞速发展，对大坝 安全监测系统的自动化、集成化和智能化提供了很好的技术基础，必将使大坝安 全监测向自动化、一体化、数字化和智能化的方向发展1 1 3 1 。 1 3 作者的研究工作和论文主要研究内容 1 作者的主要研究工作 本课题来源于湖南大学与湖南远程电子有限公司合作开发项目“大坝远程监 控技术及应用 。作者主要承担用于大坝外部变形监测仪的研制，主要是引张线 仪，垂线坐标仪和静力水准仪的硬件开发和下位机软件设计任务。变形监测仪器 的开发主要参考电力行业标准1 1 4 。1 6 】的相关要求。 2 论文的主要结构和内容 本文的结构安排如下： 第1 章绪论。主要介绍课题的选题背景、课题研究的意义和本文的主要研究 工作。介绍了国内外大坝监测的研究现状和发展趋势。 第2 章大坝变形监测方法及相关技术。阐述了大坝变形监测的分析方法，重 点讲解了仪器用于位移监测的c c d 技术，给出了仪器设计的总体思路。 第3 章大坝变形监测仪总体结构及硬件设计。详细介绍了仪器的机械结构、 光学系统及硬件设计总体思路，给出了硬件系统结构框图，详细分析了各部分功 能电路。 第4 章大坝变形监测仪软件设计及实现。重点阐述了变形监测仪的软件功能 及实现流程。 第5 章大坝变形监测仪测试与分析。对研制的仪器进行各种功能测试，基本 误差测试，稳定度测试等，并对发现的问题进行改进。 最后进行了工作总结和展望。 5 基于c c d 技术的大坝变形智能监测仪设计j 开发 第2 章大坝变形监测方法及相关技术 大坝变形监测对大坝运行状况的评估和预测有非常重要的作用，现在已经有 多种用于大坝变形的监测方法。选择合适的监测方法和技术对监测仪器的设计有 非常重要的作用。 2 1 大坝变形监测方法 大坝变形监测分为：水平位移监测、垂直位移监测、三维位移监测、倾斜监 测和挠度监测等。下面重点讲解水平位移和垂直位移的监测方法。 2 1 1 水平位移监测方法 水平位移监测方法有引张线法，视准线法，精密导线法，激光准直法，正、 倒垂线法和前方交会法等1 1 0 , 1 - 1 8 1 。 1 引张线法 引张线法是采用一条直径0 6 1 2 r a m 的不锈钢钢丝，在钢丝的两端施加牵引 力，使钢丝在水平面上的投影为一条直线。把此钢丝作为基准线，测量被测点相 对于该钢丝的相对位移。此方法的特点是：成本比较低，操作过程方便，数据测 量的精度较高( 主要取决于读数精度) 。人工测量读数精度一般为o 2 m m , - 一 0 3 m m ，采用相应设备自动测量精度高于0 1 r a m 。最新的引张线测量仪器采用 线阵c c d 传感器用于测量，其量程有1 0 r a m 、3 0 r a m 和5 0 m m ，精度高于0 1 r a m 。 2 视准线法 视准线法是以两固定点间经纬仪的视线作为基准线，测量变形观测点到基准 线问的距离，从而确定偏离值的方法。视准线法常用对直线型大坝水平位移的测 量，而对于非直线型的大坝，可以采用分段的方式，逐段进行视准线法的测量。 视准线法的工程造价较低，但视准线法的精度低，而且很难实现自动化的测量方 式，该方法受外界环境的影响也很大，测量的位移点的位移量不能超出指定的最 大偏移值，否则无法进行准确的测量。可以通过选用高精度全站仪，改进测量技 术和操作方法来提高视准线法测量精度及其自动化程度。 3 精密导线法 精密导线测量法是测量拱形坝水平位移的有效方法。精密导线测量法量边的 工作量较大，测量角度容易受到旁折光线的影响。可放置测高直伸环形网，类似 6 硕上学位论文 于应用在高能物理加速器工程中的环形网，从而解决这些问题。精密导线测量法 的精度取决于测量边的精度，如果使用铟钢线尺进行测量，可使测量精度达到亚 毫米级。 4 激光准直法 激光准直法根据激光的单色性好和方向性强的特点，建立一条物理的基准线。 根据测量原理的不同可分为直接准直和衍射法准直。衍射法准直的测量精度一般 高于直接准直的精度。对于衍射法准直根据其传播介质的不同有大气激光准直与 真空激光准直。 ( 1 ) 大气激光准直 大气激光准直法通过使用激光直接在大气中传播建立测量时的基准线。该方 法应用的测量对象通常是大坝高度较低且大坝长度小于3 0 0m 的大坝。因为受大 气折射与湍流的影响，大气激光准直法会导致激光光束的抖动，因此这种方法的 测量精度较低，不易实现自动化的测量。 ( 2 ) 真空激光准直 真空激光准直法为了减少光束的折射以及抖动误差，将波带板激光准直系统 放置在一个真空管道中。真空激光准直精度可达亚毫米级，该测量方法主要用于 长坝以及高坝的变形监测中。为了使激光准直法的应用领域更加广泛，可以采用 真空激光转角的方式，使该方法也可应用到曲线形的大坝外部变形的监测中去。 5 正、倒垂线法 采用正垂线法是将被测线体的一端固定于大坝的坝顶，而另一端用于悬挂重 锤，可以测量大坝坝体各点间，以及坝体相对于坝基的位移变化情况，同时实现 了对大坝坝体的挠度测量。采用倒垂线法是将被测线体的一端埋设在大坝的深层 基础岩石处，而另一端悬浮起来从而测量大坝坝体的相对位移变化情况。最近研 制的垂线坐标观测仪主要采用c c d 技术，在此基础上实现了自动化的测量。使 得对大坝x 与y 方向上的位移变化值检测精度均可高于0 1 m m 。总体而言正、 倒垂线既可以用于大坝变形水平位移的监测，也可以实现大坝的挠度测量。 6 前方交会法 在已建成的拱坝下游面，各种水工建筑物的施工阶段以及拱冠等观测效率较 低况且测量时不易直接达到的部位，可以使用测角、测边或者边角前方交会法测 量其水平位移【1 0 l 。采用前方交会法测边时因为受图形的结构、测角的误差、交会 角和基线的长度加上环境条件变化等方面因素的影响，导致测量精度较低，通常 仅为+ ( 1 - - 。3 ) m m 。除此之外前方交会法的测量工作量也很大，计算过程也很复杂， 因此不能单独采用此方法，而是常常配合其他方法使用，或者作为备用手段使用。 7 基于c c d 技术的人坝变形智能精测仪设计与开发 2 1 2 垂直位移监测 大坝垂直位移监测的方法主要有几何水准法和流体静力水准法即连通管法 等，下面进行详细讲解。 1 几何水准法 几何水准法是测量大坝垂直位移的主要测量方法，该方法的测量精度符合大 坝变形监测的相关要求，如何实现自动化测量是其要解决的问题。该方法测量的 主要过程为：由水准基准点校测各各工作基点，对混凝土大坝用一等水准测量， 对土坝用二等水准测量；使用工作基点测量各各变形位置，较上述要求精度可降 低一个等级【1 0 】。目前，采用具有自动采集并储存数据的电子水准仪已在工程中得 到应用，该电子水准仪的测量精度可达( 0 3 - 0 4 ) m m ，工作效率也很高。 2 流体静力水准法 流体静力水准法主要使用在大坝垂直位移的监测中，其测量原理是连通管原 理。此方法除了可以实现测量的自动化功能以外，还大大提高了测量精度。下面 以两个测点为例( 点1 为基准点，点2 为测点) ，讨论连通器原理。根据液体静力 平衡方程可以得出【1 9 】： 日+ n 9 1 h 1 。只+ p 2 9 2 h 2 ( 2 1 ) 式2 1 中：p 为液体密度，p 为大气压， 日为连通管最低点与液面之间的高 度。一般情况下两容器的距离较近，可以认为置等于，g 。等于g ：，这时可得： 肛qa 肫2 ( 2 2 ) 假使连通器装的液体密度相同，即n ；见，则可得h 1 ；日：，这时两容器中的 液体表面会处在同一水平面上。 初始状态时刻，各测量点安装位置相对于基准高度为风之间的距离为。与 。测量点安装位置与液面之间的距离为风。和h 舵。于是可得： y o l + h 0 1 = y 0 2 + 日0 2( 2 3 ) 当测试点发生不均匀沉降后，设各测试点安装位置相对于基准高度日。的变化 量分别为崛，与崛：，可得液体静力平衡时： ( y 。，+ 蝇1 ) + 马l - ( y 吃+ 崛2 ) + 鼠2 ( 2 4 ) 则第i 次测量点2 相对于基准点l 的相对沉降量胡2 。可表示为啦：一崛。，所 以由( 2 3 ) 和( 2 4 ) 式可得： 日：1 一俾i 2 - h 0 2 ) 一( e 。- h o 。) ( 2 5 ) 由此可知测量点2 相对于基准点1 的相对沉降量可以表示为2 号容器液面的 变化量相对于基准点液面变化量的差值。因此，可以用传感器测量出各个容器初 始状态时的液面值，以及各个容器产生的不均匀沉降时得到的液面差值，就可以 算出测量点2 相对于基准点1 的相对沉降量。当有n 个测点时沉降的计算的方法 8 硕i j 学位论文 与此相似。 2 2c c d 传感器 根据2 1 节对各种大坝变形监测方法的讲解，通过分析比较，本文采用c c d 技术进行大坝主要变形监测设备的研制。c c d 的突出特点在于它是以电荷为信号 的，c c d 的基本功能是实现电荷的存贮和电荷的转移。所以c c d 的基本工作原 理是电荷的产生、存贮、传输以及信号检测1 2 们。 从结构上讲c c d