基于激光测距原理的注浆高度监测系统
基于激光测距原理的注浆高度监测系统
作者:张宝国;赵建伟;张东亮;李亮;张继军
引 言
在一些大型工程中,需要进行回填施工,为保证密封性, 需要使用水泥浆对回填段进行注浆。为指导工程施工,需要 采用技术手段对注浆高度进行监测。液位测量方法主要有 接触式和非接触式两种,接触式方法主要有玻璃管式、差压 式、电极式、浮体式、磁致伸缩式、流量计式和电容式等;非接 触式方法主要有超声波式、激光式、雷达式、机器视觉法、光 纤式、光电式和核辐射式等类型,不同的监测方式,其原理、结构及适用场合均有不同叫法。由于注浆施工周期较长, 先注入的浆液可能会发生水化反应,导致浆液状态发生变 化,采用接触式的液位测量方法不适宜工程实际显。雷达式 测量装置无可动部件,无测量盲区,受粉尘、强光、烟雾、湿温 度和压力的影响小,测量速度快,实时性好,但是信号处理复杂,价格昂贵,技术实施难度大。机器视觉法易受光照影 响,光电法需要专门的探头驱动装置,增加了质量、体积和复 杂度。考虑到传感器尺寸、成本以及现场工作环境,注浆高度一般采用超声法和电极法进行测量。由于超声波具有发 散性,超声波束直径随着距离增大,为避免固体填充物对测 量造成干扰,需要加装较粗的导波管。导波管在回填施工时 易受到填充物挤压、碰撞导致倾斜、变形,造成声波在管壁发 生反射,导致测量数据错误,可靠性较差。电极法只能进行非连续监测,一般用作超声液位计肓区补充。激光测距传感器具有精度高、测量速度快、方向性好、 发散角小、设备结构简单等优点在同等测量距离下,盲 区远小于超声传感器,是一种比较理想的非接触式测量方 法。激光发散角小,光斑可以指示测点,无需导波管,不会 对回填施工造成干扰。
1系统总体设计
如图1所示,整个测量系统由激光测距传感器、RS-485 至RS-232数据通信转换电路和上位机组成。为简化测量 系统结构,减少线缆数量,提高系统抗干扰能力,在激光测 距传感器上集成RS-485接口,组成传感器网络,实现分布 式测量,使上位机远离环境恶劣的施工现场。RS-485总线 采用平衡驱动和差分接收,抗共模干扰能力强「灯,最大通信 距离1. 2 km,最高传输速率115. 2 kbps,可以实现最多 128个测点同时监测。釆用PC作为上位机,上位机和传感 器之间通过Modbus RTU协议进行数据通信。上位机测 量软件采用模块化和层次递归的LabVIEW开发?,采用 轮询的方式对各传感器发送命令,接收返回的数据,完成各 测点传感器和工程参数设置,测量数据处理、显示和记录。
激光测距的基本原理是通过测量光到达目标后反射回 传感器的时间来间接计算距离,本质上是光的传播时间测 量。依据时间测量方法的不同,激光测距的主要方法有脉 冲式激光测距、干涉法激光测距、三角法激光测距和相位式 激光测距4种。相位式激光测距通过测量从目标反射回的 光的相位差来计算时间,相位延迟通过鉴相器即可获得,结 构简单,传感器体积小,测量精度达到毫米级?,适宜于近 距离测距应用。其硬件总体结构如图2所示。
信号处理和控制采用ARM芯片,频率管理电路产生两 个不同频率作为主振信号和本振信号。主振信号分为两路, 一路与本振信号混频,经信号处理得到参考信号;一路调制 激光束,激光束射到目标后发生漫反射皿,回光通过光电 转换电路转换为电信号,与本振信号混合后,经放大滤波得 到测量信号。ARM芯片对测量信号和参考信号进行模数转 换,通过快速傅里叶变换(fasta fourier transformation,FFT) 得到相位差,根据相位差即可计算目标距离。
2 Modbus RTU协议及实现
2. 1 Modbus RTU 协议
组建RS-485网络时,常常采用RS-485/Modbus布网 方式,其特点是实施简单方便,在智能仪表、PLC等领域得 到广泛应用Modbus协议是一种通用语言,支持 RS-485,RS-232等多种电气接口,其帧格式简单、紧凑,可 靠性高,适用于数据釆集和过程监控。Modbus协议传输 模式包括RTU和ASCII两种.ASCII模式时,一个消息中 的每个8 bit字节都作为2个ASCII字符发送,采用纵向冗 余校验(longitudinal redundancy check, LRC)检验,其优点 是字符发送的时间间隔可达到1 s而不产生错误。RTU 模式时,消息中的每个8 bit字节包含两个4 bit的十六进 制字符,采用循环冗余校验(cyclic redundancy check,CRC) 校验,在同样的波特率下,比ASCII模式传送更多数 据「此成,因此,本文釆用Modbus RTU模式进行数据通信。
2. 2 Modbus RTU 协议的 LabVIEW 实现
RTU模式的命令为16进制字符串,由设备地址、功能 码、数据码和CRC校验码组成。本文用到的功能码包括读 寄存器(03)和写寄存器(06)两种。数据码包含了执行特定 功能所需要的命令和传感器响应查询时釆集到的数据。上 位机的数据码包括寄存器的地址、个数,传感器的数据码包 括数据个数及寄存器的具体数据。CRC校验保证了命令 传输的正确性,在计算CRC校验时,把CRC校验码之前的 所有命令进行计算,生成一个16 bit的数据,即为CRC校 验码,把它加在命令的最后,接收方接收到命令后,进行 CRC校验计算,生成CRC校验码,如果此校验码和接收到 的校验码相同,则接收的命令正确。反之,接收的命令是不 正确的,接收方发送校验错误或者将数据丢弃,等待下一组 命令。实现流程如图3所示。
在LabVIEW编程时,首先完成串口初始化,根据传感 器参数设置串口号、波特率、数据位、停止位和奇偶检验位 等。其次,选择功能码和数据码,进行CRC校验并连接成 命令码后,通过串口写入程序发送给传感器。传感器接收 命令后进行CRC校验,校验正确后执行命令,延时等待后 通过串口读取程序获取传感器返回命令后解包,获取数据。
3上位机软件设计
3.1主程序设计
激光测距传感器接收上位机发送的命令后,完成传感 器打开、关闭和逻辑地址和工作模式设置,将数据发送到上 位机,由上位机进行处理后显示存储。其工作流程如图4 所示。
首先进行初始化操作,主要包括传感器地址设置,通讯 设置和注浆初始高度设置。初始化完成后,将打开传感器 命令、测量模式设置命令依次写入各传感器的寄存器.各传 感器依据逻辑地址区分。命令包括逻辑地址码、功能码、寄 存器地址、寄存器数量和CRC校验码。如果出错,根据返 回的错误代码识别修正错误,重新写入命令。上述步骤完 成后,系统处于待机状态,当写入开始测量命令时,上位机读取数据寄存器的数据,进行处理、显示和存储。当完成测 量时,依据逻辑地址依次关闭传感器和串口。图5所示为 主程序界面。
3.2数据处理程序设计
数据处理程序的流程如图6所示。当写入读取测量 数据寄存器命令时,正常的响应为包括地址码、功能码、字 节数、寄存器内测量数据和CRC检验码的16进制字符串, 首先将测量数据从响应字符串中截取岀来,转换为10进 制数据。为了避免浆液溅射等情况引起的异常数据干扰? 对读取的数据进行了判别处理。当读取的数据大于容器 高度时或者数据波动较大时,表明数据异常,显示存储上 一次测量值。当测量数据小于容器高度并且两次测量值 小于设定阈值时,判断测量数据正常。
4 实验测试
一般非合作目标激光测距传感器都是针对固体表面, 传感器接收目标漫反射的光信号,被测目标漫反射回光信 号一般较弱,其光电接收电路是针对弱光信号而设计的,灵敏度较高。测量液位时,液面反射为定向反射,可能会 造成回光太强导致测量错误。基于上述分析,在实验室对系统进行标定以后,测试了以水泥浆液为目标时的工作情 况。首先对系统进行了检定,对照仪器采用迈测S2激光 测距仪,测量精度土 1. 5 mm,20 cm以内对照仪器采用深 度尺,传感器采用三角架固定,目标为白色打印纸。测量 模式为单次测量,每距离测量3组数据。表1所示为检定 数据,误差最大4 mm。
采用工程常用配比的水泥浆液作为目标,对系统进行 考核,测量模式为单次测量,对照仪器同上,每距离测量 3组数据,取平均值。表2所示为以浆液为测量目标时测 量数据表,在不同距离上数据输出稳定,重复性好,误差最 大为4 mm。
5结 论
本文利用激光测距原理设计实现了注浆高度测量,相 比基于超声测距原理的监测系统而言,精度高、盲区小、结 构更加简单、传感器尺寸更小。现场应用表明,系统安装 调试简便、工作可靠、测量效率具有较大提高,满足工程需 求。受条件所限,本文仅对8 m距离进行了检定,实际测 量距离更大。
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