一种测量水库大坝水平两点距离变化的杆式伸缩仪的制作方法

本发明提供了一种测量水库大坝水平两点距离变化的杆式伸缩仪，尤其涉及一种基于差动位移传感器进行高精度检测的杆式伸缩仪，属于水库大坝安全检测技术领域。

背景技术：

随着社会经济建设的发展和科技的进步，我国开始大量建造水库大坝来防止洪水等自然灾害并且以此更好地利用水利资源来造福人类，目前，我国是世界上拥有大坝数量最多的国家，大型水库大坝就有600多座，还有数量巨大的各类小型水库大坝。在每年的防洪防汛工作会议中，政府部门都会提出：务必保障水库大坝安全，尽可能避免或降低灾难发生的几率，全力确保下游群众的生命安全并减小重大财产损失。保障水库大坝安全运行是一项非常重要的任务。水库大坝的安全与否不仅关系到社会发展，更与广大人民群众的生命财产息息相关，大坝安全是国家安全体系的重要组成部分。所以如何更好地保障水库大坝的稳定安全运行已成研究人员需要研究的重要课题之一。

水库坝体位移监测是判断坝体安全的一项重要指标，坝体安全监测系统涉及光学、传感器、电子科学等领域。位移测量作为评判坝体安全的重要标准，也越来越受到科研人员的广泛关注。

针对坝体位移监测有很多种方法，比较常见的测量仪器有伸缩仪、引张线仪、正倒垂线法、连通管法、振弦式沉降仪等。这些技术方法大体上可分为水平位移监测技术、垂直位移监测技术两大类。

伸缩仪为最常见的实现水平位移监测的仪器，伸缩仪可以用于硐体应变固体潮及地震前兆的应变监测与研究。也可用于大型工程、大型建筑、大坝等方面的应变测量。伸缩仪基本原理为：

该仪器测量地壳表面两点间的应变量，即

其中：l为原地壳表面两点间的距离(即基线长)，l'为变形后地壳表面两点间的距离；δl为基线的变化量，ε为应变量，即单位长度的相对变化量。

传统的大坝工程(例如三峡水利工程)两点间位移采用ss-4丝式伸缩仪进行测量，基线采用普通的不锈钢丝。在固定端，底板通过不锈钢膨胀螺丝与仪器墩紧固，基线通过夹丝头夹紧，调节轮可使夹丝头前后移动。在测量端，底板也通过不锈钢膨胀螺丝与仪器墩紧固，不锈钢丝固定于摆动轮上，与摆动轮相连的三角杆的另一端有配重盘，根据基线的长短加不同的配重，使基线拉直。

该仪器在长期应用中发现如下不足：

1、测点端机械机构复杂且笨重，安装不方便；

2、基线采用普通不锈钢丝，且需要用配重块拉直，受拉力会产生变形，加上钢丝自身的变形对测量结果会造成一定误差，同时由于传感器铁芯未设计中心导向装置，容易与差动线圈发生摩擦。仪器的长期可靠性和精度均受到影响。

3、时间久远，高强度不锈钢丝容易被拉断。

4、无法进行现场标定。

技术实现要素：

本发明提供了一种测量水库大坝水平两点距离变化的杆式伸缩仪，解决了现有技术中的不足，该杆式伸缩仪结构简单、易于安装，长期工作稳定可靠，同时还设置有防雷抗干扰设计并且能够实现长距离数字信号传输。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种测量水库大坝水平两点距离变化的杆式伸缩仪，所述杆式伸缩仪包括测量端、固定端、吊丝悬吊装置、基线、标定装置以及传感器和电气单元，其中固定端设置于坝体上的观测廊道内，固定端与坝体相连接为一体；所述基线为具有高刚度和低线膨胀系数的金属棒，基线的一端水平连接于固定端上，吊丝悬吊装置位于测量端和固定端之间，用于对基线进行悬吊支撑；所述传感器为差动线性位移传感器，基线的另一端水平与传感器的测量端铁芯相连接，传感器被固定于测量端上，所述测量端为微位移平台，由上层平台和下层平台组成，下层平台固定于坝体上，传感器固定于上层平台上，所述标定装置与上层平台相连接并能够驱动上层平台相对于下层平台进行水平方向上的位移；所述电气单元包括单片机、防雷抗干扰电路、电源模块、信号调理电路、光耦隔离电路、485信号转换电路以及数字信号输出电路，其中电源模块经防雷抗干扰电路后给单片机、传感器和标定装置供电，单片机与标定装置相连接并控制标定装置；所述传感器与信号调理电路相连接并将采集到的信号通过信号调理电路传输至单片机，单片机将信号通过485信号转换电路转换为数字信号，同时将信号经过光耦隔离电路隔离处理并经防雷抗干扰电路防雷保护后，通过数字信号输出电路进行信号输出。

所述的固定端采用混凝土浇筑而成，其内部采用钢筋与坝体刚性连接，固定端的顶部在浇筑时预埋有不锈钢板，固定座安装于不锈钢板上，基线的一端水平连接于固定座上。

所述固定端的水平尺寸面积为300mm×300mm，固定端内部设置有9根φ10mm钢筋与坝体刚性连接，不锈钢板的厚度为10mm。

所述基线的材质选用含铌特种铟钢棒，基线的外径为6mm，由多节铟钢棒首尾连接而成，单节长1.5米。

所述吊丝悬吊装置包括托架和吊丝，托架立于地面上，吊丝从基线的下方绕过且其两端固定于托架上从而对基线进行悬吊。

所述标定装置包括电机、电机座、涡轮和蜗杆，电机安装固定在电机座上，电机的输出轴与涡轮蜗杆相连接，蜗轮蜗杆与上层平台相连接并驱动上层平台位移。

所述的电源模块包括交流220v总电源、隔离变压器、整流滤波电路和直流稳压变换电路。

所述差动线性位移传感器中设置有信号放大及抗干扰模块，具体包括前置放大电路、晶体震荡电路、同步检波电路、滤波电路和直流放大电路。

与现有技术相比，本发明通过机械机构优化、数字信号输出电路设计、防雷防潮设计、标定平台设计，从而解决以下关键问题：

(1)与传统大坝ss-4丝式伸缩仪比较，简化伸缩仪工程应用的机械结构，使其更稳定更易于安装；选型新的基线材质和吊丝悬挂机构，提高了观测精度，提高工程伸缩仪的长期可靠性和稳定性；设计吊丝悬挂装置实现了传感器铁芯的导向，保证了传感器的无摩擦测量。同时还设计有标定装置，可实现工程伸缩仪的现场标定测试。

(2)与地震台站ss-y伸缩仪比较，加入了电源及信号防雷抗干扰设计，将传感器输出模拟信号转换成rs485数字信号，还在信号传递中加入了隔离和防雷保护，从而在大坝中实现远距离传输，并加入信号调理电路消除温度引起的电路上的零点漂移问题。

附图说明

图1为本发明的杆式伸缩仪的结构示意图；

图2为本发明的杆式伸缩仪的技术方案框图；

图3为本发明的杆式伸缩仪中的电路整体结构框图；

图4为本发明的杆式伸缩仪中的差动线性位移传感器电路设计框图；

图5为本发明的杆式伸缩仪中的电源设计框图；

图6为本发明的杆式伸缩仪中的单片机系统及485信号防雷抗干扰设计框图；

图中：1-固定端，2-吊丝悬吊装置，3-基线，4-传感器，5-铁芯，6-微位移平台，7-上层平台，8-下层平台，9-托架，10-吊丝，11-电机，12-电机座，13-涡轮，14-蜗杆。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。

本实施例所提供的一种测量水库大坝水平两点距离变化的杆式伸缩仪，其整体结构如图1和图2所示，所述杆式伸缩仪包括测量端、固定端1、吊丝悬吊装置2、基线3、标定装置以及传感器4和电气单元，其中固定端设置于坝体上的观测廊道内，固定端与坝体相连接为一体；基线的一端水平连接于固定端上，所述的固定端采用混凝土浇筑而成，其内部采用钢筋与坝体刚性连接，固定端的顶部在浇筑时预埋有不锈钢板，固定座安装于不锈钢板上，基线的一端水平连接于固定座上。所述固定端的水平尺寸面积为300mm×300mm，固定端内部设置有9根φ10mm钢筋与坝体刚性连接，不锈钢板的厚度为10mm。

所述基线为具有高刚度和低线膨胀系数的金属棒，基线的材质选用含铌特种铟钢棒，基线的外径6mm，由多节铟钢棒首尾连接而成，单节长1.5米。铟钢棒线膨胀系数约为3×10^-7/℃，基线因环境温度产生的影响可忽略不计，通过吊丝悬吊方式使仪器受观测环境影响大为较低。吊丝悬吊装置位于测量端和固定端之间，用于对基线进行悬吊支撑，每一节铟钢棒上均对应设置有吊丝悬吊装置；吊丝悬吊装置包括托架9和吊丝10，托架立于地面上，吊丝从基线的下方绕过且其两端固定于托架上从而对基线进行悬吊。

基线的另一端水平与传感器的测量端铁芯5相连接，传感器被固定于测量端上，所述测量端为微位移平台6，由上层平台7和下层平台8组成，下层平台固定于坝体上，传感器固定于上层平台上，所述标定装置与上层平台相连接并能够驱动上层平台相对于下层平台进行水平方向上的位移。上层平台上设置有不锈钢保护罩，传感器以及电气单元被不锈钢保护罩罩在其下方，不锈钢保护罩上开有防水接插孔，用于各种线路的进出设置。

所述电气单元包括单片机、防雷抗干扰电路、电源模块、信号调理电路、光耦隔离电路、485信号转换电路以及数字信号输出电路，其整体框架如图3所示。其中电源模块经防雷抗干扰电路后给单片机、传感器和标定装置供电，电源模块如图5所示，电源模块包括交流220v总电源、隔离变压器、整流滤波电路和直流稳压变换电路，电源总线在坝表面走线时采用镀锌钢管保护。钢管对内部线路能起到很好的屏蔽保护作用，钢管连接处进行可靠焊接，电缆不要有暴露处，因为每一段的暴露处都可能成为雷电干扰的通道。在交流电接入电气单元之后加防雷保护电路、隔离变压器，然后经整流滤波电路、直流稳压变换电路后再给整个系统供电。电源总线采用双绞屏蔽线，采用双绞屏蔽线，是由于双绞线的相邻绞环，构成了两个面积相等的交叉回路，它们在外磁场的作用下所产生的感应电动势及伴生的感应电流大小相等，方向相反。即由干扰所产生的感应电流在负载上相互抵消，从而减小了干扰的影响。

单片机与标定装置相连接并控制标定装置的运转，所述标定装置包括电机11、电机座12、涡轮13和蜗杆14，电机安装在固定的电机座上，电机的输出轴与涡轮蜗杆相连接，蜗轮蜗杆与上层平台相连接并驱动上层平台位移。在进行标定操作时，单片机向电机发出信号，通过电机驱动、涡轮蜗杆减速传动，控制微位移平台产生一定位移量，造成差动变压式传感器与铁芯之间的相对位移，上位机得到数字信号后，通过对微位移平台的位移数据和差动变压式传感器进行对比计算，从而得出灵敏度系数。

所述传感器为差动线性位移传感器，选用差动线性位移传感器(即lvdt)把位移量变成电信号，其工作原理实质上是铁芯可动的变压器。差动线性位移传感器主要由铁芯和差动线圈组成，在铁芯与线圈间由非磁性不锈钢材料制成的导管隔离，导管同时起着固定线圈位置的作用。当铁芯在线圈内移动时，改变了磁通的空间分布，改变了初、次级之间的互感量。当用适当频率的电压激励初级绕组时，次级线圈就产生电动势。随着铁芯位置的不同，互感也不同，次级产生的感应电动势也不同，这样就把铁芯的位移变成了电压信号输出。它具有结构简单、工作可靠、灵敏度高、线性度好和动态范围大、防潮性能好、温度系数小、安装方便等特点。

传感器与信号调理电路相连接并将采集到的信号通过信号调理电路传输至单片机，所述差动线性位移传感器的电路框架如图4所示，差动线性位移传感器中设置有信号放大及抗干扰模块，具体包括前置放大电路、晶体震荡电路、同步检波电路、滤波电路和直流放大电路。利用晶体震荡器和低漂移、低噪声、低功耗的运算放大器组成频率幅度稳定的正弦波激励信号源，可减小或消除温度漂移引起的频率和幅度的不稳定，解决零点漂移问题，提高差动位移传感器的一致性，减小传感器在电路上引起的灵敏度误差。此外，由于差动传感器的输出电压δe的幅度很小，信噪比低，因此必须经高增益放大后才能检测出有用信号；干扰信号与参考信号同频率又同相位的几率很小，本发明中利用同步检波技术良好的压制干扰的能力，可以从被噪声干扰的信号中提取有用信号。

单片机将信号通过485信号转换电路转换为数字信号，同时将信号经过光耦隔离电路隔离处理并经防雷抗干扰电路防雷保护后，通过数字信号输出电路进行信号输出。单片机系统及485信号防雷抗干扰设计框图如图6所示，由于大坝环境特殊，大坝杆式伸缩仪安装现场附近存在大型发电及电力传输设备，其在运行过程中产生的强度较大的电场或者磁场，不仅会影响到单片机的正常稳定运行，严重的还会造成单片机出现停止运行的状况，因此在大坝杆式伸缩仪电路设计中单片机系统的设计必须考虑抗干扰，本发明中通过选择抗干扰能力强的单片机，并且在供电设计中采用隔离的独立稳压电路向单片机供电，加入数字滤波减少信号中存在的干扰信号。大坝杆式伸缩仪安装于环境条件恶劣的坝体中与数据采集单元一般相距较远，而差动位移传感器输出的是模拟信号，信号衰减极快无法进行长距离传输，为了解决此问题，本发明在电路设计中将模拟信号转变成rs485信号进行数字传输，并且在信号传递中加入了隔离和防雷保护。