CCD双金属标仪的研制及应用*

赵义飞 李农发 欧同庚 史雨辉

1)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071

2)中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地，武汉 430071

3)中国地震局地球物理研究所，北京 100081

CCD双金属标仪的研制及应用*

赵义飞1，2)李农发1，2)欧同庚1，2，3)史雨辉1，2)

1)中国地震局地震研究所(地震大地测量重点实验室)，武汉 430071

2)中国地震局地壳应力研究所武汉科技创新基地，武汉 430071

3)中国地震局地球物理研究所，北京 100081

基于双金属标的基本原理，设计了一种光电式双金属标仪，并将其成功应用于亭子口水电站大坝垂直位移安全监测系统中。运行结果表明，仪器运行状态稳定可靠，监测效果良好。

CCD;双金属标;基准点;垂直位移;安全监测

1 引言

垂直位移监测仪器子系统是水库、水电站大坝安全监测系统的重要组成部分，垂直位移观测常用精密水准、静力水准测量方法来实现，这两种观测方式需要设置水准基点，绝对垂直位移基点一般采用深埋标志。为了减少温度对深埋标志的影响，通常深埋标志选择双金属标的形式，双金属标仪即为测量深埋标志变化的仪器。双金属标观测数据是否准确，对整个静力水准系统的正常工作起着举足轻重的作用［1］。

CCD器件是一种半导体器件，它利用光电转换原理把图像信息直接转换成电信号，这样便实现了非电量的电测量。同时它具有体积小、重量轻、噪声低、自扫描、工作速度快、测量精度高、寿命长等优点，在精密测量工程中有着广泛的应用［2］。CW-SBⅡ型遥测双金属标仪是基于CCD设计的一种垂直位移监测仪器，该仪器具有安装方便、测量数据连续可靠、精度高、分辨率高等特点。

2 双金属标工作原理

2.2 双金属标结构

常见的双金属标采用平行设置的两根具有不同线膨胀系数的金属管组成双金属标(见图1)［3］。

图1 双金属标结构图Fig.1 Structure of bi-metal tube

2.2 双金属标原理

由于钢管和铝管都采用深埋方式处理，长度大体一致，所以可以记两根管原有长度均为L，钢管的线膨胀系数为α钢，铝管的线膨胀系数为α铝。在钢管顶部与顶体之间安装自动化观测仪器或者是传感器，测量钢管顶部相对于钢管底部的形变量X，此处钢管底部一般埋设在大坝所处地理位置的基岩处，t1时刻测量的数值记为X1，t2时刻测量的数值记为X2。则每次实测双金属标处大坝沉降为H，即

式中:ΔT表示钢管、铝管各高度层温度变化的平均值;α钢ΔTL表示温度变化引起的钢管的长度变化量。

同理，在铝管顶部与顶体之间安装自动化观测仪器，测量铝管顶部相对于铝管底部的形变量Y，t1时刻测量的数值记为Y1，t2时刻测量的数值记为Y2。则每次实测双金属标处大坝垂直位移为:

由式(1)，式(2)可得

取钢管的线膨胀系数α钢=1.2×10－5/℃，铝管的线膨胀系数为 α铝=2.4 ×10－5/℃，则有

由式(5)可以看出，采用双金属标这种测量方法，不需要安置测温装置来测定温度，只需通过传感器测量得到两只管标的形变量，即可得到双金属标处大坝坝体的垂直位移量H。

3 光电式双金属标仪的设计

仪器由两路光源、光学系统、狭缝、CCD位移传感器、信号与处理电路、接口电路等组成(图2)。

仪器专用的光学系统，准直后的光束具有较好的平行性。准直处理后的光束通过狭缝，在CCD接收靶面上形成一亮线。当温度变化时，钢管与铝管的长度会发生变化，而该亮线位置也随之发生相应的变化，该仪器两路输出:一路是钢管与基点之间的差值;另一路是铝管与基点之间的差值。根据这其差值求得基点的变化值。

仪器设计并安装了两个保护电路:一是电源保护电路。仪器采用AC36 V供电，在电源输入端安装了防雷击、防浪涌及抗干扰电路，可承受3 kV，1 kA雷电冲击;二是485端口保护电路。根据485端口的特点，安装了光电隔离、防雷击、防浪涌及抗静电电路，除可承受3 kV、1 kA雷电冲击外，还可抗±30 kV静电。它们可保证仪器能在恶劣环境条件下正常工作。

4 工程实际应用

亭子口水利枢纽工程位于四川省广元市苍溪县境内，距苍溪县城15 km，是嘉陵江干流开发中唯一的控制性工程。CW-SBⅡ型遥测双金属标仪布设在水电站基础廊道31#坝段，仪器采用不锈钢压块固定在混凝土表面，由于仪器对光元素敏感，在仪器安装好后，采用不透明盖子将整个仪器墩子盖好。仪器采用36 V安全电压供电，输出两路485信号，直接进入计算机当中，采用专用软件进行数据采集。

仪器主要技术指标为:

量程:25 mm;

分辩力:0.02 mm;

测量准确度:0.05 mm;

测量方式:随机点测;

输出方式:数字量并带有485端口;

数据传输速率:1 200 bit～9 600 bit可选;

工作电压:AC36 V;

温度:－15℃ ～+50℃;

相对湿度:98%。

表1是从亭子口水电站返回的仪器观测数据(测点编号:DS01BD31;埋设部位:基础廊道31#坝段;高程:352.937m)，取2012年1月7日观测数据作为仪器初始观测值，差值为后来观测数据与初始观测数据的差值，沉降值是通过双金属标的原理计算获取的数值。

表1 仪器观测数据(单位:mm)Tab.1 Instrument observations(unit:mm)

从表中观测数据可以看出，双金属标仪测值连续性较好，无突变，符合水电站在初建时期所发生的沉降形变，为大坝安全监测提供了有用可靠的初始数据。在双金属标仪运行的半年多时间内，系统没有发生故障，能够随时自动监测，且成功获取有效的监测数据，仪器系统的可靠性高。

5 结束语

双金属标标点作为垂直位移观测的一种基准点，用于大坝垂直位移监测或高程传递，能够完成大坝垂直位移观测任务的前提是其本身的可靠性和准确性，而其本身的准确性来源于对双金属标基本原理的正确理解及安装的准确［4］。文章通过对双金属标的基本结构和原理进行了分析研究，设计出一种基于CCD传感器的双金属标仪，并将其成功地应用于实际，能及时准确地监测大坝的变形情况，为实现大坝廊道垂直位移监测提供连续可靠的工作基点。监测结果表明，仪器系统具备精度高、长期稳定性好，可靠性高等特点。

1 肖永红，周克明.双金属标在大坝垂直位移观测中的应用与改进［J］.大坝与安全，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 杨博雄，等.一种线阵CCD时序仿真新方法［J］.大地测量与地球动力学，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.混凝土大坝安全监测技术规范［S］.北京:中国电力出版社，2003.(DL/T5178-2003，Technical specification for concrete dam safety monitoring［s］.Beijing:China Electric Press，2003)

4 陈曙强.青铜峡大坝深埋双金属标安装技术探讨［J］.宁夏工程技术，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

中国地震局基本科研业务费专项(IS201126048)

赵义飞，男，1984生，助理工程师，主要从事形变观测技术的研究.E－mail:yifei_zhao0712@163.com

图2 仪器结构组成

Fig.2 Structure composition of instrument