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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 裂縫三向變形激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 作品應(yīng)用激光打靶機(jī)的理論與方法，在機(jī)械式裂縫三向變形測(cè)量?jī)x的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)、創(chuàng)新，立足于西安地裂縫的工程實(shí)際，突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，自行設(shè)計(jì)與制作電路，將現(xiàn)有的激光測(cè)距儀技術(shù)與光電技術(shù)結(jié)合，不僅實(shí)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(xì)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(duì)裂縫的三向變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測(cè)與預(yù)警，以及土木工程不均勻變形等不良工程問(wèn)題安全評(píng)估具有重大意義。裂縫三向變形激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于三向變形測(cè)量的原理與方法，應(yīng)用激光技術(shù)，無(wú)線傳輸技術(shù)等實(shí)現(xiàn)了裂縫在同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三個(gè)方向位移的同步監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)的同步輸出，以及分級(jí)預(yù)警，具有很大的工程實(shí)用價(jià)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(jì)數(shù)、取樣、顯示等部分組成。激光測(cè)距儀工作過(guò)程如下:接通電源,接到測(cè)距選通工作信號(hào)時(shí),產(chǎn)品進(jìn)入選通工作狀態(tài),對(duì)選通電位器的值進(jìn)行處理,使顯示器顯示相應(yīng)的選通距離數(shù)值,完成測(cè)試距離的選擇;當(dāng)按下測(cè)距按鍵時(shí)，產(chǎn)品進(jìn)入測(cè)距工作狀態(tài),首先令充電電源進(jìn)行DC/DC變換,待幾組電壓建立后,發(fā)出復(fù)位信號(hào),對(duì)計(jì)數(shù)電路進(jìn)行復(fù)位及實(shí)現(xiàn)接收放大電路的增益控制,同時(shí)觸發(fā)激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出脈沖激光。由取樣電路對(duì)發(fā)射激光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,作為控制電路測(cè)距計(jì)數(shù)的開門信號(hào),這時(shí)計(jì)數(shù)電路開始計(jì)數(shù)。射到目標(biāo)反射回來(lái)的激光會(huì)聚于雪崩光電二極管光敏面上,進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換及放大處理,輸給控制電路作為測(cè)程計(jì)數(shù)的關(guān)門信號(hào),計(jì)數(shù)電路停止計(jì)數(shù),距離的測(cè)量結(jié)果由顯示器直接顯示出來(lái)。 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(hào)而將其變換為電氣信號(hào)。。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(guò)程利用我們自行研發(fā)的“地裂縫變形監(jiān)測(cè)軟件”進(jìn)行處理，將三個(gè)方向的位移變化直觀的利用運(yùn)動(dòng)路徑展示出來(lái)。同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了一點(diǎn)三個(gè)方向位移變化的同步輸出，達(dá)到了我們預(yù)期的效果。軟件操作簡(jiǎn)單，界面友好，便于操作。 二、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)說(shuō)明： 1.激光發(fā)射器:激光發(fā)射器采用MYZOX發(fā)射器。用來(lái)作為整個(gè)系統(tǒng)的激光發(fā)射器; 2.水準(zhǔn)泡：用來(lái)調(diào)節(jié)激光發(fā)射器的平衡; 3.顯示器：顯示測(cè)距儀測(cè)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(cè)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(zhǎng)在650nn左右，用來(lái)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(lái)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 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(guó)土資源部表示，中國(guó)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(jìn)性地質(zhì)災(zāi)害，我國(guó)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(wú)關(guān)系；滑坡常常給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人民生命財(cái)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(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)極大的威脅，然而現(xiàn)存對(duì)裂縫的變形監(jiān)測(cè)手段相對(duì)于當(dāng)量地質(zhì)與工程問(wèn)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(jī)的原理，在機(jī)械式裂縫變形測(cè)量?jī)x的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)、創(chuàng)新，立足于西安地裂縫的工程實(shí)際自行設(shè)計(jì)與制作電路，將現(xiàn)有的激光測(cè)距儀技術(shù)與光電技術(shù)結(jié)合，不僅實(shí)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(diǎn) （1）對(duì)裂縫同一點(diǎn)位移變形的垂直位移與張裂位移和水平錯(cuò)動(dòng)量的絕對(duì)值同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)；（2）安裝非常方便，而且裂縫測(cè)量時(shí)測(cè)量?jī)x不存在機(jī)械力的影響；（3）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)傳輸，超位移分級(jí)報(bào)警等功能。 四、技術(shù)關(guān)鍵 1.運(yùn)用激光技術(shù)，將光電技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)工程，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)與學(xué)科兩個(gè)方面的整合；2.自行進(jìn)行軟件開發(fā)，并將其應(yīng)用于本產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)方向位移的整合運(yùn)動(dòng)曲線，以圖像的方式顯示； 五、主要技術(shù)指標(biāo)：本系統(tǒng)的量程范圍滿足大多數(shù)裂縫測(cè)量要求，精度能達(dá)到1mm級(jí)別，在工程中滿足要求。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 作品的科學(xué)性、先進(jìn)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(cè)是一個(gè)熱門的課題，但是尚未有一種能夠同時(shí)測(cè)得三向位移變形同步輸出數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)儀器?，F(xiàn)有的機(jī)械式裂縫三向變形測(cè)量?jī)x，因?yàn)槭菣C(jī)械儀器，滑桿間具有一定的摩擦，同時(shí)因?yàn)闂U件之間的扭動(dòng)而使得設(shè)備卡死，所以在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限；多點(diǎn)監(jiān)測(cè)法缺點(diǎn)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；相對(duì)位移檢測(cè)法現(xiàn)行的儀器有整體式TS三向測(cè)縫計(jì)。其缺點(diǎn)是將空間位移轉(zhuǎn)化相對(duì)位移的計(jì)算過(guò)程較繁瑣，且其間會(huì)產(chǎn)生不必要的誤差。 本作品--裂縫三向變形激光監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用激光技術(shù)，在機(jī)械式裂縫檢測(cè)儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，初步實(shí)現(xiàn)了三個(gè)方向位移變化的監(jiān)測(cè)，比較以往對(duì)裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)的多點(diǎn)檢測(cè)法和相對(duì)位移法，此作品操作簡(jiǎn)單，精確度高，并且達(dá)到了預(yù)期的同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)三向變形同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并輸出的功能。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 本作品于2011年4月獲長(zhǎng)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(jìng)賽特等獎(jiǎng)；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(jiǎng)。
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(shí)物、產(chǎn)品；模型；現(xiàn)場(chǎng)演示；圖片
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 一、產(chǎn)品使用說(shuō)明 1：布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，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(cè)距儀發(fā)射的激光，一方面測(cè)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(hào)，同時(shí)測(cè)得地裂縫的垂直變化量與左右錯(cuò)動(dòng)量。5：數(shù)據(jù)處理器對(duì)三個(gè)方向的位移量進(jìn)行整合，通過(guò)軟件畫出運(yùn)動(dòng)曲線。 二、優(yōu)勢(shì)： 1.對(duì)同一點(diǎn)的三向位移變化量同步監(jiān)測(cè)，同步輸出； 2.產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)清晰，操作簡(jiǎn)單。由專門的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理，快捷方便準(zhǔn)確；3.設(shè)有的超位移預(yù)警系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)超位移預(yù)警。 四、適應(yīng)范圍： 產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是基于對(duì)地裂縫的三向位移的監(jiān)測(cè)，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(cè)，對(duì)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(jià)值。 五、推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明： 本產(chǎn)品運(yùn)用3DU5C光敏三極管，以及BOSCH激光測(cè)距儀，控制波長(zhǎng)在650nn，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)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(cè)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，而多向變形的實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)還很不成熟。目前裂縫變形的多向監(jiān)測(cè)常用方法有機(jī)械式變形監(jiān)測(cè)儀法，多點(diǎn)檢測(cè)法和相對(duì)位移檢測(cè)法。機(jī)械式三向變形監(jiān)測(cè)儀因?yàn)槭菣C(jī)械儀器，滑桿間具有一定的摩擦，同時(shí)因?yàn)闂U件之間的扭動(dòng)而使得設(shè)備卡死，所以在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限；多點(diǎn)監(jiān)測(cè)法即為在地裂縫的兩側(cè)設(shè)置多個(gè)點(diǎn)分別埋設(shè)百分表，來(lái)檢測(cè)水平垂直和剪切。這種方法設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便易行；缺點(diǎn)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；相對(duì)位移檢測(cè)法即為將三向移動(dòng)轉(zhuǎn)變成空間中一點(diǎn)P的移動(dòng)，則通過(guò)p點(diǎn)的相對(duì)位移計(jì)算出地裂縫的真實(shí)位移，現(xiàn)行的儀器有整體式TS三向測(cè)縫計(jì)其缺點(diǎn)是將空間位移轉(zhuǎn)化相對(duì)位移的計(jì)算過(guò)程較繁瑣，機(jī)械式的測(cè)量裂縫的兩端的部件之間存在一定的機(jī)械力，這種機(jī)械力對(duì)位移的監(jiān)測(cè)的結(jié)果影響很大，而且信息的反饋相對(duì)滯后。 激光技術(shù)在國(guó)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(cè)上還沒有得到實(shí)際的應(yīng)用。有些偏遠(yuǎn)山區(qū)對(duì)滑坡和崩塌、泥石流的監(jiān)控還處在專派人員逐級(jí)向上級(jí)匯報(bào)的層次，有些施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于地裂縫的變形監(jiān)測(cè)也是無(wú)能為力。因此，發(fā)明一種可以脫離人員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、“一點(diǎn)三向”位移變化同步遠(yuǎn)程輸出、危險(xiǎn)位移信號(hào)警報(bào)的創(chuàng)新型系統(tǒng)對(duì)于解決現(xiàn)有問(wèn)題很有必要。 以地裂縫為研究對(duì)象，經(jīng)過(guò)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(dòng)等3個(gè)方向的變形，其中垂直位移量最大，活動(dòng)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(cuò)動(dòng)量多數(shù)甚微，與其它兩個(gè)方向具有數(shù)量級(jí)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(jī)械式三向測(cè)量?jī)x的原理，設(shè)計(jì)出新的裂縫三向變形激光測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用激光測(cè)距的技術(shù)，可以同時(shí)測(cè)量同一測(cè)點(diǎn)垂直位移與張裂位移和水平錯(cuò)動(dòng)量的絕對(duì)值。并使用自行研發(fā)的軟件將感光板接收的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為變形數(shù)據(jù)，同時(shí)在數(shù)據(jù)顯示器顯示出三個(gè)方向的位移變化，且可以繪制出變形曲線，進(jìn)一步把處理結(jié)果傳輸給計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)距離無(wú)線監(jiān)控；并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)限位計(jì)和控制室限位方法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警與遠(yuǎn)程報(bào)警。該測(cè)試系統(tǒng)具有靈活簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)、測(cè)量精度高、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控與報(bào)警等特點(diǎn)，可以大量的應(yīng)用在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、水利水電，公路橋梁裂縫測(cè)量等諸多領(lǐng)域。
