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高寒區RCC壩長距離真空激光係統關鍵技術綜述

放大字體  縮小字體 發布日期:2021-11-17 14:15:37    瀏覽次數:1    評論:0
導讀

摘要:隨著工程規模、地理位置、環境影響等對大壩變形監測的精度需求不斷提高,研究適合於高寒區、長距離的真空激光準直係統已成為迫切需要。以新疆某RCC壩為例,從菲涅爾波帶片的結構與設計、波帶片重複切入光路以及如何高精度重複定位、高寒區激光準直係統保溫措施、長距離調光技術及係統故障自動檢測等方麵介紹了長距離

摘要隨著工程規模、地理位置、環境影響等對大壩變形監測的精度需求不斷提高,研究適合於高寒區、長距離的真空激光準直係統已成為迫切需要。以新疆某RCC壩為例,從菲涅爾波帶片的結構與設計、波帶片重複切入光路以及如何高精度重複定位、高寒區激光準直係統保溫措施、長距離調光技術及係統故障自動檢測等方麵介紹了長距離真空激光準直係統的研發過程與應用情況。實踐證明,研製的真空激光準直係統監測結果精度較高,且解決了大氣激光準直的漂移、抖動和偏折問題。

  RCC壩; 真空激光準真係統; 高寒區; 長距離; 調光技術

近年來隨著科技的發展和創新,大壩安全監測技術也得到了不斷的提升,大壩變形監測方法、手段及設備也日益更新、增多。目前在國內外常用的大壩變形監測設備主要有垂線坐標儀、引張線儀、雙金屬管標、靜力水準儀、大氣激光係統、真空激光係統等[1-2]。其中真空激光準直自動化監測係統因其能同時測量大壩水平位移和垂直位移,具有觀測精度高、穩定性好、安裝調試後維修少等優點而倍受關注,並在國內外諸多工程中得到推廣應用,有較好的發展前景。

21世紀以來,激光準直係統逐漸采用CCD光電耦合技術及計算機圖像識別技術,實現了真空激光準直測量係統在湖南鎮大壩、白石水庫、金安橋水電站[3]、山口水庫大壩、萬家寨水電站、參窩大壩、大朝山大壩、炳靈大壩、烏溪江水電廠[4]、鬧德海水庫、瀑布溝水電站[5]、龍灘大壩、觀音閣水庫[6]、新疆衝乎爾、葛洲壩、尼爾基等工程中的應用(已超過20多套激光準直係統)。隨著大型和特大型工程以及特殊地理位置、環境對變形監測的需求不斷提高,研究適合高寒區、長距離的真空激光準直係統已成為迫切需要。

某RCC壩水利樞紐工程為Ⅰ等大(一)型工程,具有供水、發電和防洪等綜合效益。大壩最大壩高121.5 m,主壩全長1 570 m,正常蓄水位為739 m,死水位為680 m。大壩地處高緯度嚴寒地區,具有壩軸線長,最大壩高高,幹燥寒冷周期長、近場區地處地震帶,地震地質背景複雜等特點。為了弄清嚴寒區重力壩變形規律和特性,掌握大壩運行性態,保障大壩運行安全,通過合理的優化設計,設置了兩條長距離真空激光準直係統。一條在706.5 m高程廊道內,長度313 m,布置了9個測點;第二條在壩頂激光廊道內,全長1 208 m,布置了31個測點,溢流壩段處的管道采用了保溫措施。

1 真空激光準直係統的原理及應用

1.1 係統工作原理

長距離真空激光準直監測係統采用激光器發出一束激光,穿過與大壩待測部位固結在一起的波帶片(菲涅耳波帶板),在接收端的成像屏上形成一個衍射光斑。利用CCD坐標儀測出光斑在成像屏上的位移變化,即可求得大壩待測部位相對於激光軸線的位移變化[7-8]。其工作原理簡圖如圖1所示。

設波帶板距光闌距離為S,即波帶板的物距為S;成像屏距波帶板距離為S′,即經波帶板成像的像距為S′;則成像屏至光闌的距離為L=S+S′,也即係統的準直距離為L

波帶板的焦距應滿足波帶片的成像公式:

則通過小孔光闌的激光束經波帶板會聚,將在成像屏上形成一個清晰的衍射光斑。

圖1 真空激光準直監測係統原理示意
Fig.1 Schematic diagram of vacuum laser alignment monitoring system

1.2 係統組成

真空激光準直監測係統由6部分組成:激光發射端、測點部分(含波帶片、翻轉機構、翻轉機構控製模塊)、激光接收端(CCD坐標儀、接收屏)、真空形成係統、自動控製係統(圖像處理係統、數據采集係統)、故障自檢係統等[9-10]

1.3 自動化控製原理

長距離真空激光準直監測係統采用無人值守自動化測量,以計算機作為控製係統主機,自動控製係統構成如圖2所示。

圖2 自動控製係統構成
Fig.2 Automatic control system block diagram

2 關鍵技術綜述

2.1 菲涅耳波帶片結構設計

根據菲涅耳波帶片成像原理,理想的菲涅耳波帶片應該是由多個遮光與透光交替相間的同心圓環組成的片狀物。而實際應用則無法使這些相間圓環有效布設而形成遠場衍射成像[11-12]。因此將菲涅耳成像原理應用於長距離遠場成像,其結構設計需通過以下措施來實現。

(1) 緊緊圍繞菲涅耳波帶片的成像原理,結合當前先進的通光波帶的加工工藝,選擇適用於工程長期可靠使用的材料設計波帶片的初始結構。

(2) 搭建試驗平台,模擬工程應用的試驗環境,通過一係列試驗逐步改進波帶片的設計參數和結構形式,形成高逼近菲涅耳透鏡的波帶片。

為了保證波帶片長期不變形且不發生腐蝕,采用不鏽鋼作為波帶片的製作材料。采用先進製造工藝,製出的波帶片精度高,表麵平整,在正常使用條件下,其壽命可達到100 a。改進並應用於某RCC壩真空激光準直監測係統的菲涅耳波帶片厚度僅為0.05 mm,波帶精度為0.02 mm。在同一片不鏽鋼片上刻畫出相間同心圓環的通光帶和遮光帶,並采用多個沿圓周均布筋條連接,有效解決了數十個細密通光帶的連接與支撐問題。理論上的菲涅耳光斑如圖3所示,高逼近菲涅耳透鏡的波帶片結構示意圖如圖4所示。

圖3 菲涅耳遠場衍射光斑效果
Fig.3 Fresnel far field diffraction spot effect

圖4 高逼近菲涅耳透鏡的波帶片結構示意
Fig.4 Schematic diagram of a zone plate with
high approaching Fresnel lens

2.2 波帶片切入光路、高精度定位裝置

波帶片如何切入光路並在測量完成後退出光路可通過自動控製裝置完成,但解決波帶片重複切入且可高精度重複定位這一問題是整個激光準直監測係統的關鍵點,因此一套集切入並具有高重複定位精度的裝置在整個係統中是非常重要的。

(1) 波帶片可靠切入與退出光路的方法。采用直流電機(DC24V)作為波帶片切入光路的動力源,它在單片機控製下旋轉,並帶動波帶片起落,實現了波帶片切入與退出光路的功能。直流電機在真空環境中應用的可靠性、穩定性及壽命均可滿足激光係統使用要求。

(2) 實現波帶片高重複定位精度的手段。采用機械定位(機械限位塊)與電氣定位(電磁定位)相結合的方式確保了波帶片的重複定位精度。通過可在真空環境長期工作的微動開關來感知、獲取波帶片的位置信息,並將其信息反饋給自動控製係統。

通過試驗獲知,翻轉機構可連續翻轉2萬次以上不發生故障。若出現故障更換零件時也不會使波帶片的位移發生變化,對整個係統的測量值不會造成影響,其結構示意圖如圖5所示。

圖5 波帶片切入裝置示意
Fig.5 Schematic diagram of the zone plate inserting device

2.3 高寒區真空激光係統保溫措施

高寒區的真空激光準直係統與一般地區真空激光準直係統最大的區別在於它受極端低溫的影響,最關鍵的就是要做好保溫措施。該工程所在區域最低氣溫在零下42℃左右,雖然大部分激光管在廊道內,但溢流壩段有將近200 m的管道暴露在空氣中,所以該工程采用9 mm壁厚的無縫鋼管,並對暴露在外麵的真空激光管采用外麵包裹10 cm厚的聚氨酯瓦片進行保溫處理,在真空激光的發射端和接收端各布置了一台真空泵,以保證激光管的真空狀態和長期穩定運作。

2.4 長距離、高難度的調光技術

某RCC壩水利樞紐工程位於高緯度嚴寒區,其地理位置具有特殊性,而且也是該類地區激光準直係統研發距離最長的,其距離為1 208 m,僅次於葛洲壩激光準直係統(1 630 m)。故其施工、安裝、調試技術的整體難度很大。

激光安裝調試是一項係統性強、施工工藝要求較高的調試技術,這其中最關鍵、最困難的就是調光技術,它是檢驗係統施工質量的重要環節。通過不斷地試驗並結合工程經驗,調試過程中先將整個管道(包括安裝管道裏的波帶板)密封,抽至真空後打開激光光源,讓激光束穿過波帶板形成衍射光斑,在管道出口的成像屏上形成光斑,光斑在屏幕上的位移可通過接收端CCD坐標儀測出位移量。要是測點全都安裝在管道中心,但有些測點成像還是不能出現在接收端屏幕上,那就說明該測點位置需要調整,激光調光難度最高的就是距離光源最近的測點。

通過不斷地調試、總結經驗,總結出了一種比較簡單有效的方法來解決超長距離真空激光前5個點難於調整的狀態:先調整靠近接收端的測點(一般距離發射端越遠的測點越容易調試),從發射端向接收端數前5個難調且在屏幕上找不到成像的測點,等其它測點調整好後,在放完真空的環境下,舉起已經調整好位置的測點(盡量選擇距離發射端最近的測點),同時舉起難於調整的測點的波帶板,使得激光通過這個波帶板後的能量中心與調整好位置的波帶板中心基本重合,這樣將靠近發射端的幾個測點一一調整後,密封,抽真空再次進行成像測試,基本上能在接收端屏幕上看到所有光斑,並通過相似三角形公式算出實際需要移動的位移。此方法在該工程上得到了成功應用,解決了激光測點盲調,費時、費力、費設備等難題。

2.5 係統故障自動智能診斷技術

真空激光準直係統的核心是光斑的位置,影響光斑位置的因素有很多,如管道真空度不夠、波帶板無法正常切入光路或者不能正常退出光路、同一時刻有2個及以上測點波帶板切入在光路中等,這些都會造成光斑成像不正確,另外任何一個硬件設備不正常都將引起不能正常測量或者測值不可靠,因此必須建立一套有效的故障診斷機製,確保係統測量前測量條件達到測量要求,否則測得的結果將是無效的。

係統故障自動智能診斷技術的重點分為硬件設計和軟件設計兩方麵。

硬件係統方麵,重點圍繞激光準直監測係統各個部件的功能,設計各個部件運行狀態反饋機構,將其運行狀態信息反饋至係統軟件。

(1) 在激光光源部件上布設電源通斷、光源熄亮反饋裝置。

(2) 在波帶片切入/出裝置上布設波帶片位置信息反饋開關。

(3) 在真空管道上布設電子真空計,將管道真空度反饋至係統軟件。

(4) 獨立的抽真空係統,自動維持管道真空度。

(5) 布設激光準直監測係統控製單元,實現係統各部件設備電源的有序管理,係統軟件與硬件設備、裝置的可靠通信與信息反饋。

(6) 衍射光斑成像係統將成像屏上的圖像信息傳輸至計算機,係統軟件給出實時圖像顯示。

軟件設計方麵,重點從保障測量環境符合係統測量要求來設計對硬件的控製邏輯,而不是單純追求測量速度。在測量前後尤其是係統自動啟動測量時,由於係統處於無人值守狀態,必須保證測量是在符合測量要求的條件下進行的。為此,在進行軟件設計時,首先對硬件設備的狀態以及管道內的真空度進行確認,符合要求時才進入測量流程。進入測量流程後,對各測點光路切入/切出進行排它性操作,保證隻有要進行測量的測點波帶板切入到光路,再進行測量[13-14]。另外增加自診斷日誌,記錄係統運行狀態,當係統硬件設備出現故障時 ,以圖示方式給出明顯提示,提醒管理員及時處理故障。

3 成果分析

3.1 水平位移

某RCC壩的壩頂真空激光準直係統於2015年9月安裝運行至今,從水平位移變化情況可以看出,壩頂最大水平位移為16.53 mm,月變幅為1~2 mm,壩頂水平位移和庫水位呈負相關的變化趨勢,略滯後於庫水位的變化;壩頂水平位移受溫度變化影響較大,溫度升高時,壩頂向上遊位移,溫度降低時,壩頂向下遊位移,呈現周期性的變化趨勢。主河床28號,29號壩段水平位移略大,其餘壩段水平位移變化較為均勻。壩頂水平位移過程線見圖6。

3.2 垂直位移

從壩頂垂直位移變化情況(見圖7)可以看出:壩頂的最大垂直位移為4.64 mm,月變幅為0.2~0.5 mm,垂直位移變化同水平位移變化相似,和庫水位變化呈負相關性,垂直位移變化略滯後於庫水位;壩頂垂直位移受溫度變化影響較大,溫度升高時,壩頂上抬,溫度降低時,壩頂下沉,呈現周期性的變化趨勢。主河床28,29號壩段垂直位移略大,其餘壩段垂直位移變化較為均勻。壩頂水平位移和垂直位移統計表見表1。

圖6 壩頂水平位移過程線
Fig.6 Dam crest horizontal displacement process line

圖7 壩頂垂直位移過程線
Fig.7 Dam crest vertical displacement process line diagram

表1 壩頂水平位移和垂直位移統計

Tab.1 Horizontal displacement and vertical displacement of dam crest mm

3.3 係統質量、測量精度分析

該真空激光準直係統從2015年投入使用至今,整體運行狀況良好,未出現不良工作狀態。該係統采用了麵陣電荷耦合元件(CCD)圖像處理策略與方法。實踐證明,通過這種圖像處理技術,其測量精度可以達到0.1 mm或者0.5×106L,最小讀數為0.01 mm,能夠很好地滿足真空激光準直係統的監測精度要求。

4 結 語

真空激光準直技術應用於大壩變形監測是中國自主研發的大壩監測手段,長距離真空激光準直監測係統的成功研發、關鍵技術的攻破解決了大氣激光準直的漂移、抖動和偏折等問題,具有測量精度高、長期可靠性好、自動化程度高、速度快、維護方便、便於長距離工程使用等,是現代化管理不可缺少的智能管理手段。


 
(文/小編)
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