基于 PSD 的大坝变形监测仪关键技术研究

梁永荣，吴健琨，王春树

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012）



基于 PSD 的大坝变形监测仪关键技术研究

梁永荣1，2，吴健琨1，2，王春树1，2

（1. 水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京 210012；2. 水利部水文水资源监控工程技术研究中心，江苏 南京 210012）

摘 要：为解决现有大坝变形监测仪器可靠性不高等问题，基于半导体位置传感器 PSD，以静力水准仪为例，在优化设计电路的基础上，设计新型变形监测仪器系统。通过系统一致性、稳定性和温度适应性实验，分析监测仪器的测量精度、温度适应性和测量时间 3 个关键技术指标：测量精度高达 0.002 mm，温度稳定性达到0.001 mm，测量时间短到 1 s。实验证明，PSD 式新型监测仪器优于现有的变形监测仪器。

关键词：PSD；大坝变形监测；静力水准仪；关键技术

0　引言

变形监测是我国工程安全信息智能感知体系的重要方式。精确的变形测量直接影响到堤坝、高边坡、地铁、高层建筑等基础设施的监管，如果这些工程失事，不仅意味着投资的损失和功能的失去，而且将导致人民生命财产的巨大损失和重大的生态灾难，甚至影响社会的稳定。

目前，变形监测主要采用垂线坐标仪、引张线仪、静力水准仪等实现自动化测量［1］。这些仪器在工程应用中存在光源干扰严重、测量时间长、温度影响大等缺点。针对这些问题，研究了一种新型位置传感器 PSD，其感光区域只与光源重心位置有关，响应时间短达 5 us，分辨率高达 1 um，光谱响应范围广达 380～1 100 nm。以静力水准仪为例，设计简易测量电路，通过系统一致性、稳定性和温度适应性试验，进行测量精度、温度适用性和测量时间 3 个关键技术的研究，结果满足电力行业标准要求，且优于同行业的监测仪器。

1　PSD检测位移工作原理

位置敏感器件 PSD 是一种能测量光点在探测器表面上连续位置的光学探测器［2］。常用的一维 PSD由 P 衬底、PIN 光电二极管及表面电阻组成，结构如图 1 所示。

图1　PSD结构图

当入射光斑照射到 PSD 感光面上某一位置时，相应于光能量的电荷在入射点产生，电荷通过 P 型电阻层被电极收集［3］。P 型电阻层是均匀一体的电阻层，被电极收集到的光电流与入射点和电极间距成反比。假设产生的总光电流为 I，2 个信号电极上的光电流为 I1，I2，忽略电极上的极小电阻，则 I1和 I2之和等于总光电流 I，即

由于 PSD 为线性器件，输出的电流大小与感光点到两端的距离成反比，可以得出：

式中：L 为 PSD 器件中点位置到感光面两端的距离；X 为入射光斑距 PSD 中点位置的距离。与式（1）联立得

当入射光强度不变时，单个电极的输出电流与入射光斑距 PSD 中点位置的距离 X 呈线性关系。将2 个信号电极的输出电流相除，可得：

式中：P 为一维 PSD 的位置输出信号，由此可知：PSD 的输出电流信号与光斑的位置坐标 X 有关，与入射光强度无关。

2　PSD变形监测系统设计

2.1PSD 变形监测系统设计

PSD 变形监测系统通过 PSD 采集大坝变形的数据；用加速度传感器监测 PSD 采样时是否发生振动，消除外界振动干扰对位移测量带来的影响；通过 RS-485 将数据发送到变形监测终端。系统框图如图 2 所示。

图2　PSD变形监测系统框图

工作时，光源照射在 PSD 感光面上，PSD 输出位移变化信号，计算出位移大小；加速度传感器固定在大坝基底，用来监测 PSD 采样时是否发生振动，保证系统不发生错误测量。

2.2PSD 式静力水准仪监测原理

当坝体变形发生时，静力水准仪主容器内的液面发生变化，浮子随液面同时变化，则浮子的位置反映了坝体位置，结构如图 3 所示。入射光经浮子上镜面反射后，反射光在 PSD 感光面上的位置不同，如图 4 所示。

图 4 中 H1，H2分别为坝体变形前后浮子上镜面液面高度，X1，X2分别为变形前后 PSD 感光面测量的位置，通过简单的光学反射定律和直角三角形关系可得到：OA = DH，OB = DX，

图3　PSD静力水准仪结构图

图4　液面变化计算数学模型

即：DH= DX• cos α，

式中：α 为固定入射角；DH表示液面高度的变化；DX表示光源在 PSD 感光面位置的变化。

当入射角 α 固定已知时，可以得出液面的变化量。为计算方便，整个装置的入射角 α 取 45°，即有

3　PSD变形监测系统实现

3.1PSD 信号采集处理电路设计

设计选用的一维 PSD 有效光敏面为 2.5 mm × 34.0 mm，工作温度为 -10～60℃，同时具有 1 um的分辨率，380～1 100 nm 的光谱响应范围，响应时间为 5 us，数据采集电路如图 5 所示。电源上电后，调节滑动变阻器 R10使 PSD 中间脚（P3-2）的电压固定在 3.4 V，可防止电流过大烧坏传感器，使电压与 PSD 长度 34 mm 呈线性输出，便于计算实际位移值。

当 PSD 接收到光斑后，光电流信号 I 通过积分电路转换成电压信号，计算公式为 U = - I • R，则有U1= - I • R4，U2= - I • R13，

式中：U1，U2为第 1 级 2 路采集电压值。

电容 C1和 C5起滤波作用，过滤输入信号中的脉冲干扰和高频噪声，还可消除电路可能出现的振荡；通过改变 R14的阻值可以改变输出电压的大小。考虑到前置电路中放大器的工作区间及单片机 A/D转换的电平要求，阻值不宜过大。

图5　PSD数据采集处理电路

采用典型的反相加法电路的接法，根据虚短和虚断原理：

当 R11= R15时，公式（6）则为

式中：U0是第二级采集电压值。改变 R14与 R11的比值可以调整电路的增益。由于前级电路是反相接法，这样经过反相加法电路后，电路消去负号，后级电路无需设计反相电路。

3.2PSD 数据采集软件设计

系统软件采用模块化设计，在主程序下分成彼此独立的功能模块，如 PSD、加速度数据采集，电源电压监测，A/D 数据处理，RS-485 通讯模块等。程序总体设计框图如图 6 所示。

首先对系统初始化，完成对各功能部件初始状态的配置及中断优先级设置；然后通过 A/D 中断实现对 PSD、加速度和电压数据的采集处理，最后将采集处理的数据通过 RS-485 通讯发送到监控终端。

图6　系统程序流程图

4　PSD变形监测仪关键技术实验测量与分析

为验证设计电路的合理性，以静力水准仪为例进行实验，主要进行系统一致性、稳定性，温度适应性等关键技术实验测量，并比较不同变形监测仪器性能，分析实验数据。

4.1一致性、稳定性测量

变形监测仪器的一致性和稳定性直接影响仪器的品质优劣。本实验固定 PSD 式静力水准仪于专用标定装置上，调整 PSD 式静力水准仪高度至仪器读数零位，并以此位置为参考原点。调节标定装置，使静力水准仪由测量原点移动至测量满量程起点，每次移动 2 mm，测量记录，测量 5 次取平均值。测量环境为温度 17.6℃、湿度 85%RH，数据如表 1 所示。

表1　PSD变形监测系统精度测量数据　mm

4.2温度适应性测量

大坝变形监测仪器的温度适应性直接影响该仪器能否使用，本实验研究选用的 PSD 的工作温度为-10～60℃，将 PSD 变形监测仪器放在温度箱内，通过设定恒温箱的温度，模拟 1年中大坝坝顶、基础廊道等大概温度。通过在各点温度多次测量，经多组数据平均计算后，PSD 在不同温度时的测量平均值如表 2 所示（仅列举部分典型值）。

表2　不同温度PSD变形监测仪器测量平均值　mm

4.3不同变形监测仪器性能比较

将 PSD 式静力水准仪与现有的 CCD 式静力水准仪、步进电机式变形监测仪器进行比较，如表 3所示。

表3　不同变形监测仪器性能比较

4.4实验数据对比分析

对表 1 数据进行分析可以看出，当给定标定位移不变时，2 个端点的测量误差较大，最大达到0.060 mm；其他测量范围内，最大误差值为 0.003 mm，具有相当好的一致性和稳定性，满量程条件下测量精度高达 0.002 mm。根据测量数据拟合线性直线，如图 7 所示。

图7　PSD变形监测仪器系统一致性稳定性关系

对表 2 中的数据进行分析可以看出，PSD 仪器在边界温度为 -10 和 60℃ 时测值不稳定，这是由器件本身的特性导致的［4］。正常室温环境下经多组重复测量，测值稳定，温度稳定性达到 0.001 mm。

表 3 可以看出，PSD 式仪器的测量精度高，测量时间短，温度影响范围略小，满足行业标准要求［5］，基础性能优于现有变形监测仪器。

5　结语

研究的 PSD 式静力水准仪器，监测系统工作可靠，测量精度高达 0.002 mm，温度稳定性达到0.001 mm，达到行业所需的稳定性要求。同时该监测系统可以实现在线控制，弥补现有仪器单向监测的缺陷，具有较高的市场应用价值，可推广应用到大坝变形监测中。

参考文献：

［1］ 方卫华. 国内外水库安全管理与堤坝安全监测现状与展望［J］. 水利水文自动化，2008 （4）: 5-10.

［2］ 于光平. 基于 PSD 的一维位移测量系统［J］. 仪器仪表与传感器，2008 （12）: 1-3.

［3］ 高经伍，赵凤华. PSD 传感器的原理及应用［J］. 国外电子元器件，2002 （8）: 19-20.

［4］ 中国电力企业联合会. DL/T 108—2008 光电式（CCD）静力水准仪［S］. 北京：中国电力企业联合会，2008: 5.

［5］ 何晓业. CCD 静力水准系统的数据采集［J］. 数据采集与处理，2006 （12）: 213-217.

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

中图分类号：TV698.2

文献标识码：B

文章编号：1674-9405（2016）03-0040-04

DOI:10.19364/j.1674-9405.2016.03.009

收稿日期：2015-12-28

作者简介：梁永荣（1987—），男，江苏南京人，工程师，研究方向：测试技术与传感器。