激光测距仪在水位测量中的应用
激光测距仪在水位测量中的应用
作者:张后来;王震庄;姚峰
在现有的水文系统中,水位测量平台结构有直立式、斜管式和悬臂式等平台。采用的测量手段有机械编码浮子式水位计、超声波探头测量装置、气泡式和压力式水位传感器等。这些测量平台和装置各有优缺点,直立式测量平台造价高,在水库或者江河建设一个量程为15m的直立水位台,需要40万元左右;悬臂式测量平台的使用范围较局限,只有满足条件的附着建筑物才能选用;双斜管式测量平台因采用机械传动,不能在缓坡使用,且不同的安装角度需重新加工机械编码水位计的转盘。在各种水位传感器中,压电式水位传感器防雷性能较差,气泡式水位传感器在大量程仪器中采购价昂贵,维护工作量大,故障维修困难。因此,研究出一套适合大多数测量场所使用,并且造价低、施工方便的水位测量装置意义重大。根据这种需求,在清江水情测报系统建设中,研制了含有激光测距仪的悬挂式激光水位测量装置,并在该系统的多个坝上水位测站建设成功,为特殊条件下的水位测量补充了一种新的采集传输手段。
1、悬挂式激光水位测量装置工作原理
为了将水位变化值精确反映出来,选用激光测距仪测量,其测量精度达到3mm。激光传感器工作时,先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器,被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器,因此它能检测到极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出至返回被接收所经历的时间,即可测定目标距离。本文设计的悬挂式激光水位测量装置,巧妙地将激光测距仪应用于水位测量上。
2、悬挂式激光水位测量的可行性
要使悬挂式水位测量装置具备实际应用可操作性,主要需满足以下4个条件。
1)浮子能正确地反映水位的移动变化。
2)激光测距装置的对中调整。
3)信号的转换与传输。
4)设备的可维护性。
2.1浮子的设计
激光束打在水面上,是不能反射回到激光测距仪的。为了解决这一问题,在水面上设置一个浮子,要求套在钢丝绳上的浮子必须上下活动自如,正确反映出水位变化。所以,采用了将反光装置套在悬有配重的钢丝绳上的固定结构,浮体采用聚酯泡沫材质,表面铺设反射板。
2.2激光测距仪的安装
采用水准仪等测量仪器的水平调整方式,利用4个可调螺丝进行对中调节,然后进行固定,保证激光束正确地打到浮子反射板上。同时,采用激光器固定在钢丝绳上,保证在钢丝绳晃动时,激光束始终与钢丝绳平行。保证激光点不会脱离规定的校准位置。
2.3信号控制转换器
信号的转换采用RS-232/SDI-12转换模块,这个模块采用了微处理器实现全智能化的处理,使国内外传感器均能转换为数字串行接口(SDI)编码输出,能顺利地接入有SDI的水位固态存储器和水情遥测终端,符合SL63-2003《水文自动测报系统技术规范》的要求。信号控制转换器是水文遥测系统中的关键部件。信号控制转换器的控制部分对本装置的实用性也有着重要作用,由于波浪的影响,浮子将随波浪上下摆动,在测量时若以某一时间读数为数据,将产生较大的误差,信号控制转换器设计为一个时间段内多次读取数据,去除最大值和最小值,在信号控制转换器计算出平均值后发送至服务器,这样,保证了测量结果的误差控制在规范允许的范围之内。信号控制转换器还可控制激光器间隙式工作,极大降低了设备功耗。
2.4装置的可维护性
悬挂式激光水位装置能否正常运行,可维护性是关键,在该装置中,能否对激光反射浮子进行维护,是该装置能否用于工程实际的关键环节。正常运行时,浮子应处于自由状态;当需要检修时,可使用一种专用的配套设计工具,使浮子能自如地收放。
3、工程应用
2009年,在湖北清江水情自动测报系统建设中,选择了水布垭坝上水位测站作为悬挂式激光水位测量装置的实验站。水布垭位于恩施土家族苗族自治州巴东县,是长江的一条支流,该测站是水布垭堤围的重要水位观测站。测站的水位变幅为20m,量程较大,比较适合做水位测量实验站。安装时,激光器离水面约25m,为保证能测量到水库设计的死水位,将配重设置在距离水底3m 处,可根据现场具体情况实施。
工程于2009年4月建成,并于5月调试完毕,经过近半年的试验研究,该装置运行正常。按照国家防汛指挥系统水情分中心验收考核办法的规定,对2009年7月水布垭坝上水位观测站的水位测量与传输进行实际考核。
在精度方面,由于激光测距器测量精度为±0.3cm,因此将激光水位计测量精度定为±1.0cm是比较合适的。通过现场6个月试运行期数据比测,发现该方法实际的激光水位计运行稳定可靠,测量精度也符合水位测量规范要求。因采用平面反射板,每次测量时激光束打在平面上,加上测量滤波算法软件,可以保证测量精度。
量程方面,因激光测距器的量程为200m,在实际应用中,按照本文介绍的施工方法,理论上可以测量到约1cm 的水位变幅。考虑到工程应用和现场各种不同的地形条件,参照浮子式水位计应用量程一般为40m,可以满足所有具有垂直安装环境的水库水位测量需要。要求悬挂线安装施工保持垂直,才能保证激光测量准确进行。激光器固定后保证激光束正确地打到浮子反射板上。
4、技术优势和应用前景
悬挂式激光水位测量装置对比其他测量平台和水位传感器械,在某些方面具有一定的优势,现总结如下。
1)与直立式水位塔相比,该装置可广泛适用于已建水库。施工时可以不需要对底部进行地基处理,不需要放空库水位或围堰,降低了工程造价。
2)与气泡式传感器相比,该装置的测量范围更大,只要适当增加靶的直径,就可以增加测量范围,且防雷效果好;在目前大量程气泡式水位传感器价格较高情况下,悬挂式激光水位测量装置有价格优势;该装置维护量小。
3)与雷达、超声波水位测量装置相比,超声波传感器虽然也经常用于检测距离较远的物体,而且由于它不是光学装置,所以不受颜色变化的影响。但超声波传感器是依据声速测量距离的,因此存在一些固有缺点,不能用于以下场合:①待测目标与传感器的换能器不相垂直的场合,因为超声波检测的目标必须处于与传感器垂直方位偏角不大于10°的范围以内;②需要光束直径很小的场合,因为一般超声波束在离开传感器2m 处的直径约为0.76cm; ③需要可见光斑进行位置校准的场合;④多风的场合;⑤真空场合;⑥温度梯度较大的场合,因为这种情况下会造成声速的变化;⑦需要快速响应的场合。而激光距离传感器能解决上述所有场合的检测问题。
该装置为国家防汛指挥系统、国家水调自动化系统水位测量提供一种新型的监测手段,可广泛用于水库、湖泊、水电站等新建水位遥测站中,以较低的工程造价实现水位遥测的目的。
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