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ag官方手机登录现代传感器技术

发布日期:2020-10-11 08:03

  现代传感器技术_能源/化工_工程科技_专业资料。石 家 庄 铁 道 大学 培养单位:大型结构研究所 学科专业:安全技术及工程 课程名称:现代传感器技术 任课教师:李剑芝 学生姓名:张纪松 学 号:120121903 考试日期:2013 年 01

  石 家 庄 铁 道 大学 培养单位:大型结构研究所 学科专业:安全技术及工程 课程名称:现代传感器技术 任课教师:李剑芝 学生姓名:张纪松 学 号:120121903 考试日期:2013 年 01 月 04 日 研究生学院 研究生课程考试答题纸 摘要:高速、重载铁路线路的建设对我国传统铁路设计、施工、检测等提出了新的 挑战。特别对路基沉降及变形的要求显著提高,这就需要对线路路基的沉降与变形 进行长期监测,对不符合要求的路基及时进行维护,同时研究不同条件下路基的沉 降与变形规律。针对路基沉降变形监测工程中存在的耗费大量人力,无法实时掌握 路况信息的问题,目前有研制开发了的温度不敏感型光纤光栅沉降位移传感器,其 量程达到100 mm,测量精度0.1 mm。此外还有对CCD检测系统的优化,对光学系 统进行设计,信号采集系统以及数据处理方法进行研究,并进行相关实验。 关键词:路基沉降 路基沉降变形 光纤光栅 CCD 光纤传感技术 1.绪论 近年来, 为了满足我国铁路交通建设事业的不断发展, 以及列车提速等多方面 的要求, 高速铁路的广泛修建已经成为我国铁路交通事业发展的必然趋势。在铁路 线路工程的设计与施工中,路基沉降观测是重要的技术管理项目之一, 对于工程项 目整体质量的实现也具有重要的意义。路基是承受高速铁路轨道结构重量和列车载 荷的基础, 也是线路工程中最不稳定、最薄弱的环节,因此, 在高速铁路的建设过 程中, 科学、合理的运用路基沉降观测技术是提升工程质量, 确保项目交付使用后 路基、轨道、桥梁的稳定性, 满足设计要求的关键项目。 2.路基沉降的概述 路基沉降与许多因素有关,诸如土地因素、施工因素、路堤荷载的大小、运行 期的交通量以及时间因素等。它是动态的,随着上述因素的变化,受力与沉降情况 也发生变化。荷载不断增大的过程中,路基土体从弹性状态进入塑性状态,然后进 入屈服状态,直到极限状态,最后到破坏状态。 第1页 研究生课程考试答题纸 从内因上讲,路基沉降往往是土层孔隙发生压缩变形,引起路基在竖直方向的 变形; 从外因上讲, 路基沉降是由外荷载作用在地基上,并在地基中产生附加应力, 附加应力使土体原有的应力状态发生变化,使地基土产生竖向、侧向和剪切变形, 导致各点竖向和侧向位移,竖向位移即为沉降。 路基沉降的主要危害有以下二个方面: ①由于沉降、 不均匀沉降, 会引起的轨道下沉和轨面弯折,影响线路的平顺性。 ②在通过桥梁的轨道中,必然存在桥台与路基的沉降差,当列车驶过这些地段 时,由于轨道刚度和变形发生突变,使得轮轨间的动力作用增大,从而引起轨道破 坏,影响行车的平稳性与安全性。 2.1 路基沉降变形相关概念 2.1.1 变形的定义 线下结构由于荷载、环境等作用引的起随时间发生的位移。 2.1.2 沉降的定义 基础设施在竖直方向产生的变形, 包括下沉和隆起, 向下为 “正” 向上为 , “负” 。 2.1.3 工后沉降的定义 有砟轨道工后沉降定义: 有砟轨道基础设施竣工铺轨工程(包括铺碴)开始时的沉降量与最终形成的总 沉降量之差。 无砟轨道工后沉降定义: 在铺轨工程完成以后,基础设施产生的沉降量。 2.1.4 差异沉降定义(无砟轨道) 在铺轨工程完成以后,路桥或路隧等连接处产生的沉降差。 2.1.5 折角的定义(无砟轨道) 在铺轨工程完成以后,路基与桥梁或隧道间由于过渡段沉降造成的弯折角度。 2.2 路基沉降的组成 路基总沉降是由不同阶段的沉降组成,与铁路运营直接相关的是路基的工后沉 第2页 研究生课程考试答题纸 降,要注意有砟轨道和无砟轨道对工后沉降计算的起点是不一样的。 有砟轨道和无砟轨道对工后沉降计算的起点是不一样的,有砟轨道工后沉降从 B 点开始计算,无砟轨道从 A 点开始计算。 路基的工后沉降主要由三部分组成: ①路基填土的压密下沉; ②行车引起的基床累计变形; ③地基产生的路基工后沉降 2.2.1 路基填土压密下沉 路基填土压密下沉是由填土自重引起的,主要发生在两个阶段,第一是施工阶 段的下沉,不计入工后沉降;第二是施工完成后对后期运营有影响的工后沉降。由 于路基是散体材料填筑而成的,其填土产生一定的压密下沉是正常的,其大小取决 于填料和压实质量。 按下列方式考虑: 根据目前各国的经验,路堤填土总的压密下沉量中有相当一部分是施工期间完 成,对于剩下部分的工后沉降还没有较好的算法,工后沉降大概占总的压密下沉量 的 1/3。 A 日本按路堤高度的 0.1~0.5%计算。 B 德国按公式 s=h2/3000(h 为路堤高度,单位 m)估算。 C 我国按路堤高度的 0.1~0.5%估算。 D 按照现在高速铁路和客运专线对路基填料、压实质量严格要求,按上述方法 估算得到的数值是偏大的。若能合理安排施工并有一定的放置时间,路基本体的压 密沉降很小可以在施工期间基本完成,不计入工后沉降 2.2.2 行车引起的基床累计下沉 运营阶段由于行车(动应力作用)引起的基床累计下沉,主要是列车通过道床 传递到路基面的动荷载引起道床嵌入基床的下陷量。根据日本经验一年运营后的累 计下沉量 1~2.5mm,且一年时间行车后趋于稳定。我国还还缺乏高速条件下的实测 数据。对于有砟轨道来说,这部分的沉降量很小,一般不计入工后沉降。 2.2.3 地基下沉引起的工后沉降 地基下沉引起的工后沉降主要与地基类型、处理措施、填土高度、施工周期等 第3页 研究生课程考试答题纸 因素有关。对于一般地基而言,其工后沉降有限,都能满足要求,但对于软土地基 来说,由于压缩性大、渗透系数小、强度低等特点,路基建成后的沉降量大且延续 时间较长才能完成。路基工后沉降主要是由地基沉降而引起的。 2.3 沉降观测目的及相关指标值 2.3.1 路基沉降观测目的 ①是用来指导现场路基施工填筑速率;②是用来推算路基工后沉降。 A 相关规范对路基沉降均提出了明确的要求: B 铁路特殊路基设计规范》要求: “在软土地基上填筑路堤时,应在边坡坡脚外设置边桩,在路堤中心线地面上 设置沉降观测设备,进行水平位移和沉降观测,控制填土速率,测定地基沉降值, 同时作为验交时控制工后沉降量的依据。 ” C《时速 300-350 公里新建客运专线铁路设计暂行规定》要求: “软土及松软土地基上填筑路堤时,应在边坡坡脚外设置边桩进行水平位移观 测,在路堤基底地面设置沉降观测设备进行沉降观测。在路堤填筑过程中,必须控 制填土速率。控制标准应为:路堤中心地面沉降速率≤1.0cm/每昼夜,坡脚水平位移 速率≤0.5cm/每昼夜。 应根据沉降观测情况进行综合分析, 以推算地基的最终沉降量, 并及时调整工艺、工法使地基处理达到预定的控制要求,同时应作为验交时控制工 后沉降量的依据。 ” D《客运专线无碴轨道铁路设计指南》要求: “软土路堤在填筑过程中,必须控制填土速率。控制标准为:路堤中心地面沉 降速率每昼夜不得大于 10mm,坡脚水平位移速率每昼夜不得大于 5mm。“土质地 ” 基路基均应进行工后沉降分析。路基在无碴轨道铺设完成后的工后沉降应满足扣件 调整和线路竖曲线圆顺的要求。 ” 从以上三本规范的规定可见,无砟轨道铁路要求凡土质地基路基均应进行工后 沉降观测分析,其它铁路的软土地基或设计要求地段应进行工后沉降观测分析。 2.3.2 指导现场施工 现场路堤施工应根据沉降观测结果严格控制填筑速率,应满足路堤中心沉降每 第4页 研究生课程考试答题纸 昼夜不得大于 10mm, 或边桩水平位移每昼夜不得大于 5mm, 否则应立即停止填筑, 待观测值恢复到限值以内,沉降稳定后再恢复填土,必要时采用卸载措施。 路堤施工中必须严格控制填土速率,过快的填土速率会破坏地基土的结构,加 大沉降总量,以往铁路路基的施工对填土速率的控制主要是从路基的稳定着眼的, 以减少沉降为目的的控制施工速率的做法是从高速公路的建设开始的,秦沈铁路客 运专线采用了相同的控制标准。ag官方手机登录实践证明对于沉降总量比较大的软土地基,应采用 这个标准。 2.3.3 路基工后沉降标准 根据沉降观测数据分析回归沉降与时间的关系曲线, 预测最终沉降和工后沉降。 工后沉降控制标准根据铁路等级不同指标值也不一样。 表1 路基工后沉降控制标准 铁路等级 旅客列车车速度 Km/h 工后沉降量 一般地段 路桥过渡段 沉降速率 客运专线 无渣轨道 有渣轨道 300~350 300~350 200~250 200 200 120~160 ≤120 ≤15mm ≤5cm ≤10cm ≤15 ≤15cm ≤20cm ≤30cm ≤5mm ≤3cm ≤5cm ≤8cm ≤8cm ≤10cm —— —— ≤2cm/年 ≤3cm/年 ≤4cm/年 ≤4cm/年 ≤5cm/年 —— I 级铁路 II 级铁路 A 无砟轨道工后沉降一般不应超过扣件允许的沉降调高量 15mm;有足够资料 证明、沉降比较均匀、长度大于 20m 的路基,允许的最大工后沉降量为 30mm, 第5页 研究生课程考试答题纸 并且调整轨面高程后的竖曲线半径应能满足下列要求: Rsh ? 0.4Vsj 2 (2-1) 式中: Rsh ——轨面圆顺的竖曲线半径,m Vsj ——设计最高速度,km/h B 路桥或路隧交界处的差异沉降不应大于 5mm,过渡段沉降造成的路基与桥梁 或隧道的折角不应大于 1/1000。 2.4 路基沉降的检测方法 沉降观测按部位可分为表层沉降观测、深层(分层)沉降观测和断面沉降观测。 经过多年的发展,沉降观测方法不断完善,观测仪器类型也越来越多,但不同的观 测方法和观测仪器适用于不同的工程地质条件。目前,沉降监测常用的方法有:监 测桩、沉降杯、沉降板、磁环沉降仪、水压式剖面沉降仪和水平测斜仪等。接下来, 将对以上这些方法做一个简单的介绍。 2.4.1 监测桩 用木桩和钢钎钉入土中,用水准仪持平,即可测量土体表面的沉降量。一个监 测桩只能观察路面上一点的沉降,若要进行整个断面的沉降测量,必须埋设多个监 测桩。在不同位置埋设的监测桩的尺寸有着不同的要求。此方法最简便,但只能测 定建筑物表面的沉降值,无法测试土体内部某一位置的沉降,对填土施工有干扰。 2.4.2 沉降水杯测量 监测路基内部变形最有效、最经济的手段之一是沉降水杯测量。沉降水杯利用 连通器原理,把路基内部某一点的高程映射到路基外部,故测量路基外部该映射点 的高程即可知道路基内部观测点的高程。通过一定时间段监测该映射点高程的变 化,即可清晰点绘出路基内部观测点的形变历程。而这些形变历程是研究路基变形 机理及规律的基础数据。 其优点在于观测方法原理简单、浅显易懂、造价低廉。其缺点是3根管的埋设 要求比较高,如果埋设不平顺,容易形成气泡阻塞水管,使测试无法进行;在比较 寒冷的地区也不适应;直接目测观测水杯读取液面刻度值,精度较低(± lmm)。 第6页 研究生课程考试答题纸 该方法用于室内试验观测比较容易, 用于实际工程观测时, 由于现场条件复杂、 天气变化异常、实际操作比较困难,一般较少使用。 2.4.3 沉降板 沉降板一般用于观测软土地基总沉降,测试地基面在不同处理措施、不同荷载 条件下地基面的沉降分布。沉降板作为沉降动态观测的方法之一,以其代价低、设 置方法简单、易观测被广泛采用,取代了一些地区使用仪器观测,但数据的准确性 和精确性容易受影响。 沉降板的工作原理:沉降板底座随着路基沉降,通过与底座相连的测杆,可以 测得底座埋设处的路基沉降值。 由沉降量的概念可知: ? 2 ? ?1 式中: ? 1 ——沉降板的观测初始标高(即原地面标高); (2-2) ? 2 ——沉降板的观测过程标高(即观测中标高); ?2 ? ?3 ? nL0 式中: ? 3 ——路基施工过程中(或路基完工后)的测量标高; n——钢管观测段的个数; (2-3) L0 ——钢管观测段的长度。 则沉降量: S ? ?3 ? nL0 ? ?1 ? ??3 ? ?1 ? ? nL0 2.4.4 磁环沉降仪 (2-4) 磁环沉降仪是分层沉降仪中运用最为广泛的一种。 磁环沉降仪所用传感器是根 据电磁感应原理设计,将磁感应沉降环(沉降标)预先通过钻孔方式埋入地下待测的 各点位置,当传感器通过磁感应环时,产生电磁感应信号送至地面仪表显示,同时 发出声光报警(一般是蜂鸣器发出信号)。读取孔口标记点上对应钢尺的刻度数值, 即为沉降环的深度。一般每次测量值与前次测值相减即为该测点的沉降量。但是实 第7页 研究生课程考试答题纸 际测量中可以根据条件,选择孔口标高或最底层沉降标位置作为监测基准点,通过 对不同时期测量结果的对比分析,可以确定各土层的沉降(或隆起)结果。 2.4.5 水压式分层沉降仪 水压式分层沉降仪是对磁环沉降仪的一种改进,改用水压探测器作为敏感元件 进行测量,可以消除磁环沉降仪缺点中对测量结果的影响。水压式分层沉降仪所用 传感器是水压探测器,垂直钻孔,在孔的内壁涂上可也随着土层沉降变形的合成树 脂,将带有小孔的隔板预先通过钻孔方式埋入地下待测的各点位置,然后将多个水 压探测器固定在相应的隔板上由防水导线与测量装置相连接。在孔内注入足量的 水,通过测量隔板处的水压可以测得该处的沉降值。 2.4.6 位移传感分层沉降仪 位移传感分层沉降仪单个整体单元包括沉降板、电测位移传感器、测杆、锚头、 锚板、金属软管、波纹管;其中电测位移传感器上端与沉降板联接,下端和锚头相 连,测杆安装在金属软管内;电测位移传感器、金属软管、测杆、锚头、锚板外套 波纹管;两个或多个整体单元层串联成一体,组成两个或多个层面的分层沉降仪; 该仪器整体埋设,电测位移传感器的导线从沉降板通孔集中引出,不会影响路面的 压实施工,从而保证测量值与实际值趋于一致,行车过程也可测量;采用电测位移 传感器,可快速、准确地直接实时测量沉降量;实现远程传输,实现自动测量和长 期运行观测 2.4.7 PVC管测斜仪器。 PVC 管沉降仪(也称测斜仪)是一种测定钻孔倾角和方位角的原位监测仪 PVC 管沉降仪按使用方式不同,可分为滑动式测斜仪和固定式测斜仪。固定式是将测斜 仪测头固定在土体内某点位移的位置,用传输信号电缆引出地面进行观测。采用固 定式测斜仪观测的测点,一般用于活动式测斜仪难以做到观测的测点,其费用高, 测头损坏难以维修,目前采用甚少。活动式测斜仪探头便于维修,并可进行多点连 续观测,应用十分广泛。若按敏感元件不同则可分为伺服加速度计式、电阻应变片 式、钢弦式、差动电阻式等。由于伺服加速度计式测斜仪精度高、长期稳定性好, 现己被广泛采用。若按仪器测量方向不同则可分为垂向测斜仪(测量水平位移)、水 平测斜仪(测量垂向位移)和斜向测斜仪(测量斜面的法向位移)。 第8页 研究生课程考试答题纸 3.铁路路基沉降观测技术创新的路径 3.1 光纤光栅传感器在路基沉降监测中的应用研究 针对路基沉降变形监测工程中存在的耗费大量人力,无法实时掌握路况信息的 问题,研制开发了温度不敏感型光纤光栅沉降位移传感器,其量程达到100mm,测 量精度0.1 mm。对两个多月的现场试验数据分析表明,光纤沉降位移传感器实时反 映了路基面的沉降状况,尤其对降水等因素引起的路基面沉降速率的变化能够及时 准确的响应。 3.1.1 传感器设计 3.1.1.1 原理 光敏性光纤受到紫外光干涉条纹的曝光后,会在纤芯中产生周期性折射率调 制,从而形成一种一维光栅,即光纤布拉格光栅(FBG)。根据耦合模理论,当一束 宽谱光进入光纤中传输时,由于FBG的波长选择作用,满足布拉格波长条件的光会 被反射回光纤入射端,其余波长的光会自由的透过。 图3-1 光纤光栅工作原理图 第9页 研究生课程考试答题纸 FBG的布拉格波长条件为: ?B ? 2ne f ? f 其中: ? B ——布拉格波长,即反射光的中心波长; (3-1) ne f ——纤芯有效折射率; f Λ——光栅周期。 (1)式表明, 反射光波长 ? B 与纤芯有效折射率和光栅周期均有关, 外界物理量(温 度、应变)的变化引起的有效折射率和光栅周期的改变,都会对光栅布拉格波长产 生影响。光栅布拉格波长在温度变化和应变调制下的相对变化量为 ??B ? ?? f ? ? ??T ? ?1 ? Pe ??? ?B (3-2) 式子中: ? f ——光纤的热膨胀系数, ? ? d? f ?dT dn ?? ? ——光纤的热光系数, ndT ; Pe ——光纤材料的弹光系数, Pe ? ? dn ; nd? ΔT——温度变化量; Δε——应变变化量。 可见,对一定材料的光纤光栅( ? f ,ξ , Pe 为常量),布拉格波长的变化与温 度变化量和应变变化量均成正比,通过测量 ΔλB 可以反推出 ΔT 或者 Δε 的大小。 3.1.1.2 结构及现场实验 路基沉降变形表现为路基面相对于参考点的下沉位移。根据上述原理,可设计 合理的机械结构,使路基沉降位移转换成应力施加到光纤光栅上,从而使其布拉格 波长受到应变调制,进而对位移量进行测量。所设计的传感器结构如图2所示。 第 10 页 研究生课程考试答题纸 图2 光纤沉降传感器结构原理 光纤沉降传感器主要由一根具有楔形表面的钢棒和一个等腰悬臂梁构成, 两根具有相同材料属性、不同波长的FBG分别贴在悬臂梁的两侧。 在应用时,传感器滑动壳固定在路基面上,斜面钢棒固定到CFG桩或原土基上, 作为位移参考点。 钢棒与滑动壳会根据沉降状况发生相对位移位移量通过钢棒楔形表面和顶珠 的作用转换成悬臂梁的弹性形变,而FBG受到悬臂梁形变的作用产生应变,当外侧 的FBG受到压缩时,内侧的FBG会受到拉伸。 由于悬臂梁厚度比较小,可以近似认为光栅的应变变化量Δε大小相等。这样, 对两根光栅波长的变化分别由公式(2)描述,两式相减即可消去ΔT的影响使得波长 差的变化只与Δε有关。 钢棒楔形表面的尺寸、斜度和光滑度决定了传感器的量程、分辨率和精度。斜 面越长,则量程越大;斜度越大,则分辨率越高;光滑度越好,则精度越高。但当斜 面太长或斜度太大时,FBG可能会受到过大的应变而发生断裂。 因此钢棒斜面的参数需要根据传感器的性能需求来设计。在FBG波长应变变化 3nm的前提下,设计制作了量程为100mm的光纤沉降位移传感器,其测量精度达到 0.1mm。 第 11 页 研究生课程考试答题纸 光纤光栅传感器路基沉降监测现场试验的系统布局如图3所示。 图 3 光纤传感路基沉降传感系统 图 3 光纤传感路基沉降传感系统 图4 光纤传感安装示意图 第 12 页 研究生课程考试答题纸 光纤沉降传感器的安装方式如图 4 所示,预埋的沉降板的底座放置到 CFG 桩或 原土路基上,光纤传感器安装在沉降板的传递杆上,传感器底部由大面积托板托起 在路基面上,传感器上面由水泥配重物压住。在此,认为 CFG 桩或者原土路基是不 再发生变化的,配重物和托板共同将光纤传感器与路基面固定为一体,填土路基发 生密实沉降时,传感器与路基面一起下沉,从而可以测量出路基面相对于原土路基 的沉降量,此监测系统能够实时在线运行,因此也可以分析计算出路基面的沉降速 率。 3.2 CCD测量路基表面沉降的方法 一般路基沉降监测的基点是基于安装检测装置的底部,即假设基准点埋得很 深,没有沉降,实际上要做到这一点比较困难。因此,测量的沉降实际上是相对沉 降,不是绝对沉降量。 ①垂直沉降测量 由图3所示,该装置包括电机,绞盘,激光测距传感器,倾角传感器,磁感应 沉降环,霍尔元件以及控制电路。 电机、绞盘、激光测距传感器安装在路基顶端监测平台上。 在需要测量的路基位置,将磁感应沉降环预先钻孔埋入地下待测的各点位置; 当电机带动霍尔元件通过磁感应环时,产生电磁感应信号送至控制电路中; 控制电路发出命令停止电机转动,激光测距传感器就测出待测点的移动量; 垂直沉降的测量分辨率为0.3mm,相对于以往技术手段,分辨率大大提高。 图5 路基分层垂直沉降测量原理图 第 13 页 研究生课程考试答题纸 ②绝对沉降测量 监测桩的沉降量与路基表面的沉降量同步,传感器安装在施工范围以外,在施 工过程中土层的沉降和后期路基使用过程中的变形量对其没有影响,该点可以视为 绝对没有沉降,即为基准点。监测桩上安装点光源,通过传感器测量得到光源的沉 降量,即为路基表面的沉降量。路基表面的沉降量与垂直沉降量相加,可以求得垂 直测量中每个分层的绝对沉降量。 图6 路基表面沉降示意图 由图5所示,点光源安装在待测路基的顶端监测杆,在待测路基施工范围外建 立监测平台,该平台可视为绝对没有沉降。测量装置安装在平台上,测量装置内部 由透镜和光电传感器构成。 图5 路基表面沉降测量原理图 图7 路基表面沉降测量原理图 第 14 页 研究生课程考试答题纸 测量原理如下: 使用激光测距仪或直接用卷尺测量出点光源到测量单元的成像透镜中心的距 离s。当路基发生沉降时,沉降监测桩随之沉降,安置在其上的点光源发生相同距 离的位移h,点光源透过成像透镜在光电位置探测器上所成的像也随之发生相应的 位移h`。 由测得的物距si以及已知的成像透镜焦距f,再通过透镜成像公式: 1 1 1 ? ? s s f s ? sf s? f (3-3) (3-4) 物距s﹑像点位移量 h ,像距 s ,可通过三者与点光源位移量之间的关系: h s (3-5) ? h s 计算出点光源位移量: h? s h s (3-6) 从而得到待测点该时刻的路基沉降量h。 监测桩上点光源的沉降量则为该监测点路基表面的沉降量,结合图2.1路基垂直 测量所述分层沉降量,便可得到待测点路基各个分层的绝对沉降量。路基表面沉降 测量需要高精度、高分辨率,因此,需要对实验仪器进行选择,主要包括点光源的 选择、CCD型号的选择以及透镜的选择。 3.2.1 CCD传感器 CCD(Charge Coupled Deveces)电荷耦合期间是20世纪70年代初发展起来的新型 半导体集成光电器件, 是由美国贝尔实验室的W.S.Boyle和GE.Smith于1970年首次提 出的。在经历一段时间研究之后,建立了以势阱模型为基础的非稳态CCD理论并逐 渐完善,发展成为一种新型的固体成像器件。实际上,CCD是在大规模硅集成电路 工艺基础上研制而成的模拟集成电子芯片,它既具有光电转换的功能,又具有信号 电荷的存储、转移和读出的功能。而且,它具有体积小、重量轻、高灵敏度、高精 第 15 页 研究生课程考试答题纸 度、抗震好、寿命长和可靠性高等优点。CCD从结构上讲,可分为面阵CCD和线阵 CCD两种。面阵CCD主要用于图像记录、存储等方面,线阵CCD主要用于产品外部 尺寸的非接触监测、控制和分类、产品表面质量评定、自动化及机器人视觉中的精 确定位等。 3.2.2 CCD工作原理 CCD的突出特点是以电荷作为信号,基本功能是电荷的存储和电荷的转移,它 的工作过程中的主要问题是信号电荷产生、存储、传输和检测。 CCD有两种基本类型:一是电荷包存储在半导体与绝缘层之间的界面,并沿界 面传输,这类器件称为表面沟道CCD(简称SCCD);二是点荷包存储在离半导体表 面一定深度的体内,并在半导体体内沿一定方向传输,这类器件称为体内沟道或埋 沟道器件(简称BCCD)。 电荷存储 对于SCCD,构成CCD的基本单元是MOS(金属.氧化物.半导体)结构,当栅 极施加正偏压%(此时%小于P型半导体的阈值电压%)后,空穴被排斥,产生耗尽 区,偏压继续增加,以致于将半导体内的电子(少数载流子)吸引到表面,形成一层 极薄的(约10-2Inn)但电荷浓度很高的反型层, 反型层电荷的存在表明了MOS结构存 储电荷的功能。反型区的大小又取决于电极的大小、栅极电压、绝缘层的材料和厚 度、半导体材料的导电性和厚度等一些因素 3.2.2.2 电荷耦合 图6 三相CCD中电荷的转移运动 图8 三相CCD中电荷的转移运动 第 16 页 研究生课程考试答题纸 如图8所示, 假定开始时有一些电荷存储在偏压为10V的第一个电极下面的深势 阱里,其他电极上均加有大于阈值的较低电压(例如2V),设图8(a)为零时刻,经过t。 时刻后, 各电极上的电压变为图8(b)所示, 第一个电极仍保持为10V第二个电极上的 电压由2V变为10V, 因为这两个电极靠的很近, 他们各自的对应势阱将合并在一起, 原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有,如图8(b)和(c)所示。若 此后电极上的电压变为图8(d)所示,第一个电极电压由10V变为2V,第二个电极电 压仍为10V,则共有的电荷转移到第二个电极下面的势阱中,如图8(e)所示。由此可 见,深势阱及点荷包向右移动了一个位置。通过将一定规则变化的电压加到CCD各 电极上,电极下的点荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。 3.2.2.3 电荷的注入和检测 在CCD中,电荷注入的方法有很多,归纳起来,可分为光注入和电注入两类。 光注入就是当光照到CCD硅片上时,在栅极附近的半导体体内产生电子一空穴对, 其多数载流子被栅极电压排开,少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。而所 谓电注入,就是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样,将信号电压或电流 转换为信号电荷 转移到CCD输出端的信号电荷在输出电路上实现电荷/电压(电流)的线性变 换,称之为电荷检测。CCD的重要特性之一是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没 有任何电容耦合,而在输出端则不可避免。因此,选择适当的输出电路可以尽可能 地减小时钟脉冲容性地溃入输出电路的程度。目前CCD的主要输出方式有电流输 出、浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器的输出。 3.2.4 CCD传感器的选用 鉴于课题研究的目的和实用性, 实验测量分辨率高、测量精度好,测量范围大, 且要求动态范围较大,即光强较强,ag官方手机登录。较弱时,光学系统均可以正常运转。以下几种 CCD类型均满足要求。 第 17 页 研究生课程考试答题纸 表2 CCD型号及参数 有效像元数 像元尺寸 (um) 7× 7 7× 典型灵敏度 (V/lx.s) 4.8 动态范围 Dynamic range 3000 最高驱动频率 (Mhz) 8 型号 TCD1500C 5340 TCD1501D TCD1707D TCD1708D Piranha3 P3-80-12k40 5000 7450 7450 12288 7× 7 7× 4.7× 4.7× 4.7 4.7× 4.7× 4.7 5× 5 5× 13 15 15 3000 1800 2600 950 12 25 15 3.3 基于CCD采集系统的原理图 CCD模块 A/D转换通信 CPU PC 驱动模块 图 9 硬件流程图 驱动模块提供驱动脉冲,使CCD模块进行图像采集,CCD模块输出的是模拟信 号,通过控制模块的A/D转换功能,转换为数字信号,通信功能使图像的数字信号 通过串口传入CPU进行数据分析和导入PC模块存储。PC模块也可以改变驱动频率, 从而改变CCD采集的积分时间。 串口:通过计算机可向电路扳发送控制信号,可调节CCD传感器时发送命令接 收数据。 3.4 模拟实验及数据分析 3.4.1 模拟实验装置 第 18 页 研究生课程考试答题纸 图10 光源为LED加带小孔白屏为例的实验装置图 其中:①、光学平台: ②、步进电机电移台:带动点光源做横向移动,模拟路基表面沉降时点光源 的移动; ③、步进电机控制器:控制步进电机移动平台的移动模式; ④、光学支架:用于固定点光源; ⑤、点光源:本实验用到以下几种光源(1)LED(图中所示点光源极为LED); (2)LED加带小孔的自屏,其中.带小孔的白屏:分别有为0.5mm,lmm,1.5ram, 三种孔径;(3)半导体激光器:(4)带尾纤的半导体激光器; ⑥、升降台:调整传感器的高度,使得点光源移动的路径位于传感器中线阵 CCD的探测范围内; ⑦、传感器:用于检测点光源位移。其中,实验中用到的传感器有天津市耀 辉 光 电 技 术 有 限 公 司 生 产 的 TCDl501D 线 阵 CCD 相 机 以 及 实 验 室 自 主 开 发 的 TCDl501D线阵CCD相机。型号为TCDl501D的CCD,共有5000个有效像元,像元大 小及间距为71.t m,最高驱动频率为12M,动态范围3000dB,灵敏度13V/lx.s,单路 输出,外形尺寸长宽为53.6× 9.65ntrn ⑧、电脑:存储并分析实验数据。 3.4.2 模拟实验步骤 由于天津耀辉生产的CCD相机和实验室自主开发的CCD相机在数据采集与显 示方面有差别,所以用不同的CCD相机进行实验时,实验步骤会有细微的差别。 ①、按照图1实验装置图连接实验仪器; ②、打开电源和图像采集卡或示波器; ③、调整升降平台,使点光源和CCD在同一高度,在图像采集软件或示波器上 第 19 页 研究生课程考试答题纸 出现高斯图形; ④、调整光圈大小,并选择合适的积分时间,防止CCD处于饱和状态; ⑤、对焦,调节透镜与CCD芯片的距离,使图像采集软件或示波器上显示的高 斯光斑呈现又细又高的峰,此时,点光源成像在像敏面上; ⑥、根据物象关系,计算移动一个像元,点光源需要移动的位移,确定移动步 长,通过步进电机控制器带动步进电机移动平台移动,点光源随之移动,同一个位 置分别采集并记录三组数据,移动次数按不同实验的需要而定。 ⑦、测量并记录点光源与透镜的距离等实验条件; ⑧、实验结束,关闭电源,收拾实验仪器。 实验中,改变光源种类,大小,透镜焦距,物距和外界光强等参数,并通过不同的 方法对数据进行处理,分析不同实验仪器对光学系统的影响以及不同算法的优缺 点。 3.4.3 实验数据处理 模拟实验内容主要包括以下几个方面: ①、实验测得光斑大小与理论值的比较 ②、不同算法对测量精度的影响; ③、外界光线对测量精度的影响; ④、测量结果可重复性验证实验; ⑤、透镜焦距对测量精度的影响; ⑥、光源种类对测量精度的影响; 此外还有对外界光强对实验的影响,实验重复性,不同焦距的透镜对实验影响 以及光源选择对实验的影响等的研究。 3.5 小结 ①、通过对CCD摄像系统的对比,得到CCD像元大小、中心间距影响测量精度, 积分时间的合理选用可以使传感器更好的采集数据。 ②、光源的大小,稳定性直接影响数据处理的方法和精度,不同的数据处理方 法适用于不同的情况,本实验中质心法和高斯拟合法处理数据的精度较高。 ③、编写数据处理程序,阈值的合理选择有利于提高数据的准确度。 第 20 页 研究生课程考试答题纸 4结论 通过实验的研究对未来的设想和展望:虽然现在是单点测量,但未来可以在监 测点设计旋转平台,使其在一定的范围内进行多点测量;设计无线传输模块,实现 远距离操控;在测量系统中编写数据处理程序,使其直接可以将测得的位置点传输 给监控点。 5 展望 路基沉降观测技术管理思路的创新要对传统的技术模式和方法进行必要的革 新与完善, 并不断的加强现代路基沉降传感观测技术的研究与探讨, 逐步实现对 传统思路进行革新与完善, 使其在高速铁路的建设中发挥出更大的作用。 目前, 在国内高速铁路路基沉降观测技术工作中,还缺乏先进的理论和经验, 难以形成健全的路基沉降观测技术体系。路基沉降观测技术体系的建立, 要充分结 合国内外高速铁路工程行业沉降传感观测的先进经验, 还要积极吸取世界上先进 的铁路工程沉降传感观测的思路和方法, 加以综合和整理, 以逐步建立符合我国 铁路工程建设行业实际情况路基沉降传感体系。 参考文献: [1]宋志强,刘统玉等.光纤传感技术在铁路中的应用[J] .中国铁路,2010(6):64-67. 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