大地水平位移测量仪控制系统的研究

论文摘要

山体滑坡是因山体形变长期的积累，达到临界点后突然崩溃而形成的。滑坡发生的前期，一般滑坡体的位移很小，对滑坡体位移变化的测量是监测和预报滑坡灾害的有效手段，也是滑坡灾害监测的难点。本文介绍了滑坡位移的准静止参照系测量方法，通过构建一个长周期锥摆系统建立一个准静止参照系，实现了对滑坡位移变化的实时监测。该设计方案具有很高的精度和较大的量程，对水平位移变化有较好的响应，稳定性较高。本文研究了长周期锥摆准静止参照系的构建理论和控制机理，用分析力学建立了锥摆系统的动力学方程，并推导出其传递函数；对锥摆系统的隔振原理进行了详细的分析；设计了高精度光电位移传感器，及其相关电路，对传感器的性能进行了测试；介绍了锥摆系统各部分的机械结构和安装调试方法：对组装好的系统进行了性能测试和模拟仿真，研究结论如下：1．对锥摆系统的核心部分——锥摆准静止参照系进行了研究，提出长周期摆的实现方法，建立了锥摆理想状况下的动力学方程，推导出锥摆的位移响应传递函数。对锥摆的隔振原理进行了详细的阐述。2．设计了一种高精度光电位移传感器。光电位移传感器采用红外光探测器的光伏效应原理实现，具有很高的精度，可达到微米量级；线性范围接近1mm，同时具有较快的响应速度，约为10纳秒。位移传感器运行稳定，可重复性较好。3．对锥摆系统的机械设计各部分进行了详细的介绍，支架采用长方体结构，摆杆底端与外框采用刀口和刀口槽定位的连接方式，通过两端固定在支架上的两根钢丝来承接摆体的重量，同时利用钢丝的弹性回复力使得摆体底端始终固定在水平同一位置而能上下运动，实现了锥摆一维水平方向上的自由运动，降低了机械加工难度。4．对组装后的锥摆系统进行了基本性能测试，经过反复的调节，锥摆系统的自由振荡周期可以达到3秒，振荡周期约为2秒时运行十分稳定，锥摆的固有阻尼系数很小，灵活性很好。5．在模拟仿真的环境下对锥摆的信号响应进行了测试，在高频信号区域，锥摆对外部激励信号响应很平稳，在很宽的频段内增益基本保持不变；也检测到了锥摆系统的低频共振频率，结论与理论计算十分接近。6．介绍了锥摆摆体的控制方法，设计了电磁阻尼器，介绍了阻尼器的阻尼原理和驱动电路设计。锥摆系统对地平面位移信号的响应频率很宽，不仅可以测量水平位移，依照锥摆系统的几何结构，通过软件换算后还可测量大地倾斜变化，对地震灾害进行监测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 滑坡位移测量研究方法和现状
• 1.2 本文研究的主要内容
• 第二章 锥摆的隔振原理
• 2.1 大地变形测量中的参照系
• 2.2 长周期摆的设计方法
• 2.2.1 单摆系统
• 2.2.2 其他长周期摆
• 2.3 圆锥摆系统
• 2.3.1 圆锥摆物理模型
• 2.3.2 圆锥摆系统的动力学分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 锥摆系统的机械结构
• 3.1 锥摆机械构件
• 3.2 锥摆机械设计
• 3.2.1 支撑底座
• 3.2.2 支架
• 3.2.3 光电位移传感器
• 3.2.4 刀口与刀口槽
• 3.2.5 摆体结构的设计
• 3.4 本章小节
• 第四章 红外线高精度位移传感器
• 4.1 红外线位移传感器测量原理
• 4.2 红外光电位移传感器结构
• 4.3 传感器信号放大电路
• 4.3.1 红外接收管的前置放大电路
• 4.3.2 恒流源电路
• 4.4 位移传感器的特性测试
• 4.4.1 信号噪声测试
• 4.4.2 可见光对红外接收管的影响
• 4.4.3 光源稳定性测试
• 4.4.4 传感器定标
• 4.5 本章小结
• 第五章 圆锥摆的性能测试
• 5.1 圆锥摆的结构阻尼测试
• 5.2 圆锥摆的固有频率
• 5.3 本章小结
• 第六章 圆锥摆信号响应
• 6.1 测试仪器介绍
• 6.1.1 信号发生器
• 6.1.2 测试平台
• 6.1.3 激振器
• 6.2 锥摆系统的实验测试结果
• 6.2.1 锥摆系统对简单信号的响应
• 6.2.2 锥摆系统对模拟滑坡信号的响应
• 6.3 锥摆摆体的控制
• 6.3.1 锥摆摆体阻尼控制要求
• 6.3.2 锥摆摆体的主动阻尼控制
• 6.3.3 电磁阻尼器
• 6.3.4 数据的计算与处理
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献