基本信息
- 項目名稱：
- 裂縫三向變形激光監(jiān)測系統(tǒng)
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 作品應(yīng)用激光打靶機的理論與方法，在機械式裂縫三向變形測量儀的基礎(chǔ)上進行改進、創(chuàng)新，立足于西安地裂縫的工程實際，突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，自行設(shè)計與制作電路，將現(xiàn)有的激光測距儀技術(shù)與光電技術(shù)結(jié)合，不僅實現(xiàn)了傳統(tǒng)技術(shù)與前沿技術(shù)的整合，而且在一定程度上完成了光電學(xué)與地質(zhì)學(xué)跨學(xué)科的技術(shù)突破。
- 詳細介紹：
- 地裂縫等的地質(zhì)災(zāi)害三向變形，公路橋梁以及水利水電工程的各種裂縫變形具有一定的多維變形特征，因此，針對裂縫的三向變形監(jiān)測系統(tǒng)的研究對于地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測與預(yù)警，以及土木工程不均勻變形等不良工程問題安全評估具有重大意義。裂縫三向變形激光監(jiān)測系統(tǒng)基于三向變形測量的原理與方法，應(yīng)用激光技術(shù)，無線傳輸技術(shù)等實現(xiàn)了裂縫在同一監(jiān)測點的三個方向位移的同步監(jiān)測、數(shù)據(jù)的同步輸出，以及分級預(yù)警，具有很大的工程實用價值。 一、作品結(jié)構(gòu)原理： 1. 激光發(fā)射器結(jié)構(gòu)及原理 激光發(fā)射器主要由控制電源、激光器、光學(xué)系統(tǒng)、放大電路、控制邏輯計數(shù)、取樣、顯示等部分組成。激光測距儀工作過程如下:接通電源,接到測距選通工作信號時,產(chǎn)品進入選通工作狀態(tài),對選通電位器的值進行處理,使顯示器顯示相應(yīng)的選通距離數(shù)值,完成測試距離的選擇;當(dāng)按下測距按鍵時，產(chǎn)品進入測距工作狀態(tài),首先令充電電源進行DC/DC變換,待幾組電壓建立后,發(fā)出復(fù)位信號,對計數(shù)電路進行復(fù)位及實現(xiàn)接收放大電路的增益控制,同時觸發(fā)激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出脈沖激光。由取樣電路對發(fā)射激光進行光電轉(zhuǎn)換,作為控制電路測距計數(shù)的開門信號,這時計數(shù)電路開始計數(shù)。射到目標反射回來的激光會聚于雪崩光電二極管光敏面上,進行光電轉(zhuǎn)換及放大處理,輸給控制電路作為測程計數(shù)的關(guān)門信號,計數(shù)電路停止計數(shù),距離的測量結(jié)果由顯示器直接顯示出來。 2.激光接收器結(jié)構(gòu)原理 激光感光板使用的是3DU5C光敏三極管，與USB接口，5v的電源共同構(gòu)成激光的接收面板。光敏三極管(光電三極管)接受光的信號而將其變換為電氣信號。。罐形封閉，激光感光板使用的是罐封閉型的三極管。 3.數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)原理 數(shù)據(jù)處理過程利用我們自行研發(fā)的“地裂縫變形監(jiān)測軟件”進行處理，將三個方向的位移變化直觀的利用運動路徑展示出來。同時也實現(xiàn)了一點三個方向位移變化的同步輸出，達到了我們預(yù)期的效果。軟件操作簡單，界面友好，便于操作。 二、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)說明： 1.激光發(fā)射器:激光發(fā)射器采用MYZOX發(fā)射器。用來作為整個系統(tǒng)的激光發(fā)射器; 2.水準泡：用來調(diào)節(jié)激光發(fā)射器的平衡; 3.顯示器：顯示測距儀測出的距離; 4.控制按鈕：激光發(fā)射器上的控制按鈕,包括電源開關(guān)，測量開關(guān)等控制開關(guān); 5.激光：激光發(fā)射器發(fā)出的激光，其波長在650nn左右，用來激發(fā)激光接收面板; 6.激光接收面板：接收由激光發(fā)射器射出的激光，得到感應(yīng)，用來顯示面板橫向與豎向的位移變化; 7.數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：利用自行開發(fā)的軟件對數(shù)據(jù)進行處理。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 一、作品發(fā)明的目的 地質(zhì)災(zāi)害已成為除地震外造成人員傷亡最大的自然災(zāi)害。今年1至7月造成人員傷亡的地質(zhì)災(zāi)害248起。國土資源部表示，中國地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)頻發(fā)的狀況可能繼續(xù)存在。其中，地裂縫是一種緩慢發(fā)展的漸進性地質(zhì)災(zāi)害，我國的地裂縫分布十分廣泛，西安地裂縫最近發(fā)生的地鐵基坑坍塌事故與地裂縫不無關(guān)系；滑坡常常給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人民生命財產(chǎn)造成巨大損失。另一方面，公路橋梁，建筑，水利水電方面等土木工程中的裂縫變形也對人們的生命財產(chǎn)帶來極大的威脅，然而現(xiàn)存對裂縫的變形監(jiān)測手段相對于當(dāng)量地質(zhì)與工程問題的出現(xiàn)而顯得十分滯后。 二、基本思路 作品應(yīng)用激光打靶機的原理，在機械式裂縫變形測量儀的基礎(chǔ)上進行改進、創(chuàng)新，立足于西安地裂縫的工程實際自行設(shè)計與制作電路，將現(xiàn)有的激光測距儀技術(shù)與光電技術(shù)結(jié)合，不僅實現(xiàn)了傳統(tǒng)技術(shù)與前沿技術(shù)的整合，而且在一定程度上完成了光電學(xué)與地質(zhì)學(xué)跨學(xué)科的技術(shù)突破。 三、創(chuàng)新點 （1）對裂縫同一點位移變形的垂直位移與張裂位移和水平錯動量的絕對值同時進行觀測；（2）安裝非常方便，而且裂縫測量時測量儀不存在機械力的影響；（3）監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)了遠程實時傳輸，超位移分級報警等功能。 四、技術(shù)關(guān)鍵 1.運用激光技術(shù)，將光電技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)工程，實現(xiàn)了技術(shù)與學(xué)科兩個方面的整合；2.自行進行軟件開發(fā)，并將其應(yīng)用于本產(chǎn)品，實現(xiàn)了三個方向位移的整合運動曲線，以圖像的方式顯示； 五、主要技術(shù)指標：本系統(tǒng)的量程范圍滿足大多數(shù)裂縫測量要求，精度能達到1mm級別，在工程中滿足要求。
科學(xué)性、先進性
- 作品的科學(xué)性、先進性： 地裂縫，滑坡為主的地質(zhì)災(zāi)害以及水利水電，公路橋梁等土木工程施工上的裂縫變形監(jiān)測是一個熱門的課題，但是尚未有一種能夠同時測得三向位移變形同步輸出數(shù)據(jù)的監(jiān)測儀器?，F(xiàn)有的機械式裂縫三向變形測量儀，因為是機械儀器，滑桿間具有一定的摩擦，同時因為桿件之間的扭動而使得設(shè)備卡死，所以在實際應(yīng)用中有一定的局限；多點監(jiān)測法缺點是儀器的安裝繁瑣，人工讀取數(shù)據(jù)誤差大，可靠度不高，不能進行實時監(jiān)測；相對位移檢測法現(xiàn)行的儀器有整體式TS三向測縫計。其缺點是將空間位移轉(zhuǎn)化相對位移的計算過程較繁瑣，且其間會產(chǎn)生不必要的誤差。 本作品--裂縫三向變形激光監(jiān)測系統(tǒng)利用激光技術(shù)，在機械式裂縫檢測儀的基礎(chǔ)上進行改進創(chuàng)新，初步實現(xiàn)了三個方向位移變化的監(jiān)測，比較以往對裂縫進行監(jiān)測的多點檢測法和相對位移法，此作品操作簡單，精確度高，并且達到了預(yù)期的同一監(jiān)測點三向變形同時進行監(jiān)測并輸出的功能。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 本作品于2011年4月獲長安大學(xué)第七屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎；于2011年6月獲第八屆西安高新“挑戰(zhàn)杯“陜西省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品大賽一等獎。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品；模型；現(xiàn)場演示；圖片
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 一、產(chǎn)品使用說明 1：布置監(jiān)測點，根據(jù)規(guī)范選擇恰當(dāng)?shù)奈恢谩?：擺設(shè)好腳架，整平，把儀器和接收器架設(shè)好（干電池和電源線都裝好）。3：打開激光發(fā)射器和接收器電源，開始工作。4：激光測距儀發(fā)射的激光，一方面測出地裂縫的水平引張量，另一方面激發(fā)激光接收面板，面板感光后發(fā)出信號，同時測得地裂縫的垂直變化量與左右錯動量。5：數(shù)據(jù)處理器對三個方向的位移量進行整合，通過軟件畫出運動曲線。 二、優(yōu)勢： 1.對同一點的三向位移變化量同步監(jiān)測，同步輸出； 2.產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)清晰，操作簡單。由專門的數(shù)據(jù)處理軟件進行處理，快捷方便準確；3.設(shè)有的超位移預(yù)警系統(tǒng)可以實現(xiàn)超位移預(yù)警。 四、適應(yīng)范圍： 產(chǎn)品的設(shè)計是基于對地裂縫的三向位移的監(jiān)測，該產(chǎn)品也可以廣泛的應(yīng)用于水利水電，公路橋梁諸多領(lǐng)域裂縫的變形監(jiān)測，對于地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警，如地面沉降， 崩塌，滑坡等也有一定的使用價值。 五、推廣前景的技術(shù)性說明： 本產(chǎn)品運用3DU5C光敏三極管，以及BOSCH激光測距儀，控制波長在650nn，實現(xiàn)了三個方向的整合。
同類課題研究水平概述
- 裂縫變形的單向監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，而多向變形的實時變形監(jiān)測還很不成熟。目前裂縫變形的多向監(jiān)測常用方法有機械式變形監(jiān)測儀法，多點檢測法和相對位移檢測法。機械式三向變形監(jiān)測儀因為是機械儀器，滑桿間具有一定的摩擦，同時因為桿件之間的扭動而使得設(shè)備卡死，所以在實際應(yīng)用中有一定的局限；多點監(jiān)測法即為在地裂縫的兩側(cè)設(shè)置多個點分別埋設(shè)百分表，來檢測水平垂直和剪切。這種方法設(shè)備簡單，操作方便易行；缺點是儀器的安裝繁瑣，人工讀取數(shù)據(jù)誤差大，可靠度不高，不能進行實時監(jiān)測；相對位移檢測法即為將三向移動轉(zhuǎn)變成空間中一點P的移動，則通過p點的相對位移計算出地裂縫的真實位移，現(xiàn)行的儀器有整體式TS三向測縫計其缺點是將空間位移轉(zhuǎn)化相對位移的計算過程較繁瑣，機械式的測量裂縫的兩端的部件之間存在一定的機械力，這種機械力對位移的監(jiān)測的結(jié)果影響很大，而且信息的反饋相對滯后。 激光技術(shù)在國內(nèi)外公路交通方面應(yīng)用比較廣泛，但是在工程裂縫多向變形監(jiān)測上還沒有得到實際的應(yīng)用。有些偏遠山區(qū)對滑坡和崩塌、泥石流的監(jiān)控還處在專派人員逐級向上級匯報的層次，有些施工現(xiàn)場對于地裂縫的變形監(jiān)測也是無能為力。因此，發(fā)明一種可以脫離人員現(xiàn)場監(jiān)測、“一點三向”位移變化同步遠程輸出、危險位移信號警報的創(chuàng)新型系統(tǒng)對于解決現(xiàn)有問題很有必要。 以地裂縫為研究對象，經(jīng)過大量研究表明，西安的10余條地裂縫具有統(tǒng)一的三維變形特征，即南傾南降的垂直位移、水平引張和水平左旋扭動等3個方向的變形，其中垂直位移量最大，活動速率以5-30mm/a者居多，最大者愈50mm/a；南北水平拉張量次之，拉張速率為2-10mm/a；水平錯動量多數(shù)甚微，與其它兩個方向具有數(shù)量級的差別，一般速率為1-2mm/a。我們的課題小組在老師指導(dǎo)下，利用機械式三向測量儀的原理，設(shè)計出新的裂縫三向變形激光測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用激光測距的技術(shù)，可以同時測量同一測點垂直位移與張裂位移和水平錯動量的絕對值。并使用自行研發(fā)的軟件將感光板接收的光信號轉(zhuǎn)化為變形數(shù)據(jù)，同時在數(shù)據(jù)顯示器顯示出三個方向的位移變化，且可以繪制出變形曲線，進一步把處理結(jié)果傳輸給計算機實現(xiàn)實時遠距離無線監(jiān)控；并通過現(xiàn)場限位計和控制室限位方法實現(xiàn)現(xiàn)場報警與遠程報警。該測試系統(tǒng)具有靈活簡單、實用性強、測量精度高、遠程實時監(jiān)控與報警等特點，可以大量的應(yīng)用在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、水利水電，公路橋梁裂縫測量等諸多領(lǐng)域。
