基于PSD的二維結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)變形是評估橋梁等大型建筑健康狀況的重要參數(shù)之一,結(jié)構(gòu)變形測量的方法多種多樣,其中成像法因具有量程大、相對低廉、非接觸、能實現(xiàn)二維動態(tài)變形長期監(jiān)測等優(yōu)點而應(yīng)用廣泛。然而現(xiàn)有成像法采用CCD作為光敏器件,受CCD像素及其復(fù)雜信號處理方式限制,系統(tǒng)的分辨力和精度難以提高。連續(xù)型器件PSD具有分辨力高、信號處理簡單、可連續(xù)探測光點位置等優(yōu)點,代替CCD有望克服現(xiàn)有成像法的不足。然而橋梁結(jié)構(gòu)變形測量環(huán)境惡劣,背景光復(fù)雜多變,測量距離遠(yuǎn),難以保

2、證到達(dá)PSD光敏面上的光斑擁有足夠的輻射通量,這些因素都會對基于PSD的位移測量產(chǎn)生影響。為了實現(xiàn)高精度的結(jié)構(gòu)變形測量,本文系統(tǒng)地分析PSD位移測量精度的影響因素,對關(guān)鍵因素進(jìn)行理論建模,提出減小或消除各因素影響的方法。在理論分析的基礎(chǔ)上,選擇合理的器件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。主要研究內(nèi)容如下:
　?、俑鶕?jù)PSD的定位原理和信號處理方式,建立了PSD定位誤差的數(shù)學(xué)模型,分析了光斑強(qiáng)度、背景光、電噪聲對測量精度的影響。結(jié)合橋梁變形實際測量環(huán)境

3、背景光強(qiáng)度大、多變、光波長多樣等特點,采用光學(xué)濾波法和靶標(biāo)光源調(diào)制法相結(jié)合消除背景光的影響,簡化了誤差模型。并設(shè)計實驗驗證了模型的正確性。
　?、诟鶕?jù)光學(xué)系統(tǒng)中光的傳播原理,建立了靶標(biāo)光源輻射強(qiáng)度與光斑輻射通量的對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)誤差模型和系統(tǒng)測量精度要求,推導(dǎo)了PSD位移測量的光強(qiáng)條件,為測量系統(tǒng)中靶標(biāo)光源輻射強(qiáng)度的確定提供理論依據(jù)。
　　③分析了CCD結(jié)構(gòu)變形測量系統(tǒng)的標(biāo)定方法,以及PSD與CCD定位方式的區(qū)別。根據(jù)PSD的

4、定位特點,提出了適合于PSD位移測量系統(tǒng)的雙光源雙頻調(diào)制靶標(biāo)自標(biāo)定方法,并設(shè)計了用于實驗的自標(biāo)定靶標(biāo)及其控制電路。
　?、芤岳碚摲治鰹橐罁?jù),初步設(shè)計了系統(tǒng)硬件和軟件。系統(tǒng)硬件部分包括成像光斑位移探測系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)等。軟件部分包括信號采集軟件、信號處理軟件和上位機(jī)軟件。
　　⑤在實驗室進(jìn)行了標(biāo)定實驗和位移測量實驗。標(biāo)定實驗得到的系統(tǒng)放大倍數(shù)與理論放大倍數(shù)的相對誤差為0.62％,驗證了該標(biāo)定技術(shù)的可行性。系統(tǒng)位移測量的像方精度和