CCD雙金屬標儀的研制及應用*

趙義飛 李農發 歐同庚 史雨輝

1)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071

2)中國地震局地殼應力研究所武漢科技創新基地，武漢 430071

3)中國地震局地球物理研究所，北京 100081

CCD雙金屬標儀的研制及應用*

趙義飛1，2)李農發1，2)歐同庚1，2，3)史雨輝1，2)

1)中國地震局地震研究所(地震大地測量重點實驗室)，武漢 430071

2)中國地震局地殼應力研究所武漢科技創新基地，武漢 430071

3)中國地震局地球物理研究所，北京 100081

基于雙金屬標的基本原理，設計了一種光電式雙金屬標儀，并將其成功應用于亭子口水電站大壩垂直位移安全監測系統中。運行結果表明，儀器運行狀態穩定可靠，監測效果良好。

CCD;雙金屬標;基準點;垂直位移;安全監測

1 引言

垂直位移監測儀器子系統是水庫、水電站大壩安全監測系統的重要組成部分，垂直位移觀測常用精密水準、靜力水準測量方法來實現，這兩種觀測方式需要設置水準基點，絕對垂直位移基點一般采用深埋標志。為了減少溫度對深埋標志的影響，通常深埋標志選擇雙金屬標的形式，雙金屬標儀即為測量深埋標志變化的儀器。雙金屬標觀測數據是否準確，對整個靜力水準系統的正常工作起著舉足輕重的作用［1］。

CCD器件是一種半導體器件，它利用光電轉換原理把圖像信息直接轉換成電信號，這樣便實現了非電量的電測量。同時它具有體積小、重量輕、噪聲低、自掃描、工作速度快、測量精度高、壽命長等優點，在精密測量工程中有著廣泛的應用［2］。CW-SBⅡ型遙測雙金屬標儀是基于CCD設計的一種垂直位移監測儀器，該儀器具有安裝方便、測量數據連續可靠、精度高、分辨率高等特點。

2 雙金屬標工作原理

2.2 雙金屬標結構

常見的雙金屬標采用平行設置的兩根具有不同線膨脹系數的金屬管組成雙金屬標(見圖1)［3］。

圖1 雙金屬標結構圖Fig.1 Structure of bi-metal tube

2.2 雙金屬標原理

由于鋼管和鋁管都采用深埋方式處理，長度大體一致，所以可以記兩根管原有長度均為L，鋼管的線膨脹系數為α鋼，鋁管的線膨脹系數為α鋁。在鋼管頂部與頂體之間安裝自動化觀測儀器或者是傳感器，測量鋼管頂部相對于鋼管底部的形變量X，此處鋼管底部一般埋設在大壩所處地理位置的基巖處，t1時刻測量的數值記為X1，t2時刻測量的數值記為X2。則每次實測雙金屬標處大壩沉降為H，即

式中:ΔT表示鋼管、鋁管各高度層溫度變化的平均值;α鋼ΔTL表示溫度變化引起的鋼管的長度變化量。

同理，在鋁管頂部與頂體之間安裝自動化觀測儀器，測量鋁管頂部相對于鋁管底部的形變量Y，t1時刻測量的數值記為Y1，t2時刻測量的數值記為Y2。則每次實測雙金屬標處大壩垂直位移為:

由式(1)，式(2)可得

取鋼管的線膨脹系數α鋼=1.2×10－5/℃，鋁管的線膨脹系數為 α鋁=2.4 ×10－5/℃，則有

由式(5)可以看出，采用雙金屬標這種測量方法，不需要安置測溫裝置來測定溫度，只需通過傳感器測量得到兩只管標的形變量，即可得到雙金屬標處大壩壩體的垂直位移量H。

3 光電式雙金屬標儀的設計

儀器由兩路光源、光學系統、狹縫、CCD位移傳感器、信號與處理電路、接口電路等組成(圖2)。

儀器專用的光學系統，準直后的光束具有較好的平行性。準直處理后的光束通過狹縫，在CCD接收靶面上形成一亮線。當溫度變化時，鋼管與鋁管的長度會發生變化，而該亮線位置也隨之發生相應的變化，該儀器兩路輸出:一路是鋼管與基點之間的差值;另一路是鋁管與基點之間的差值。根據這其差值求得基點的變化值。

儀器設計并安裝了兩個保護電路:一是電源保護電路。儀器采用AC36 V供電，在電源輸入端安裝了防雷擊、防浪涌及抗干擾電路，可承受3 kV，1 kA雷電沖擊;二是485端口保護電路。根據485端口的特點，安裝了光電隔離、防雷擊、防浪涌及抗靜電電路，除可承受3 kV、1 kA雷電沖擊外，還可抗±30 kV靜電。它們可保證儀器能在惡劣環境條件下正常工作。

4 工程實際應用

亭子口水利樞紐工程位于四川省廣元市蒼溪縣境內，距蒼溪縣城15 km，是嘉陵江干流開發中唯一的控制性工程。CW-SBⅡ型遙測雙金屬標儀布設在水電站基礎廊道31#壩段，儀器采用不銹鋼壓塊固定在混凝土表面，由于儀器對光元素敏感，在儀器安裝好后，采用不透明蓋子將整個儀器墩子蓋好。儀器采用36 V安全電壓供電，輸出兩路485信號，直接進入計算機當中，采用專用軟件進行數據采集。

儀器主要技術指標為:

量程:25 mm;

分辯力:0.02 mm;

測量準確度:0.05 mm;

測量方式:隨機點測;

輸出方式:數字量并帶有485端口;

數據傳輸速率:1 200 bit～9 600 bit可選;

工作電壓:AC36 V;

溫度:－15℃ ～+50℃;

相對濕度:98%。

表1是從亭子口水電站返回的儀器觀測數據(測點編號:DS01BD31;埋設部位:基礎廊道31#壩段;高程:352.937m)，取2012年1月7日觀測數據作為儀器初始觀測值，差值為后來觀測數據與初始觀測數據的差值，沉降值是通過雙金屬標的原理計算獲取的數值。

表1 儀器觀測數據(單位:mm)Tab.1 Instrument observations(unit:mm)

從表中觀測數據可以看出，雙金屬標儀測值連續性較好，無突變，符合水電站在初建時期所發生的沉降形變，為大壩安全監測提供了有用可靠的初始數據。在雙金屬標儀運行的半年多時間內，系統沒有發生故障，能夠隨時自動監測，且成功獲取有效的監測數據，儀器系統的可靠性高。

5 結束語

雙金屬標標點作為垂直位移觀測的一種基準點，用于大壩垂直位移監測或高程傳遞，能夠完成大壩垂直位移觀測任務的前提是其本身的可靠性和準確性，而其本身的準確性來源于對雙金屬標基本原理的正確理解及安裝的準確［4］。文章通過對雙金屬標的基本結構和原理進行了分析研究，設計出一種基于CCD傳感器的雙金屬標儀，并將其成功地應用于實際，能及時準確地監測大壩的變形情況，為實現大壩廊道垂直位移監測提供連續可靠的工作基點。監測結果表明，儀器系統具備精度高、長期穩定性好，可靠性高等特點。

1 肖永紅，周克明.雙金屬標在大壩垂直位移觀測中的應用與改進［J］.大壩與安全，2007，(04):22－24.(Xiao Yonghong and Zhou Keming.Application and improvement of double-metal marks in damvertical displacement measurement［J］.Dam and Safety，2007，(04):22 －24)

2 楊博雄，等.一種線陣CCD時序仿真新方法［J］.大地測量與地球動力學，2004，(3);124 －127.(Yang Boxiong，et al.A new method of linear CCD time sequence and simulation［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2004，(3);124－127)

3 DL/T5178－2003.混凝土大壩安全監測技術規范［S］.北京:中國電力出版社，2003.(DL/T5178-2003，Technical specification for concrete dam safety monitoring［s］.Beijing:China Electric Press，2003)

4 陳曙強.青銅峽大壩深埋雙金屬標安裝技術探討［J］.寧夏工程技術，2008，7(3):264 －265.(Chen Shuqiang.Discussion on install technology of the bimetal deeply buries in Qingtongxia dam［J］.Ningxia Engineering Technology，2008，7(3):264－265)

DEVELOPMENT AND APPLICATION OF CCD TYPE BI-METAL TUBE INSTRUMENT

Zhao Yifei1，2)，Li Nongfa1，2)，Ou Tonggeng1，2，3)and Shi Yuhui1，2)
1)Key Laboratory of Earthquake Geodesy，Institute of Seismology，CEA，Wuhan430071
2)Wuhan Base of Institute Crustal Dynamics，CEA，Wuhan430071
3)Institute of Geophysics，CEA，Beijing100081

A photoelectric bi-metal tube is developed successfully based on the principle of bi-metal tube.This instrument is applied to the vertical displacement monitoring system of the Tingzikou hydropower dam.The results show that the instrument operation is stable and reliable，and monitoring effect is good.

Charge-Coupled Device(CCD);bi-metal tube;reference point;vertical displacement;safety monitoring

TV689.1

A

1671-5942(2013)05-0157-03

2012-07-30

中國地震局基本科研業務費專項(IS201126048)

趙義飛，男，1984生，助理工程師，主要從事形變觀測技術的研究.E－mail:yifei_zhao0712@163.com

圖2 儀器結構組成

Fig.2 Structure composition of instrument