水平位移测量（精选5篇）
水平位移测量 篇1
摘要：研究高速线性CCD动态位移测量技术, CCD具有测量的高精度、速度快、无接触性等优点, 有广阔的发展前景。对于LS-7000系列产品在位移测量方面的应用做了详细介绍, 对CCD的认识有更深层次的了解。
关键词：线性CCD,位移测量
随着各种信息技术的不断发展, 人类社会进入一个前所未有的信息时代, 人们不满足于传统的测量方法和测量精度, 希望得到更精确、更准确的数据。位移测量在检测技术中应用十分普遍并有实际应用价值。而利用CCD测量具有无接触、准确度高、便于计算机处理、易于和自动控制设备连接等一系列的优点。近年来, CCD技术在航空航天、卫星侦察、遥感遥测、光学图像处理等领域得到了广泛应用。伴随着CCD技术的迅猛发展和CCD应用的日益广泛, 对于CCD的教学研究有了重要的意义。
本论文使用了KEYENCE公司生产的LS-7000系列产品, 该系列产品是一款高速、高精度的数字测微计, 无需接触目标即可对其尺寸进行测量。其使用范围和优越性是现在的机械式、光学式、电磁式测量仪器所无法比拟的。在工业和国防等领域中, 可用于自动超高精度测量、自动精确定位、计算机视觉等方面。
1 LS-7000测量原理
本论文以LS-7000系列产品来介绍CCD测量的工作原理:高亮度Ga N绿色LED辐射光能够通过专用的散射模组和准直仪镜头变成均匀的平行光, 并照射到测量范围内的目标物上。然后目标物的影像即通过远心光学系统实现在HL-CCD (高速线性CCD) 上。HL-CCD (高速线性) 的输出入射信号将由控制器中的DE (数字边缘检测) 处理器和CPU进行处理。因此, 在这种情况下, 目标物的尺寸规格或者位移就可以被显示和输出。其原理如图1所示。
2 LS-7000产品特性
(1) 2 400次/s的高速采样:可以确保达到2倍于普通型号的采样速度。这样就可以挤压制品进行连续的测量以及对运动工件进行联机测试。
(2) 高精度:配备最新的光学系统, 确保2倍于普通型号的精度, 从而为高精度产品的制造提供有力的支持。
(3) 2个测量头同步测量:结合实际情况, 可应用2个测量头对2 个目标物进行同步测量。
(4) 透明目标物的稳定测量:DE处理器支持更改功能, 可对透明目标物进行稳定测量。
3 具体的实现
对于使用LS-7000系列产品进行位移的测量, 可以使用3种方法来实现:可以通过控制面板上的按键手动控制;可以通过短接控制器后面板上的定时输入端子和COM端子来控制;外部设备可以通过RS-232C接口发送的指令来控制。为了对所测量的数据进行存储、处理和分析, 本论文使用PC通过RS-232来发送指令和检索控制值或测量值。
3.1 系统外围线路的连接
PC通过专用的OP-35382电缆 (带D型9针插头) 或OP-25253电缆 (带D行9针插头) 连接到控制器, 用电缆把测量头与控制器后面的HEAD1插座连接在一起。这样PC端可以通过发送指令进行程序和环境的初始化设置、区域设置、功能输出选择设置、校准设置、测量模式的设置、模拟输出设置、比较器输出设置、公差设置等。其中连接原理如图2所示。
3.2 功能设置说明
本论文要进行的物体位移测量的设置包括:在区域选择中, 根据LS-7000系列产品在各种用途测量的特征, SEG (片断) 模式满足现实需求, 而我们要求的重复精度比较高, 则选择边缘0方式, 使用这种方式可以定位目标物或者测量目标物的位移或偏差。其原理图如图3所示。
在测量过程中, 由于目标物的表面状况和角度的原因, 目标物的测量物可能存在微小的误差, 所以经常需要进行校准设置。本论文选择的是单点校准, 将目标物作为单一测量点, 可以基于校准前的显示值和校准后的显示值对这个点进行校准。
在测量模式选择中, 本论文选择自动定时保持, 该测量模式无需外部定时输入即可显示并输出测量值, 自动定时可以在1～9 999 ms之间调整。系统在自动定时保持操作中可以检测到位于光轴的目标物, 然后在特定时间段 (自动定时周期) 开始采集, 当系统确认认定数目边缘而目标物不是在这时进入光轴, 就可以检测光轴中的目标物。则系统在自动定时保持模式时, 都处于测量操作中。其工作时序图如图4所示。
3.3 程序的设计
LS-7000系列从外部设备接受到指令后, 就要对收到的命令做出响应, 并将响应返回给外部设备。编写控制程序时, 要确保该程序能使外部设备在确认LS-7000系列响应后再发下一条指令。
LS-7030控制器的控制程序设置:
SD, HE, 1, 1cr//指令设置区域1, 测量头1
SD, AR, 1, 3cr//指令设置区域1, 测量模式为SEG (片段) 模式
SD, SE, 1, 0000E, 0000Ecr//边缘0模式
SD, AT, 1, OFF//设置区域检查关
SD, CA, 1, 1cr//设置OUT1输出, 计算系数1
SD, ME, 1, 10//设置OUT1自动定时输出
SD, TM, 1, 1000//设置每1S OUT1输出
SD, AU, 1, 05cr//设置OUT1输出, 换算比例为50输出
SD, UP, 1, +0900000cr//设置基准值模式上限
SD, LW, 1, +0010000cr//设置基准值模式下限
SD, JO, 1, 22//OUT1输出, 上限保持数据删除开
LS-7030控制器的测量控制程序设置:
M0, 0cr//设置OUT1输出, 输出的类型为测量值
L1, 0cr//设置OUT1输出, 定时输出的类型为测量值
H1cr//打开定时输入
H1cr//关闭定时输入
V1cr//自动置零OUT1开
W1cr//自动置零OUT1关
PW, vcr//选择程序编号V表示程序编号0～9, A～F
PRcr//检查当前的程序编号
PL, 0cr//用来设定面板锁定
LS, 1cr//用来使FOCUS输出状态
PC端的程序设计实现:
设计原理:通过RS-232串口, PC机发送指令, 初始化控制器, 设置控制器的各种状态和工作环境, 然后开启控制器, 把所测的数据通过指令传送到PC端, 由于PC端和控制器端传送的数据是通过特定的协议传输的, 所以要在PC端进行数据处理, 才能得到正确的数据。
实现:在本论文中采用VC来开发PC端的应用程序, 使用MSComm通信控件方便实现PC与控制器的通讯。MSComm控件是对底层串口API函数的封装, MSComm在串口编程时非常方便, 程序员不必花时间去了解复杂的API函数, 为应用程序提供了通过串口收发数据的简单方法。在处理通信方式中, 提供了2种工作方法:一种是事件驱动方法;一种是查询方法。本论文采用的是事件驱动方法。
4 结语
本论文的基于CCD测量位移的简单应用基本上可以满足实验室的要求, 对于动态的远距离位移测量, 连续的测量数据处理方面有一定的缺陷, 需要在以后的工作和学习中进一步的探讨。
参考文献
[1]陈玉萍.远程位移测量技术的研究[D]:[硕士学位论文].上海:同济大学物理系, 1999.1
[2]友清.科学CCD的过去、现状和未来.激光与光电子学进展, 1995 (10) :8～10, 37
[3]何树荣, 张乐, 鲍鹏.采用单线阵CCD测量工作台二维位移的研究.光学技术, 2003 (11)
水平位移测量 篇2
摘 要：近年来，脊髓损伤的发病率逐年上升，受病人群越来越年轻化，且难以治愈，需要进行大量的临床试验对脊髓损伤的药物进行研究和测试，所以如何制备大量的，标准化的脊髓损伤模型就显得尤为重要。本文针对脊髓打击器中的脊髓打击平台，设计了一种移动平台及其定位方法，利用绝对编码器每一个位置都对应唯一的格雷码输出和断电记忆等功能，通过PLC编程技术，实现了移动平台位置的定位和测量并通过触摸屏实时显示。
关键词：绝对编码器；触摸屏；定位；脊髓打击装置
中图分类号：TP311.52
近年来，脊髓损伤由于受病面广，难以治愈而受到医学界的广泛关注[1]，由于市面上大部分脊髓打击器只能一维移动，即打击锤的上下移动，在制备动物脊髓损伤模型时，经常会出现由于打击锤难以精准的打击在暴露的脊髓部分，而造成大量脊髓损伤模型废弃的现象，这给实验研究和资源利用造成了巨大的损失和浪费。本文介绍了一种打击平台可移动，可定位的设计方法，通过触摸屏对移动平台位置的设定和实时显示，使脊髓打击更加精准化。
1 系统工作原理及硬件设计
该平台移动系统主要包括一个二维移动平台，平台采用钢制材料，总长29cm，宽33.7cm，高52cm[1]，在两台步进电机的带动下，可左右（X方向）和前后（Y方向）两个方向移动，分别由两台128A高细分步进电机驱动器驱动。系统中采用Proface的AST3501W-T1-D24触摸屏，在触摸屏上绘制相应按钮和输入框，可输入平台将要移动的位移和方向，同时也可以实时显示平台当前的位置信息（相对于坐标原点的位移和方向）。传感器选择光洋TRD-NA1024NW-2302型10位数字量输出绝对编码器，具有位置唯一，断电记忆，干扰小等功能，X、Y两个方向都使用编码器的高8位，通过上拉电阻接入PLC的数字量输入模块，图1所示为X方向绝对编码器与PLC的硬件接线图。
系统中两台电机和触摸屏均由西门子S7-300控制。通过对S7-300的编程，利用程序块SFB3发出脉冲，同时利用绝对编码器做成闭环系统，达到位移定位和实时显示的目的。图2为PLC通过步进电机驱动器对X，Y两个方向的步进电机控制的原理图。
2 软件设计
本系统采用Simatic Manager软件对西门子PLC S7-300进行编程，整个程序主要包含一个主程序和三个子程序。主程序即PLC对两台步进电机，编码器和触摸屏的控制；子程序分别为：编码器格雷码和二进制码的转换；步进电机转动方向的判别和相应位移下SFB3所需要发出的脉冲数量；编码器转动圈数和平台移动位移的计算。
2.1 主程序设计
按下系统总开关并选择运动方式（同步或分步）后，在触摸屏相应的位移框内输入需要移动的位移和方向，点击“运动执行”按钮后，PLC迅速运算行至相应位置所需发射的脉冲数，然后步进电机带动平台移动，同时绝对编码器实时监测位置信息并反馈到触摸屏上，当编码器检测到平台到达设定的位移后，PLC停止发射脉冲，电机停止运动，平台定位成功。
2.2 子程序设计
2.2.1 格雷码到二进制码的转换
本系统中所使用的绝对编码器输出的信号为格雷码，难以被控制器读取和控制，需要将格雷码转化为二进制码。程序中，首先将通过上拉电阻进入PLC S7-300的格雷码作取反处理，第一位保持不变，之后的每一位格雷码与上一位得出的二进制码抑或，即得到转化后的二进制码。
2.2.2 在不同的运动方式中，对输入的方向和位移进行判断和计算
系统中所使用的两台步进电机的步距角都为1.8度，丝杠导程都为2毫米，即步进电机每转动一圈需要SFB3发出200个脉冲，从而得出X、Y两轴SFB3发出的脉冲数和平台移动位移的比为100，将设定的位移乘以100，就可以得到PLC的SFB3程序快需要发出的脉冲的数量。
2.2.3 反馈环节中，编码器对位置信息的实时监测
系统中所使用的光洋TRD-NA1024NW-2302型10位数字量输出绝对编码器为单圈绝对编码器，并不具备多圈绝对编码器的功能，无法仅仅依靠机械结构实现较长距离的绝对位置测量，所以此处利用了西门子S7-300中具有记忆存储功能的寄存器，对编码器旋转的圈数n按照正向旋转加1，反向旋转减1进行记忆，把累计的位移值作为平台的当前值并显示在触摸屏上。选择具有存储记忆功能的寄存器主要是防止系统断电后，位置信息的丢失和错乱。
3 结束语
根据医学研究中脊髓打击器当前面临的打击精度不准确现象，设计的可定位和进行当前位置检测的移动平台，采用西门子S7-300作為主控制器，通过单圈绝对值编码器检测技术和S7-300具有记忆存储功能的寄存器的联合应用，辅以友好的人机界面——Proface触摸屏，实现打击平台的准确定位和位置信息的实时显示。实验证明，该系统可以应用于脊髓打击器中，以提高打击标本的合格率。
参考文献：
[1]张倩，脊髓致伤力测量系统的研制[D].北方工业大学，2012.
[2]Allen AR. Surgery of experimental lesions of spinal cord equivalent to crush injury of fracture dislocation. Preliminary Report . JAMA， 1911（57）：878-880.
[3]赵建滨，魏玉屏.一种致动物脊髓损伤模型的简易装置[J].山西医学院学报，1995（01）：72-73.
[4]夏永智，林江凯，冯华.啮齿类动物脊髓损伤模型的研究现状[J].创伤外科杂志，2006（02）：189-191.
作者简介：葛霜（1989.12-），女，北京人，硕士研究生，研究方向：脊髓打击器设计；崔鑫（1990.02-），男，北京人，工程师，助理工程师，本科，研究方向：工程控制。
作者单位：北方工业大学 电气与控制工程学院，北京 100144；北京七星华创电子股份有限公司，北京 100016
水平位移测量 篇3
压电陶瓷在外电场作用下,会产生机械变形,这种现象称为逆压电效应[1]。压电陶瓷双晶片是由两片形状大小完全相同的压电陶瓷片对称粘贴在弹性梁的两侧,或直接粘贴在一起而形成的,压电双晶片是一种应用很广的压电元件,其突出优点是单位电压所产生的变形量大;它利用逆压电效应将电能转换为机械能,可以通过一个电信号而非机械量输入来产生所需的运动或位移,可以实现机电隔离[2],并且它还不受温度、振荡等外界环境的影响。
在图1(1)所示的复合圆盘结构中,上下两片压电陶瓷片方向相同极性相反,如果中间金属电极四周固支,则在外电场的作用下,上下两片压电陶瓷在横向方向上会一个伸长一个缩短,二者所产生的差动作用将使整个复合圆盘产生向上或向下(根据电压的极性不同)的弯曲变形,如图1(2)所示,压电复合圆盘是一种理想的微位移系统驱动元件。
压电复合圆盘的尖端位移对外加电压非常灵敏,二者基本成线性关系。对于其微位移的测量,传统的方法是静态法,即在不受夹持的压电晶片(保持应力为零)x方向上粘贴应变片,测量晶片z方向施加某一静电压U时的应变,事实上压电晶片在通常电压作用下的变形非常小(通常量级为10-6m),很难测量准确,而且这种方法对应变片的粘贴要求非常高,所以现在很少使用静态法[3]。本文介绍了一种非接触的测量方法,可以动态的测量和跟踪压电复合圆盘随外加电压变化而产生的尖端位移的变化。
2 位移测量装置
2.1 位移传感器的选择
位移传感器选择S T-1型电涡流传感器,电涡流传感器是以高频电涡流效应为原理的非接触式位移、振动传感器,可对进入其测量范围内的金属物体的运动进行精密地非接触测量。广泛应用于对大型旋转机械的轴的径向振动、轴向位移、轴转速、胀差、偏心、油膜厚度等进行在线测量和自动控制以及转子动力学研究和零件尺寸检验方面[4],并且还在不断扩展。
2.2 电涡流计标定
在使用电涡流计测量位移之前应先对其进行标定,电涡流计对不同金属的灵敏度不同,其标定实验装置如图2(1)所示,把表面涂有银电极的压电片粘贴在螺旋测微仪的顶端,随着螺旋测微仪的精确定位,记录传感器对应的输出电压值。每一组参数都重复实验6次,取其测量电压平均值,测得位移与输出电压的对应关系数据如表1所示,去掉实验坏点,用最小二乘法拟合出输出电压——位移的拟合直线,其拟和方程为V=-9.5953δ-1.1047,取V-δ拟合直线中线性较好的部分,就是电涡流计对压电陶瓷银电极敏感区域为图中拟合直线的最佳区域,如图2(2)所示。被测元件与电涡流计探头之间的间隙在0.500~0.900mm之间,输出电压在-7 V左右。
2.3 压电复合圆盘位移动态测量装置
压电复合圆盘位移的动态测量装置如图3所示,将压电复合圆盘四周固支,调整电涡流计探头与复合圆盘的初时位置,使其处于最佳间距,即电涡流计的输出电压为-7V,这样可以使电涡流计工作在特性最佳的区域。
给压电复合圆盘施加外加电压,它就会产生相应的位移。由电涡流计实时采集位移信号,输出相应的电压信号,通过数据采集卡输送到微机中,经数据采集程序进行数据处理(此程序可用V B或V C语言来编写),将电涡流计输出的电压信号代入其对银电极的标定曲线方程V=-9.6839δ-1.0595,反求,即可得到位移信号的大小,并可实时输出位移信号曲线。
3 方波电压位移的动态测量试验
在图3所示实验装置上,以压电复合圆盘结构参数分别为压电片直径4 0 m m、压电片厚度0.2 m m、中间铜电极厚度0.2 m m的复合圆盘为样片,给其施加一频率为20Hz,电压幅值为±20V的方波电压,得到其外加电压与输出位移对比曲线如图4所示。由图可知,在施加循环电压时,压电复合圆盘的位移严格跟随电压变化,发生了形变,由此可知,本测量系统可以实时跟踪压电复合圆盘的位移变化。
4 结束语
(1)提出了一种非接触、动态测量压电复合圆盘位移的方法,利用电涡流计和数据采集卡可实时采集压电复合圆盘随外加电压所产生的位移信号,分辨力可达1um,并可实时输出位移曲线。
(2)对压电陶瓷复合圆盘在方波电压作用下产生的位移进行了精确测量,试验表明,压电复合圆盘在外加电压的作用下实时发生了形变,而且其形变能够严格跟随电压的变化而变化。
(3)通过实验可知,在压电复合圆盘尺寸参数为压电复合圆盘直径40mm,厚度0.2mm,中间铜电极厚度0.2 m m时,其位移对外加电压的灵敏度大约为0.5um/V。
摘要：压电复合圆盘在施加外加电压时会因为逆压电效应而产生位移,是一种理想的微执行器驱动元件。本文介绍了一种测量其尖端微位移的动态测量方法,本方法以ST-1型电涡流计作为位移传感器,用微机和数据采集卡来进行实时采集和处理数据;详细阐述了电涡流传感器的使用方法和使用过程,给出了测量实例。试验证明本方法可以准确快速的测量压电复合圆盘随电压的变化而产生的位移变化。
关键词：压电复合圆盘,微位移测量,电涡流传感器
参考文献
[1]张福学,王丽坤.现代压电学[M].北京:科学出版社,2001.
[2]叶会英,浦昭邦.一种由压电双晶片测量压电材料参数的动态模型[J].宇航计测技术,2000,20(4):11-17.
[3]陈伟民,李敏.用动态位移响应测量压电常数的方法.压电与声光[J].2001,23(4):323-325.
水平位移测量 篇4
摘 要：与传统检测技术相比，光纤传感可实现多点串联甚至全分布式连续测点，具有长期稳定性好、无零漂、不受电磁干扰等优点，因此在很大程度上弥补了传统监测技术的不足。结合实际基坑变形监测工程，通过与传统的观测方法获取的数据进行对比分析，证明了該技术在基坑变形监测中的可行性和有效性。
关键词：光纤测试技术;建筑基坑;变形监测
1 概述
在传统的建筑基坑变形监测工程中，各种埋入式的岩土监测仪器，如测斜仪、伸长仪、沉降仪、倾斜仪等，通常采用的振弦式、电阻式、电感式等形式的传感器，存在着精度低、耐久性差、易受环境影响、易受电磁干扰、成活率低等缺陷。与传统检测技术相比，光纤传感可实现多点串联甚至全分布式连续测点，具有长期稳定性好、无零漂、不受电磁干扰等优点，因此在很大程度上弥补了传统监测技术的不足，从而在地基基础工程检测和监测中得到越来越广泛的应用，作用越来越重要。因光纤光栅传感器具有尺寸小、质量小、抗电磁干扰、防水防潮、耐腐蚀、动态响应快、灵敏度高、易实现多点及网络化传感等优点，已广泛应用于科学研究和实际工程中，尤其是在应变测量领域得到了更为广泛的应用。
2 分布式光纤感测技术在护坡桩体深层水平位移监测中的应用工作原理
在护坡桩钢筋笼主筋上对称绑扎固定一组对称的应变感测光缆，并将光缆布设的截面方面垂直于基坑走向。通过分布式光纤应变检测技术（BOTDR）即可探测到桩身不同方位的桩身应变分布，当桩身受侧向土压力作用而发生弯曲变形后，桩身的迎土面和背土面发生拉、压应变，其拉压应变可以通过预埋在其中的传感光纤测得。
图1 桩体水平变形受力示意图
设ε1（z）和ε2（z）分别为对称分布的两条传感光纤在深度z处的应变测试值，则轴向压缩应变ε（z）和弯曲应变εm（z）值分别为：
εm（z）= （1）
ε（z）= （2）
桩身的弯曲应变大小与局部弯曲曲率成正比关系，根据弯曲应变及桩身形态参数可推算出桩身弯曲曲率：
εm（z）= （3）
桩在发生水平挠曲后，假设深埋的桩端不发生位移，桩身各埋深点水平向位移v（z）可表示为：
v（z）=dzdz+mz+n（4）
其中m、n为待定系数，根据桩体变形的边界条件确定。在本次监测中边界条件为：
v（z）z=0=0
v（z）z=26=0 （5）
对于护坡桩，H为桩长，εm（z）为对称的两条光纤在同一深度光纤应变测试之差，y（z）即为感测光缆到中性面的距离。从式（4）中将差异应变沿着桩身路径两次积分，再根据（5）式中的边界条件，即可得到桩身的每一点水平变形位移量。
3 工程试验及监测数据处理
3.1 工程概况
试验基坑等级为一级，基坑支护采用护坡桩加锚杆的支护方式，开挖深度约21m，选择了基坑南北侧2个监测点同时采用测斜法与全分布式光纤感测技术进行了监测对比试验。试验选用了钢绳式应变感测光缆（NZS-C05）。该光缆直径为5.0mm，抗拉强度大于1400N，顺直性好。试验利用光纤应变分析仪，实现了对植入到护坡桩内光纤的应变解调，进而反向计算出护坡桩内部不同深度位置的变形位移、内力变化等大小。
3.2 数据处理
用EXCEL软件打开各期对应光缆测线的应变数据文件，统一整合到一个EXCEL表格中。将整合的数据导入到ORIGIN软件中，平通过测试数据对齐、有效测试数据截取、截取数据滤波平滑处理和光纤数据温度补偿处理4个步骤的处理后，根据上述理论方法，利用公式（1）～（5），先对平移后的光缆数据进行对称处理，一一对应上桩身两侧，将对应的桩身数据进行两两做差处理。将处理好的数据，导入到ORIGIN中，结合ORIGIN软件的特点进行运算即可得到，桩体深层水平位移量变化曲线（如下图所示）。
图2
4 试验监测数据成果对比与综合分析
4.1绝对位移量对比分析
①B1#点的各期次绝对位移量较差最大值分别为4.27mm、4.92mm、3.19mm、7.12mm，B2#点的各期次绝对位移量较差最大值分别为3.08mm、3.00mm、6.87mm、8.85mm，两点的位移量最大较差均发生在最后一次，对应观测日期2月25日，相对应的桩体位置为桩的顶部，时值春节后气温逐渐变暖、地表开始融化解冻，说明外界气温变化对分布式光纤（BOTDR）监测法采集的数据有较大影响，温度应变引起的误差较大，温度补偿计算模型还不够准确。
②在两个监测点共8次观测成果中，各期次绝对位移量较差最大值≥5mm的有3次，占38%，较差最大值为3～5mm的有4次，占50%，较差最大值≤3mm的有1次，占12%;B1#点的各期次绝对位移量较差平均值分别为6.16mm、1.88mm、0.02mm、-0.60mm，B2#点的各期次绝对位移量较差平均值分别为1.03mm、-0.45mm、1.85mm、3.06mm，较差平均值≥5mm的有1次，占12%，较差平均值为3～5mm的有1次，占12%，较差平均值≤3mm的有6次，占76%，说明采用分布式光纤（BOTDR）法监测成果数据多数较为稳定，无异常跳动现象，大部分已接近于测斜法得到的单期次绝对位移量。
③按照误差传播定律理论，桩体深层水平位移监测得出的位移量均以护坡桩最底部端点作为稳定的基点进行计算得到，测斜法是以各期次每隔0.5m观测读取对应深度相对基点的偏移量并将相邻期次偏移量求差值而得到每期次的位移量，因而相对桩底基点，桩顶部即测斜管管口位置应是测量最弱点，以测斜仪的标称精度0.25mm/0.5m作为标准中误差、桩长22.5m进行推算，桩顶部相对基点的偏移量测量中误差为1.68mm，若以2倍测量中误差（3.36mm）作为极限误差，即可认为采用光纤（BOTDR）法得到的监测成果与测斜法较差≤3mm时，则可以接受。
4.2 相对位移量对比分析
对相對位移量较差数据进行简单统计分析，同样可以得出：B1#点的相邻两期次间的相对位移量较差最大值分别为5.10mm、4.28mm、3.93mm，较差平均值分别为-1.72mm、1.86mm、0.63mm;B2#点的相邻两期次间的相对位移量较差最大值分别为3.62mm、6.36mm、3.78mm，较差平均值分别为-1.49mm、2.30mm、1.21mm;两点相对位移量较差最大值分别为5.10mm、6.36mm，较差平均值均已<3mm，由相对位移量的较差平均值再次验证了分布式光纤（BOTDR）法监测成果数据大部分与测斜法相接近。
5 结语
由以上两点采用不同监测方法得到的不同深度的绝对位移量和相邻两期次间的相对位移量比较结果可看出：少部分监测成果相差较大，测斜仪方法数据与光纤法测试数据存在一定偏差。原因主要有两方面：两种不同监测仪器测试得到数据本身具有系统性误差，该误差暂时无法消除，对测试结果造成影响;光纤法中光纤传感器同时对桩身弯曲变形和环境温度同时感应敏感，而布设安装的温度补偿光纤同时受到温度和较小的弯曲应变影响，并未能发挥良好的温度补偿效应。在对光纤数据进行处理时，以上两部分误差无法消除，造成了计算得到的桩身位移曲线与测斜仪方法测试得到位移数据存在较大偏差。
尽管温度变化对光纤BOTDR法监测有较大的影响，但也有测斜法所不具备的优势，如光纤BOTDR法监测采集的数据密度大、不受光纤长度限制、易实现网络在线自动化监测等，在许多监测领域都值得探索运用，特别是超高层建筑结构的后期健康安全监测、大型水利设施安全监测、山体滑坡、大面积沉陷区域变形等工程中进行尝试，同时采用多种监测手段互相进行验证。
参考文献：
[1]聂俊，李端有，梁俊.基于BOTDA的温度和应变测试探讨[J].长江科学院院报，2011年04期.
[2]张竞文，吕安强，李宝罡，杨志.基于BOTDA的分布式光纤传感技术研究进展[J].光通信研究，2010年04期.
[3]石顺祥，孙艳玲，马琳，刘继芳.光纤技术及应用[M].华中科技大学出版社，2009.
[4]罗虎，刘东燕，徐兴伦.光纤传感技术在边坡稳定监测中的应用[J].重庆科技学院学报（自然科学版），2012年03期.
[5]刘杰，施斌，张丹，隋海波，索文斌.基于BOTDR的基坑变形分布式监测实验研究[J].岩土力学，2006年07期.
水平位移测量 篇5
位移测量是机械量测量中最常见的一种。常用的小位移测量方法是由传感器感受微小位移,经过信号调理电路转换为模拟量并送到数据采集卡,由计算机对数据进行采集和处理。也可以由单片机系统进行此工作。这两种方法各有缺点:单片机数据处理功能比较弱,而数据采集卡价格贵且需要专业人员进行编程来采集和处理数据。应用美国国家仪器公司(National Instruments,NI)推出的基于“图形”方式的集成化程序开发环境Lab VIEW,与NI公司开发的数据采集装置相配合可以使位移测量系统更加简洁、可靠[1,4]。
1 位移测量系统构成
位移测量系统构成如图1所示,整个系统由差动式电感传感器、信号调理电路AD698、Lab VIEW软件、计算机、数据采集卡构成。差动式电感传感器感受小位移,信号调理电路AD698将传感器的信号转换为数据采集设备需要的模拟信号,数据采集卡实现对被测信号的模数转换,利用计算机中的Lab VIEW软件实现对数据采集卡的数据的采集并利用编写的程序进行数据处理,利用显示器进行波形显示。
2 位移测量系统设计
2.1 差动式电感传感器与由AD698的连接
差动式电感传感器的输出信号必须经过信号调理电路才能转换为仪表或数据采集系统需要的模拟量或数字量。传统的方法是采用分立元件构成差动整流电路和相敏检波电路[2]。这种信号调理电路比较复杂,不易调试,因此我们采用了美国Analog Devices公司生产的差动式电感传感器(LVDT)信号调理系统AD698。
AD698与LVDT配合,能够高精确和高再现性地将LVDT的机械位移转换成单极性或双极性的直流电压。只要增加几个外接元件来确定激磁频率和增益,AD698就能把LVDT的次级输出信号按比例地转换成直流信号[3]。因此,由其构成信号调理电路非常简单,而且性能可靠。差动式电感传感器与AD698的连接方法如图2所示。
2.2 Lab VIEW与数据采集卡的连接
数据采集卡的任务是将测量的信号转换为数字信号。数据采集系统由软件进行控制—获取数据行、分析数据并得出结论。数据采集卡采用NI公司的NI USB-6009低价位多功能数据采集卡。它用于USB,有8路模拟输入通道(14位分辨率,48k S/s),2路模拟输出通道(12位分辨率,150 S/s),12条数字I/O线,32分辨率计数器。本测量平台只利用了其8个模拟通道的其中一个—通道0,即差动式电感传感器采集的微位移量经信号调理电路AD698成为模拟信号后送入NI USB-6009通道0,由Lab VIEW中的DAQ助手实现对此通道的数据采集。
2.3 测量界面编辑
2.3.1 前面板设计
前面板就是图形化用户界面。该界面可以模拟真实仪器的前面板,用于设置输入数值和观察输出量。前面板界面如图3所示。其中各控件作用如下:开关按钮用来控制测量的起与停;放置三个数值输入控件,分别输入标定值、数据采样率、设定比较初值;放置一波形图表,用来显示被测模拟信号随时间变化的波形;测量结果利用数值显示控件显示;文件路径显示控件,用来确定被测信号转换为位移量后的存放位置。
2.3.2 程序控制
程序框图如图4所示。程序框图与前面板相对应,用图形化编程语言G语言编写。框图是定义虚拟仪器(Virtual Instrument,简称VI)功能的图形化源代码。程序框图由节点、端口和数据连线而成。在图中对VI编程就是对输入信息进行运算和处理,最后在前面板上把结果反馈给用户。程序框图中,放置一公式函数,实现被测模拟信号与一常数(即标定值)相乘,得到输出为位移量,存放到指定文件中。程序框图中放置一DAQ Assistant(数据采集助手),其作用是配置数据采集任务,选择模拟信号输入通道、设定输入电压范围、选择采集方式等。
至此,切换到前面板,运行程序。可以看到数据被采集回来并在屏幕上显示。当启动开关按钮,开始测量数据。测量数据经过公式处理,由波形图表显示测量信号,由数值显示控件显示测量结果。每隔一定时间将测量数据存入指定文件。按动停止按钮,则测量停止。在此程序框图中,利用编程函数中的数据比较功能找出测量数据的最大值和最小值并求二者的差,测量结果即为传感器感受的最大位移量。
3 结束语
实践证明,利用虚拟仪器构成的位移测量系统,可以大大减少测量人员的工作量,用很少的硬件就能实现智能化的位移测量。更重要的是,Lab VIEW软件中配有强大的数据处理功能,能够方便测量人员对测量数据进行复杂的数据处理,能实现单片机等其他系统无法实现的分析功能。
参考文献
[1]孙秋野,柳昂,王云爽.LabVIEW8.5快速入门与提高[M].西安:西安交通大学出版社,2007.
[2]段中华,王中训,胡自强.AD698在DGC-6PG/A差动电感式传感器中的应用[J].现代电子技术,2008(4):162-164.
[3]王敬亭,廖力清,凌玉华.AD698型LVDT信号条例电路的原理与应用[J].国外电子元器件.2005(9):64-71.