基本信息
- 项目名称：
- 裂缝三向变形激光监测系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 作品应用激光打靶机的理论与方法，在机械式裂缝三向变形测量仪的基础上进行改进、创新，立足于西安地裂缝的工程实际，突破现有技术瓶颈，自行设计与制作电路，将现有的激光测距仪技术与光电技术结合，不仅实现了传统技术与前沿技术的整合，而且在一定程度上完成了光电学与地质学跨学科的技术突破。
- 详细介绍：
- 地裂缝等的地质灾害三向变形，公路桥梁以及水利水电工程的各种裂缝变形具有一定的多维变形特征，因此，针对裂缝的三向变形监测系统的研究对于地质灾害变形监测与预警，以及土木工程不均匀变形等不良工程问题安全评估具有重大意义。裂缝三向变形激光监测系统基于三向变形测量的原理与方法，应用激光技术，无线传输技术等实现了裂缝在同一监测点的三个方向位移的同步监测、数据的同步输出，以及分级预警，具有很大的工程实用价值。 一、作品结构原理： 1. 激光发射器结构及原理 激光发射器主要由控制电源、激光器、光学系统、放大电路、控制逻辑计数、取样、显示等部分组成。激光测距仪工作过程如下:接通电源,接到测距选通工作信号时,产品进入选通工作状态,对选通电位器的值进行处理,使显示器显示相应的选通距离数值,完成测试距离的选择;当按下测距按键时，产品进入测距工作状态,首先令充电电源进行DC/DC变换,待几组电压建立后,发出复位信号,对计数电路进行复位及实现接收放大电路的增益控制,同时触发激光发射系统发出脉冲激光。由取样电路对发射激光进行光电转换,作为控制电路测距计数的开门信号,这时计数电路开始计数。射到目标反射回来的激光会聚于雪崩光电二极管光敏面上,进行光电转换及放大处理,输给控制电路作为测程计数的关门信号,计数电路停止计数,距离的测量结果由显示器直接显示出来。 2.激光接收器结构原理 激光感光板使用的是3DU5C光敏三极管，与USB接口，5v的电源共同构成激光的接收面板。光敏三极管(光电三极管)接受光的信号而将其变换为电气信号。。罐形封闭，激光感光板使用的是罐封闭型的三极管。 3.数据处理系统原理 数据处理过程利用我们自行研发的“地裂缝变形监测软件”进行处理，将三个方向的位移变化直观的利用运动路径展示出来。同时也实现了一点三个方向位移变化的同步输出，达到了我们预期的效果。软件操作简单，界面友好，便于操作。 二、产品结构说明： 1.激光发射器:激光发射器采用MYZOX发射器。用来作为整个系统的激光发射器; 2.水准泡：用来调节激光发射器的平衡; 3.显示器：显示测距仪测出的距离; 4.控制按钮：激光发射器上的控制按钮,包括电源开关，测量开关等控制开关; 5.激光：激光发射器发出的激光，其波长在650nn左右，用来激发激光接收面板; 6.激光接收面板：接收由激光发射器射出的激光，得到感应，用来显示面板横向与竖向的位移变化; 7.数据处理系统：利用自行开发的软件对数据进行处理。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、作品发明的目的 地质灾害已成为除地震外造成人员伤亡最大的自然灾害。今年1至7月造成人员伤亡的地质灾害248起。国土资源部表示，中国地质灾害高发频发的状况可能继续存在。其中，地裂缝是一种缓慢发展的渐进性地质灾害，我国的地裂缝分布十分广泛，西安地裂缝最近发生的地铁基坑坍塌事故与地裂缝不无关系；滑坡常常给工农业生产以及人民生命财产造成巨大损失。另一方面，公路桥梁，建筑，水利水电方面等土木工程中的裂缝变形也对人们的生命财产带来极大的威胁，然而现存对裂缝的变形监测手段相对于当量地质与工程问题的出现而显得十分滞后。 二、基本思路 作品应用激光打靶机的原理，在机械式裂缝变形测量仪的基础上进行改进、创新，立足于西安地裂缝的工程实际自行设计与制作电路，将现有的激光测距仪技术与光电技术结合，不仅实现了传统技术与前沿技术的整合，而且在一定程度上完成了光电学与地质学跨学科的技术突破。 三、创新点 （1）对裂缝同一点位移变形的垂直位移与张裂位移和水平错动量的绝对值同时进行观测；（2）安装非常方便，而且裂缝测量时测量仪不存在机械力的影响；（3）监测系统能够实现了远程实时传输，超位移分级报警等功能。 四、技术关键 1.运用激光技术，将光电技术应用于地质工程，实现了技术与学科两个方面的整合；2.自行进行软件开发，并将其应用于本产品，实现了三个方向位移的整合运动曲线，以图像的方式显示； 五、主要技术指标：本系统的量程范围满足大多数裂缝测量要求，精度能达到1mm级别，在工程中满足要求。
科学性、先进性
- 作品的科学性、先进性： 地裂缝，滑坡为主的地质灾害以及水利水电，公路桥梁等土木工程施工上的裂缝变形监测是一个热门的课题，但是尚未有一种能够同时测得三向位移变形同步输出数据的监测仪器。现有的机械式裂缝三向变形测量仪，因为是机械仪器，滑杆间具有一定的摩擦，同时因为杆件之间的扭动而使得设备卡死，所以在实际应用中有一定的局限；多点监测法缺点是仪器的安装繁琐，人工读取数据误差大，可靠度不高，不能进行实时监测；相对位移检测法现行的仪器有整体式TS三向测缝计。其缺点是将空间位移转化相对位移的计算过程较繁琐，且其间会产生不必要的误差。 本作品--裂缝三向变形激光监测系统利用激光技术，在机械式裂缝检测仪的基础上进行改进创新，初步实现了三个方向位移变化的监测，比较以往对裂缝进行监测的多点检测法和相对位移法，此作品操作简单，精确度高，并且达到了预期的同一监测点三向变形同时进行监测并输出的功能。
获奖情况及鉴定结果
- 本作品于2011年4月获长安大学第七届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖；于2011年6月获第八届西安高新“挑战杯“陕西省大学生课外学术科技作品大赛一等奖。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 专利转让
作品可展示的形式
- 实物、产品；模型；现场演示；图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 一、产品使用说明 1：布置监测点，根据规范选择恰当的位置。2：摆设好脚架，整平，把仪器和接收器架设好（干电池和电源线都装好）。3：打开激光发射器和接收器电源，开始工作。4：激光测距仪发射的激光，一方面测出地裂缝的水平引张量，另一方面激发激光接收面板，面板感光后发出信号，同时测得地裂缝的垂直变化量与左右错动量。5：数据处理器对三个方向的位移量进行整合，通过软件画出运动曲线。 二、优势： 1.对同一点的三向位移变化量同步监测，同步输出； 2.产品的结构清晰，操作简单。由专门的数据处理软件进行处理，快捷方便准确；3.设有的超位移预警系统可以实现超位移预警。 四、适应范围： 产品的设计是基于对地裂缝的三向位移的监测，该产品也可以广泛的应用于水利水电，公路桥梁诸多领域裂缝的变形监测，对于地质灾害的预警，如地面沉降， 崩塌，滑坡等也有一定的使用价值。 五、推广前景的技术性说明： 本产品运用3DU5C光敏三极管，以及BOSCH激光测距仪，控制波长在650nn，实现了三个方向的整合。
同类课题研究水平概述
- 裂缝变形的单向监测技术已经相当成熟，而多向变形的实时变形监测还很不成熟。目前裂缝变形的多向监测常用方法有机械式变形监测仪法，多点检测法和相对位移检测法。机械式三向变形监测仪因为是机械仪器，滑杆间具有一定的摩擦，同时因为杆件之间的扭动而使得设备卡死，所以在实际应用中有一定的局限；多点监测法即为在地裂缝的两侧设置多个点分别埋设百分表，来检测水平垂直和剪切。这种方法设备简单，操作方便易行；缺点是仪器的安装繁琐，人工读取数据误差大，可靠度不高，不能进行实时监测；相对位移检测法即为将三向移动转变成空间中一点P的移动，则通过p点的相对位移计算出地裂缝的真实位移，现行的仪器有整体式TS三向测缝计其缺点是将空间位移转化相对位移的计算过程较繁琐，机械式的测量裂缝的两端的部件之间存在一定的机械力，这种机械力对位移的监测的结果影响很大，而且信息的反馈相对滞后。 激光技术在国内外公路交通方面应用比较广泛，但是在工程裂缝多向变形监测上还没有得到实际的应用。有些偏远山区对滑坡和崩塌、泥石流的监控还处在专派人员逐级向上级汇报的层次，有些施工现场对于地裂缝的变形监测也是无能为力。因此，发明一种可以脱离人员现场监测、“一点三向”位移变化同步远程输出、危险位移信号警报的创新型系统对于解决现有问题很有必要。 以地裂缝为研究对象，经过大量研究表明，西安的10余条地裂缝具有统一的三维变形特征，即南倾南降的垂直位移、水平引张和水平左旋扭动等3个方向的变形，其中垂直位移量最大，活动速率以5-30mm/a者居多，最大者愈50mm/a；南北水平拉张量次之，拉张速率为2-10mm/a；水平错动量多数甚微，与其它两个方向具有数量级的差别，一般速率为1-2mm/a。我们的课题小组在老师指导下，利用机械式三向测量仪的原理，设计出新的裂缝三向变形激光测量系统。该系统应用激光测距的技术，可以同时测量同一测点垂直位移与张裂位移和水平错动量的绝对值。并使用自行研发的软件将感光板接收的光信号转化为变形数据，同时在数据显示器显示出三个方向的位移变化，且可以绘制出变形曲线，进一步把处理结果传输给计算机实现实时远距离无线监控；并通过现场限位计和控制室限位方法实现现场报警与远程报警。该测试系统具有灵活简单、实用性强、测量精度高、远程实时监控与报警等特点，可以大量的应用在地质灾害监测、水利水电，公路桥梁裂缝测量等诸多领域。
