形变热处理

形变热处理（精选七篇）

形变热处理 篇1

考虑到上述问题, 用《Visual Basic》 (王新民, 于翔志.2006) 编写了“形变数字仪年均值合并批处理”程序, 利用此程序可以对《形变前兆台网及台站数据处理系统》软件生成的多个年均值进行任意合并, 形成与《EIS2000地震前兆信息系统》 (简称EIS2000) 软件格式相同的文件, 进行差分、速度、相对均方差等各种分析, 为形变分析提供了生成基础性数据的使用工具。

1 编程原理

形变年均值包括年日均值和年五日均值, 使用程序前首先用《形变前兆台网及台站数据处理系统》软件生成年均值文件, 之后利用程序把多个年均值合并到一个文件里, 具体方法如下:

1.1 年均值文件生成

利用《形变前兆台网及台站数据处理系统》软件, 把整点值作为基础性数据生成月整点值和月日均值文件, 之后用这两个文件生成年日均值和年五日均值文件。年均值文件格式如下:

台站代码手段代码缩写年度.day (或FIV)

其中, day表示日均值, FIV表示五日均值。

例如, 延边地震台2006年水管仪NS向年日均值文件名为:H2692006.day其中H2是台站代码, 69是手段代码缩写, 2006是年度, day是日均值扩展名。

1.2 合并文件生成

用“形变数字仪年均值合并批处理”程序, 在多个年日均值或五日均值文件中提取数据之后, 合并到一个文件中, 其文件名命名方法与《EIS2000》软件中文件命名方法相同。合并文件名命名方法如下:

台站代码手段代码缩写采样率起始年起始月.终止年终止月

其中采样率0则表示日均值, F则表示五日均值。

例如, 延边地震台2006年至2008年水管仪NS向年日均值以EIS2000文件格式合并成一个后文件名为:h2690061.08c, 其中H2是台站代码, 69是手段代码缩写, 0是采样率, 06是起始年, 1是起始月, 08c是终止年和终止月。

另外文件名中月是以16进制数来命名, 比如1, 2, 3, ·······9, a, b, c。

2 程序使用说明

Windows环境下运行“形变数字仪年均值合并批处理”程序, 则弹出如图1程序界面。指明年均值文件路径和合并文件路径之后, 输入需合并的年度范围、选择日均值或五日均值之后, 可以用“单项合并”和“多项合并”两种操作方法来实现合并。

2.1 单项合并

使用“单项合并”, 每次只能实现单个测项的年均值文件合并, 需要输入台号和手段代码缩写。当某项需要单独合并时可以使用此功能。合并时有“单项合并”和“单项合并999999”两个命令按钮, 具体使用方法如下:

(1) “单项合并”:合并时把999999删除。

(2) “单项合并999999”:合并时对999999不进行删除

在形变记录中999999表示空值。形变分析软件中对表示空值的999999数据要求不一样, 为了适应使用者的不同要求, 设计了此功能。

2.2 多项合并

使用“多项合并”, 一次性可以实现多个测项的年均值文件合并, 无需输入台号和手段代码缩写, 只要选择几个选项即可, 使用比较方便。合并时有“多项合并”和“多项合并999999”两个命令按钮, 具体使用方法如下:

(1) “多项合并”:合并时把999999删除。

(2) “多项合并999999”:合并时对999999不进行删除

使用此功能之前, 首先建立“D:合并参数.dat”文件, 然后把台号和多个测项的手段代码缩写以列的方式按顺序输入, 数据后不能有空格, 文件尾不能有回车符。这样, 建立“D:合并参数.dat”文件之后, 合并时程序自动加载各种信息, 无需输入各种参数。

比如, 延边地震台形变台号是H2, 需合并测项有水管仪NS、EW, 伸缩仪NS、EW, 垂直摆NS、EW, 则手段代码缩写依次为69、6a、71、72、83、84。这些参数的输入见图2。

图2中可以知道, 参数的输入并不复杂, 但数据后如果有空格或文件尾有回车符等, 程序无法运行。

形变分析中, 一般需要对台站所有测项的年均值进行合并, 为了简便操作, 程序中设计了此功能。

2.3 操作方法比较

为了便于了解两种操作方法, 制定了操作方法比较表, 具体如表1。

操作方法比较中可以知道, 在正常情况下“多项合并”使用比较方便, 但对某单项无法合并。某单项出现特殊情况时, 可以利用“单项合并”进行合并。

程序操作中, 如果缺参数文件会出现提示, 使用者根据提示操作即可。另外, 程序左上角设计了有关程序说明, 供参考。

3 程序应用说明

(1) 程序运行需要安装《Visual Basic》程序。

(2) 本程序只需拷贝, 即可在windows系统下使用。

(3) 程序只能合并2000年之后的年均值。

(4) 两个路径栏里都设计了“保存路径”按钮, 这样方便文件的选择。这两个路径保存于C:Path18a.dat和C:Path18b.dat文件中, 不要误删。

(5) 合并文件中, 有相同文件则直接覆盖原有数据, 不进行对话。

(6) 输入栏里所有项必须有数据, 如果缺一项, 则程序不进行合并。

(7) 输入数据时, 可以按键把光标移动到下一个栏里, 避免频繁使用鼠标。

(8) 如果需要生成下一个文件, 则点击〈清空〉按钮。程序将清空栏里所有数据, 便于输入新的数据。

结束语

“形变数字仪年均值合并批处理”程序主要是用于合并多个年日均值或五日均值文件, 为《EIS2000》分析软件提供了基础性数据。为了验证本程序, 将上述各项合并结果与具体手工合并进行了对比, 结果两者完全一致, 说明本程序编程是正确的, 可以在实际工作中使用。

从试用情况来看该程序具有操作简单、运行稳定等特点。由于该程序是日常数据处理软件, 在使用中还需不断的改进和完善。

参考文献

回采巷道底鼓的形变分析及处理方法 篇2

关键词：回采,底鼓,变形原因,处理方法

回采巷道完整性差, 在回采过程中受到采动影响, 经常会出现底鼓现象, 是力的综合性的呈现结果。它的变形程度和围岩岩性、开采深度和构造发育程度直接相关。受支撑压力影响巷道底鼓变形, 断面减小, 影响通风、运输、行人和回采安全, 现在矿井普遍的应对办法就是落底, 消耗着大量的人力物力, 增加了职工劳动强度。因此分析巷道底鼓的理论成因和总结处理方法对于矿井安全生产有着重要的指导意义。

1 工作面两巷支护及顶底板情况

以黄陵矿业一号矿综采一队现所采619工作面为例, 巷道底板为均厚2.64m的泥岩, 直接顶为均厚4.46m的粉砂岩。支护情况:采用锚杆+锚索梁+塑钢网联合支护, 顶锚杆为Φ20×2100mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆, 间排距800×800mm, “六-六”矩形布置, 每孔2节2335型树脂;副帮侧采用Φ20×2100mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆, 主帮侧采用Φ20×2100mm玻璃钢锚杆, 间排距均为700mm×1000mm, “四-四”矩形布置, 每孔2节2335型树脂, 主、副帮锚杆除使用配套托板外另增加木托板 (350mm×200mm×50mm) ;锚索梁梁长4.2m, 间距0.8m, 一梁四索, 采用Φ17.8×10300mm钢绞线, 锚深10000mm, 每孔3节2370型树脂;全断面挂塑钢网, 网孔50mm×55mm。

2 对底鼓现象的认识

对于回采巷道底鼓现象通过观察我们知道, 在掘进完成后、回采开始前巷道已经出现了大面积而且程度强烈的底鼓现象。通过查阅资料我们可以知道国内外专家对于巷道底鼓的见解。我国煤矿专家康红普通过数学逻辑运算得出底鼓是因为底板的失稳造成巷道底板岩层向巷道内弯曲;贺永年、何正昌通过实验得出结论认为, 巷道底鼓是由两帮岩柱传递顶板压力, 两帮围岩在挤压底板的同时一起下沉, 底板在严重挤压变形的情况下发生断裂, 然后出现底板隆起即底鼓。德国的奥顿哥特通过运用相似材质模型模拟实验观察底鼓的全过程, 他理解的巷道底鼓是因为, 两帮岩柱在垂直应力的作用下完整性被破坏, 后来巷道底板在水平应力作用下向巷道间鼓出。

3 巷道底鼓成因分析

按照国内外的有关底鼓资料的综合得知, 底鼓的成因大致可以分为三类。

3.1 膨胀性底鼓

在掘进或者回采过程中由于日常用水或顶板裂隙水, 使底板遇水膨胀, 降低了围岩及底板强度, 增加了塑形, 造成底鼓。这种现象常见于还有蒙脱石的黏土岩层, 这类岩石遇水会反应 (包括物理的和化学的) 岩石会随着遇水时间体积膨胀, 属于软弱岩石。

3.2 张性底鼓

由于围岩在开挖后应力重新分布, 在应力重新平衡的过程下破坏了围岩的完整性, 造成两帮和底板卸载产生了弹塑性变形造成两帮收敛底板底鼓或者底板岩层由于围岩大压力产生带方向性的强烈褶曲隆起所造成的张性底鼓, 他与顶部张性破坏区在一条轴线上。

3.3 周期性压力释放的底鼓

前两种为持续型底鼓, 压力释放引起的底鼓为短暂型底鼓。在回采时, 如果老空出现大面积悬顶, 悬而不落, 就会使煤壁前方承受巨大的支承压力, 直至上下落山角垮落压力释放, 另一方面直接顶老顶有周期性垮落, 在形成砌体梁模型时到老顶垮落时煤壁前也承受着很大的支承压力, 压力沿着两帮传递到底板, 受力成流性, 这种流性不均匀, 因为大多数回采巷道在掘进前相临工作面已经进行回采, 回采时顶板垮落, 采动影响靠副帮受影响较大, 造成底板底鼓不均匀。

4 影响底鼓的因素

4.1 巷道的大小和形状

越是掘高掘宽大的巷道就越容易发生底鼓现象, 巷道在形状选择时矩形巷道在顶板与两帮垂直拐角处受应力集中影响最严重, 承受垂直应力能力最小, 容易造成巷道变形, 发生底鼓。尽量选择三星拱或者圆弧拱作为回采巷道, 但是巷道的大小和形状都是依据综合回采设备、运输、经济效益和巷道利用率等综合因素决定的。

4.2 掘进巷道的支护强度引起的底鼓

支护强度也是引起巷道底鼓的原因之一, 大多数矿井都是注重顶板和两帮的支护, 忽视了底板的支护, 顶板和两帮一般都是锚网锁联合支护, 有的还进行了喷砼, 这些措施对顶板、两帮都进行了大量的刚性支护, 当周期性来压时各种支护措施都在应力变化重新达到平衡的过程中做出了抵抗, 压力只能朝着未进行支护的弱面进行传递, 体现在巷道的变化上就是顶板的下沉和底板的隆起, 造成巷道底鼓。

4.3 地压

围岩中存在高地压是造成巷道底鼓的一个重要因素, 深部巷道比浅部巷道遇到巷道底鼓的情况更加普遍, 这完全是受高地压的影响。孤岛工作面的巷道底鼓严重也是因为周围都是高压带存在造成的。

4.4 围岩性质

围岩的性质和结构是造成巷道底鼓的决定性因素。现在回采巷道基本都在煤巷中掘进, 煤巷在掘进后完整性差, 抗压强度低, 而底板岩石的厚度决定着底鼓量的大小。

4.5 地质构造

地质条件好的矿井煤层变化小, 围岩自身支护强度高。地质条件差的回采巷道如果构造、节理、裂隙发育, 回采到这些回采点前巷道顶板会出现破碎甚至出现台阶式巷道, 围岩自身强度降低, 容易出现底鼓现象。

5 处理巷道底鼓的方法

5.1 泄压法

泄压法的实质就是采用人工干预的方法将巷道的高应力区转移到深处, 改变巷道围岩的应力状态。常见的干预方法有:打钻眼、爆破和掘进泄压巷等形式。打钻孔方法泄压范围小, 因为使用该方法要考虑后续继续底鼓的可能性, 在采空区打切钻眼可以及时使顶板垮落, 将煤壁前支撑压力释放, 缓解巷道底鼓情况。常见的泄压方法还有落底法, 这种方法比较常用但是比较被动。掘进泄压巷可以根据情况做出调整, 可以在巷道底板掘一个槽, 不仅是巷道压力向深部转移, 降低应力集中区, 槽还可以为后续引起的底板底鼓提供补偿空间, 提前给底鼓提供了空间, 能够较好的减少巷道变形量。效果主要与槽的宽度和深度有关, 根据资料在中硬岩层中, 槽宽一般在200mm~300mm, 软岩底板掘槽宽度要>200mm~300mm。凹形底板掘巷是一个很好的方法, 在掘进回采巷道顺槽时, 在底板中掘一个矩形凹槽, 跟上述方法一样, 更加创新的是后续在凹状底板填充混凝土干拌料, 成形时将所掘底板岩土进行巷道平整。这种方法可以使底板中部遇水变成混凝土反拱, 使底板有整体的支护阻力, 具备较强的抵抗残余变形阻力的能力。

5.2 巷道布置的优化

在设计巷道时尽量考虑巷道轴线与构造应力夹角问题, 夹角不同巷道后期底鼓程度差异很大, 因此从巷道围岩控制的角度考虑, 布置巷道时应注意以下几方面问题: (1) 在巷道构造应力大的区域巷道布置方向一定要着重考虑; (2) 从时间和空间上尽量避开采掘采动的影响, 最好布置在煤层开采后的应力降低区; (3) 巷道轴向应避免与构造应力相垂直, 夹角越小, 巷道所受影响越小; (4) 回采巷道在布置上优先选择沿空留巷, 如果不能沿空留巷的, 要根据时间情况合理设置煤柱距离。

5.3 巷道水的控制

巷道中都会有裂隙水渗出, 这就要求施工队伍在顺槽最低点施工水池, 将排水工作妥善管理, 减少水对围岩的侵蚀。因为巷道底板大多数都具有膨胀性, 遇水体积变大造成巷道底鼓。

5.4 锚杆加固法

巷道通常都是顶板和两帮进行了支护, 底板支护的很少。但是底板通常情况都是呈层状的, 完整性很差, 因此适用于锚杆加固, 用支护钢锚杆进行斜孔固定, 这种方法能够加强巷道的完整性, 使底板成为一个完整的组合梁形式, 完整的组合梁比单一的岩层抗弯强度大。具体的锚杆长度根据实际情况, 一般要超过煤矿所在巷道底鼓的经验值, 一般再向下延伸0.5m, 这样做的好处是方便以后的卧底, 为了充分发挥锚杆对底鼓量的控制效果, 一般不少于每平方米一根的标准进行施工。查阅资料得知, 这种方法不一定要求底板岩性成层状, 无论哪一种岩性都增加了底板的抗弯强度, 都改善了巷道底鼓情况。

6 总结

回采巷道底鼓在回采过程中非常普遍, 却严重影响着安全生产, 现在都是大型设备高效率回采工作面, 底鼓严重经常导致很多设备不能向前拉移。根据煤矿实际如果已经有巷道底鼓特别严重的经验, 在掘进相邻巷道时使用锚杆加固法或者凹形底板掘巷无疑是一个好的方法, 虽然前期工艺增加但是为后续回采工作提供了很大的方便, 施工的锚杆也可以回收车间加工进行二次利用, 现今应该推广先进可行的应对措施, 要把工人从高强度的劳动中解放出来。

参考文献

[1]翟来军.软岩巷道底鼓控制技术研究[J].煤炭技术, 2008, 5.

[2]康红普.软岩巷道底鼓的机理及防治[M].北京:北京煤炭工业出版社, 1993.

[3]颜丙成.巷道底鼓的原因和防治[J].矿业天地, 2008, 6.

古塔形变的数学模型 篇3

古塔由于受到重力、气候、地震等各种因素的影响, 长时间累积会发生如倾斜、扭曲等变形。文物部门为了保护古塔需适时对古塔进行观测, 了解各种变形量, 以便采取必要的保护措施。某古塔历史悠久, 是国家重点保护文物。有关部门先后于1986年7月、1996年8月、2009年3月和2011年3月对该塔进行了4次观测, 根据观测数据[1]讨论下列问题: (1) 给出确定古塔各层中心位置的通用方法。 (2) 分析古塔倾斜、弯曲等变形变情况及趋势。

2 模型假设

2.1 塔基所处平面为xoy坐标平面;

2.2 古塔被认为是刚体;

2.3 古塔各点的体密度相同;

2.4 不考虑塔的毁坏部分及毁坏程度;

2.5 不考虑古塔表面的装饰品。

3 符号说明

i:观测点序数;j:古塔层序数; (xij, yij, zij) :第j层第i个观测点坐标; (xj, yj, zj) :古塔第j层中心点坐标;θ:塔体的倾斜角, 即拟合直线与z坐标轴正向的夹角;ω:塔体年均倾斜速度。

4 模型建立与求解

4.1 古塔各层中心位置的通用坐标-数学模型一

由所给数据和模型一经matlab编程运行, 可得古塔各层中心点的具体坐标 (篇幅受限, 略) 。

4.2 古塔倾斜-数学模型二

不妨利用第一次观测数据, 由模型一经matlab[3]编程运行得到古塔各层中心点的具体坐标, 经matlab软件作图判断, 中心点近似分布于空间一直线上, 为此考虑拟合该空间直线[4]。假设空间拟合直线的一般式方程为, 经整理得到空间直线的对称式方程:

则该直线的方向向量, 又坐标轴正向即垂直方向的单位向量, 由空间两向量的夹角余弦公式可得拟合直线与垂直方向的夹角余弦:

由此得到塔体的倾斜角:

根据线性最小二乘法原理用matlab编程拟合该空间直线, 程序如下 (篇幅受限, 仅给出一部分) :

拟合的空间直线见图1。

则利用第一次观测数据得到塔体各层中心点的拟合空间直线方程:

塔体倾斜角:

同理利用模型二经matlab编程运行, 可得其余三次观测数据时的古塔倾斜角。古塔在四次观测数据下的倾斜角θ (单位:角度) 见表1。

由表1容易得到古塔年均倾斜速度ω (单位:角度/年) , 见表2。

从表1数据可知该古塔已发生倾斜, 并且继续在倾斜。从表2数据进一步可知该古塔在1996年至2009年倾斜较为明显, 结合时事, 2008年汶川5.12大地震可能对古塔倾斜有较大影响。2009年至2011年塔体倾斜速度大于1986至1996年的倾斜速度, 说明塔体倾斜在加快。另外, 经分析所给观测数据, 某个观测点数据缺失可能是由于塔体残缺造成的。由于古塔属于刚体, 它的弯曲程度可忽略不计。

5 模型评价与推广

依据实际观测数据和合理假设, 由向量加法运算律和matlab软件建立塔体各层中心点坐标的数学模型一, 以用来确定古塔各层中心的具体位置;在模型一的基础上, 由最小二乘法原理和matlab软件建立模型二, 利用matlab软件编程拟合得到古塔各层中心点的空间直线方程, 进而用两向量的夹角余弦公式给出古塔在不同次观测数据下的倾斜角和不同时段的平均倾斜速度, 为有关文物部门古塔保护提供必要的参考。

模型一可用于正多边形物体等 (密度均匀) 中心位置坐标的计算。模型二可用于对高层建筑物等的倾斜程度研究, 对其保护具有重要的指导意义和参考价值。

摘要：针对古塔长时间受重力、地震等影响会发生倾斜等形变的问题, 运用几何分析法和向量运算律建立数学模型一, 得到了古塔各层中心点的通用坐标。在此基础上应用最小二乘法原理拟合空间直线并建立数学模型二, 使用matlab软件编程得到了古塔在不同次观测数据下的倾斜角, 解决了古塔的倾斜程度和倾斜速度问题, 为有关部门保护古塔提供参考, 该模型也可解决对高层建筑物的危险评估等问题。

关键词：倾斜,数学模型,matlab软件,拟合

参考文献

[1]教育部高等教育司, 中国工业与应用数学学会.全国大学生数学建模竞赛[EB/OL].http://www.mcm.edu.cn, 2013-09-13/2013-10-28.

[2]张绪绪, 高汝林.高等数学[M].北京:北京理工大学出版社, 2011.

[3]马莉.MATLAB数学实验与建模[M].北京:清华大学出版社, 2010.

钢筋形变测量仪设计 篇4

1 钢筋形变测量仪的硬件设计

形变的采集利用AD7705来完成模拟电压到数字量的转换,同时利用STC12C5630AD单片机对转换的二进制数据进行后续处理,同时配合2×2的键盘输入完成对形变的测量控制和数据标定,并通过2×16的LMC-SSC2D16液晶模块显示测量和标定过程,其硬件电路如图1所示。

图1中,电阻式的左侧和右侧引伸计以电桥方式输出电压,而引伸计在伸长和压缩状态时,电桥输出电压分别是正电压和负电压,其最大伸长量为10mm,其输出电压范围在0～±20mV以内,则需要AD7705的模拟量输入端采用差分电压输入方式[3],AD7705接收的模拟输入电压范围为0～±25mV,满足电桥电压的输出变化范围。AD7705采用5V供电,在模拟输入电压范围为0～±25mV时,A/D转换的参考电压为2.5V,通过电阻分压得到。AD7705工作的主时钟频率范围在0.5～5.0MHz,该设计采用2.5MHz。将双侧引伸计的左侧接AIN1通道,右侧接AIN2通道,这时将引伸计的输出电压作为AD7705的双极性方式的输入,可以通过AD7705的寄存器进行设置。

AD7705的串行数据接口包括5个接口,其中片选输入CS、串行时钟输入SCLK、数据输入DIN和转换数据输出口DOUT用于传输数据,状态信号输出口DRDY用于指示什么时候输出数据寄存器的数据准备就绪。当DRDY为低电平时,转换数据可用;当DRDY为高电平时,输出寄存器正在更新数据,不能读取数据。器件的A/D转换过程是按设定的数据输出更新速率连续进行的,任何操作通过对相应片内寄存器送入新的编程指令来完成。通过AD7705采用SPI三线串行接口与单片机STC12C5630AD进行通信,节省了CPU的I/O资源,时钟线SCLK为传输数据提供时钟,无数据传送时,即空闲状态为高电平。在写操作模式下,STC12C5630AD的数据输出为LSB在前,而AD7705希望MSB在前,所以数据写之前必须倒序,其读写时序如图2所示。

LMC-SSC2D16是以5×7点阵为字符单元,能显示192个ASCII码字符的液晶模块,它采用并行接口与单片机通信,通过DBO～DB7与STC12C5630AD单片机的P2口实现传送控制字节、地址字节和数据字节。其中VSS为地电源,VDD接5V正电源,V0为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高,通过外接10K电位器调整对比度。RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器,低电平时选择指令寄存器。RW为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令。

人机接口设置了4个按键:开始、停止、标定、确定,将STC12C5630AD单片机的P3.2和P3.3作为键盘的行线,将P1.0和P1.1为列线,在没有按键按下时,列线的电平为高电平。通过循环置行线I/O为低电平,去判别列线中P1.0和P1.1的电平是否为低电平则可识别被按下的键。

2 钢筋形变测量仪的软件设计

软件设计主要完成对钢筋形变量的采集、测量数据的标定、形变量的显示和测量控制。

对钢筋形变量的采集主要是单片机与AD7705的寄存器的读写控制,AD7705包括8个寄存器,均通过器件串行口访问。第1个是通信寄存器,它的内容决定下一次操作是对哪一个寄存器进行读操作还是写操作,并控制对哪一个输入通道进行采样。所有与器件的通信都必须先写通信寄存器。上电或复位后,器件默认状态为等待指令数据写入通信寄存器。它的寄存器选择位RS2～RSO确定下次操作访问哪一个寄存器,而输入通道选择位CH1和CHO则决定对哪一个输入通道进行A/D转换或访问校准数据。第2个是设置寄存器,它是一个可读/写八位寄存器,用于设置工作模式、校准方式及增益等。第3个是时钟寄存器,它也是一个可读/写的八位寄存器,用于设置有关AD7705运行频率参数和A/D转换输出更新速率。第4个是数据寄存器,它是一个16位只读寄存器,它存放AD7705最新的转换结果,该寄存器是由两个8位的存储单元组成的,输出时MSB在前,如果接收微控制器需要LSB在前,读取的时候应该分两次读,每次读出8位分别倒序,而不是整个16位倒序[4]。其他的寄存器分别是测试寄存器、零标度校准寄存器及满标度校准寄存器等,用于测试和存放校准数据,可用来分析噪声和转换误差。

该测量仪的软件开发环境利用Keil C51完成,利用Init7705()函数完成对AD7705的初始化设置[5],设定其时钟频率为2.459MHz、更新速率为20Hz、自校准模式、增益为1、双极性输入和AD7705内部缓冲模式,具体代码如下:

利用图2所示的AD7705读写时序实现读和写AD7705寄存器的操作子函数void Read7705 ()和void Write7705(BYTE inByte):

当通信寄存器设置完毕后,启动A/D转换并利用WORD GetWordCh1 ()和WORD GetWordCh2()函数实现读取通道1和通道2的转换数据:

当引伸计的电桥电压输出与形变不成线性关系时,可以通过标定程序来完成,将0～10mm的形变量分成1 1个档,通过外部标定器将引伸计拉伸至0～10mm这11个档位,并将采集到的A/D转换值存入单片机的EEPROM中,如果利用变量ADCLEN0～ADCLEN10分别表示这11个标准形变经过AD7705采集到的A/D转换值,那么进行数据拟合时,当进行测量时,实际的长度为x,经过A/D采集得到的转换值为ADCLENx,首先判别ADCLENx在ADCLEN0～ADCLEN10的哪个区间,如果在ADCLENn和ADCLENn+1区间(n的取值范围为0～9,单位为mm),则对应的实际长度x可以通过x=n+ADCLENx/[(ADCLENn+1)-ADCLENn]进行计算,其整个测量仪的控制逻辑如图3、4所示。

在图3中,系统首先读取左、右通道的22个标定基准值,同时设定采样定时器,在有键按下时,则进入测量状态和标定状态。在定时中断产生时,如图4所示,将自动跳转到定时中断服务子程序,进行AD7705的形变采集。

3 结束语

笔者利用AD7705实现了双侧引伸计的形变测量,同时在引伸计受环境变化产生输出电压漂移时,为了保证其形变量和输出电压的线性关系,设计过程中利用线性拟合方式有效控制了测量误差,通过在哈尔滨市数十家建材质量检测站的实际运行,表明该形变测量仪操作简单、稳定可靠,具有广泛推广应用的价值。

摘要：电阻式引伸计在微小形变下,电桥的输出电压变化量是毫伏级,为了保证形变测量精度在1μm以内,采用双ADC通道的AD7705来完成形变量的测量和数据转换,同时提出了分段线性化的形变标定方法,试验表明:该方法可以有效控制其测量误差,满足JB/T 6146-2007标准要求。

关键词：引伸计,AD7705,形变标定

参考文献

[1]JB/T 6146-2007,引伸计技术条件[S].北京:国家标准出版社,2007.

[2]胡国华,艾彦,江智平,等.双侧和单侧电子引伸计的比较[J].理化检验(物理分册),2006,42(7):351 -354.

[3]闫瑞杰,李海香,郝瑞霞.基于ATmega16的AD7705多通道模拟量采集系统设计[J].化工自动化及仪表,2011,38(4):466-468.

[4]陈勇,吴伯农.AD7705高精度数据采集的实现[J].国外电子测量技术,2006,25(1):38-40.

基于InSAR技术的地表形变监测 篇5

1 InSAR数据的处理流程

1.1 干涉数据的获取

合成孔径雷达干涉测量的数据处理能否成功关键就在于选取可利用的SAR数据。根据具体应用选取SAR图像数据需要考虑的因素主要包括以下几个方面:传感器类型、基线的时空分布获取图像时的地形、大气特征等[4]。目前可用于干涉测量的星载合成孔径雷达数据源主要有:欧空局 (European Space Agency, ESA) 的ERS-1/2、ENVISAT、加拿大的RADASAT和日本的JERS-1、ALOS。同时, 美国的奋进号航天飞机也可以提供部分干涉测量数据。

1.2 SAR图像的配准

SAR图像数据的空间配准是SAR图像干涉处理中关键的一步。图像配准是对取自不同时间、不同传感器或不同视角的同一景物的两幅图像或多幅图像匹配、叠加的过程。由于星载InASR中的两幅图像不是同步得到的, 它们之间的像素点不对应, 因此需要进行图元配准, 目的是将两个图像中同样位置的像素对应地面同一回波点, 以使两幅图像具备干涉的条件, 一般通过曲线插值和拟合等方法来实现。图像配准通常分粗配准和精配准两个步骤, 粗配准误差约为一个像素, 精配准能达到亚像元精度。

1.3 干涉图的生成

对于来自不同时间、不同传感器或不同视角的同一景物复雷达图像对, 由于两副天线与地面某一目标之间的距离不等, 使得在复雷达图像对同名象点之间产生相位差, 从而可以形成干涉纹图, 干涉纹图中的相位值即为两次成像的相位差测量值, 根据两次成像相位差与地面目标的三维空间位置之间存在的几何关系, 利用飞行轨道的参数, 即可测定地面目标的三维坐标, 生成干涉图。通常, 图像的配准误差必须在1/8个像元以下才对干涉条纹的质量没有明显影响。

1.4 干涉图的滤波

引起InSAR相位图中噪声的因素很多, 观测区域的地形、基线相关损失、相干斑点噪声、信号处理噪声、图像不匹配噪声、接收机热噪声等都是干涉相位图中噪声的重要来源。在InSAR成像处理中, 由于干涉相位图受到噪声的影响, 干涉条纹可能并不明显, 甚至会完全淹没在噪声之中, 因此需要对干涉相位图作滤波处理, 来降低其中由噪声引起的残余点数量, 提高干涉条纹的质量, 以利于干涉相位图的二维相位展开处理。

1.5 去平地效应

去除干涉图的噪声后, 就要对干涉图产生的平地效应进行去除。平地效应是干涉图在高度相同的平地上所表现出来的干涉条纹随距离向和方位向的变化而变化的一种现象。平地效应的变化具有一定的周期性。干涉图中, 有平地效应引起的条纹与地形起伏所引起的条纹夹杂在一起, 并不能反映真实的地表形变信息, 因此需要去除平地效应后再进行相位解缠。平地效应可通过对干涉纹乘以复相位函数来去除。

1.6 相位解缠

由于干涉相位图的条纹是由相位差形成的, 它与地面位置直接相关的相位以2π为模, 即只能测量出不足一个周期的相位差, 丢失了2kπ的模糊度。因此为了计算目标点的高程, 必须解出相位模糊度, 给相位测量值加上2kπ的相位周期。这种求解2kπ模糊性问题的技术称为相位解缠。它类似于GPS相位测量中的整周模糊度问题, 是一个重要而有难度的步骤, 解缠得到的相位值准确与否, 直接关系到提取出的目标高程信息的有效精度。目前, 所有的相位解缠可分为两个步骤:①基于缠绕相位计算解缠相位的相位梯度估算值;②积分。根据所采用的积分方法, 相位解缠方法主要分为两大类:路径跟踪法和最小二乘法。实践证明, 路径跟踪法比最小二乘法更加稳健和可靠[5]。在相位解缠完成后计算出形变信息, 最后将形变图投影至地理坐标系中。

2 InSAR技术应用实例——伊朗BAM地震

2.1 试验区简介

2003年12月26日, 德黑兰当地时间凌晨5点28分, 伊朗东南部地区发生里氏6.8级强烈地震, 震中位置为29.01N, 58.30E, 震源深度33km。地震震中位于距克尔曼省省会克尔曼市约180km的巴姆市。地震造成了大面积破坏, 巴姆市有60%的房屋倒塌, 一些具有历史价值的古迹也变成了废墟, 巴姆及其附近地区的通讯、水、电供应均遭中断。根据截至2004年1月8日的报道, 地震造成约3万人死亡[6]。

2.2 试验数据的获取

BAM地震发生以后, ENVISAT卫星监测到了BAM地震的全过程。利用欧空局ENVISAT卫星获取的3幅雷达影像数据进行差分干涉处理。三幅影像的轨道号依次为6687, 9192和9693, 成像时间分别为2003年6月7日, 2003年12月3日和2004年1月7日。其中, 6687和9192为BAM地震前获取的照度图像, 9693为地震后获取的照度图像。

2.3 处理结果

以6687和9192为Topo相对, 以9192和9693为Defo相对, 采用荷兰Delft大学的DORIS软件进行三轨法差分干涉处理, 其中采用Goldstein滤波方法进行滤波, 采用Snaphu网络流算法进行解缠, 在解算前先进行基线估算, 依次得到表1的干涉图基本参数信息, 只包含地形相位信息的干涉条纹图 (9192-6687, 图2) 与包含地形和形变的干涉条纹图 (9192-9693, 图1) , 包含形变信息的差分干涉条纹图 (图2) , 该地区地震前的DEM高程图 (图3) 以及视向上 (LOS) 的地表形变三维图 (图4) 。

由于BAM地区气候干燥, 植被比较稀少, 所以相隔35d和175d的干涉图其相关性依旧非常好。对比图1中的两幅图, 从包含形变信息的干涉条纹图 (a) 中就可以分辨出由于形变引起的条纹, 但是由于地形信息产生的相位影响, 形变条纹被淹没在地形条纹之中。采用三轨法可以获取地震前当地的DEM, 如图3所示, 然后减去由DEM产生的相位信息, 去除地形相位影响, 即可获得精确的地表形变未解缠干涉条纹图, 如图2所示。但是在形变中心之外还有2条明显的其他条纹, 这些残差是由于地形相位的残差以及基线误差的影响造成的。对于这种情况, 只有精确获取了当地的DEM数据和对ENVISAT图像的轨道进行优化, 才能消除这种影响[7]。从干涉图中得出地震形变场分布及形变信息, 对形变相位进行解缠之后, 得出地面各点的形变量ΔR。由于ASAR雷达采用C波段 (波长5.666cm) 微波成像, 所以每条整周干涉条纹代表约2.8cm的形变量, 由此得出地震造成的最大形变量约为30.4cm (图3) 。其中, 图4中南边地区的一瓣在雷达射线方向隆起25cm左右, 而北边则下沉约70cm。

3 结论

简要介绍了地表形变的一些危害及进行地表形变监测重要性, 合成孔径雷达技术基本原理及数据处理流程, 最后以BAM地震形变场的干涉处理过程及结果为例, 显示了星载合成孔径雷达技术在监测地表形变中的突出技术优势, 证明InSAR技术是地表形变监测的一种十分有效而且强大的工具。利用干涉雷达进行大面积、快速、低成本、高精度高分辨率的形变测量, 是其他传统方法, 包括现代的GPS都无法做到的[8]。

虽然InSAR本身的优势明显, 但由于其自身方面故有的技术限制, 特别是受到大气层延迟 (对流层延迟、电离层延迟等) 、卫星轨道误差、地表状况和时变去相关性等影响, 很容易导致InSAR图像解释错误, 而InSAR数据本身无法解决所存在的上述问题。随着雷达技术的进一步发展, 将会使InSAR的相关缺陷逐步得到解决。而新一代SAR卫星的发射升空, 如Radarsat-2及ALOS等, 将有可能对SAR数据资源在地震监测、火山活动、以及其他地表形变等现象进行更加深入和广泛的应用研究。可以预见, 合成孔径雷达干涉测量技术在地表形变监测中的应用将会越来越普遍, 作用也会越来越大, 进而成为形变监测中不可或缺的强大工具。

摘要：地表形变引发了一系列的地质灾害, 因此, 对地表形变进行监测显得尤为重要。卫星合成孔径干涉测量是一项极具潜力的区域地表形变监测技术, 具有很好的优越性, 应用前景广泛.介绍了地表形变及其带来的危害和SAR数据的基本处理流程等, 并以BAM地震为例对InSAR技术在地表形变监测中的具体应用进行了讨论与分析。

关键词：InSAR,地表形变,BAM地震

参考文献

[1]张宗枯.环境地质与地质灾害.第四纪研究[J], 2005, 25 (1) :1-5.

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[7]李毅.用D-InSAR研究巴姆地震形变场[J].武汉:大地测量与地球动力学, 2008, 28 (1) .

插值算法对于古塔形变趋势的分析 篇6

1) 根据问题对1986年、1996年、2009年、2011年每层的中心点坐标进行统计, 再按照年限对整个数据进行插值分析, 得出中间若干年的各层中心坐标, 补齐数据, 推算出平均偏差, 再利用数据拟合的方法, 对古塔各层中心坐标进行描述, 最终确定坐标值。

2) 统计出1986 ~ 2011年古塔各层中心点平均坐标的基本数据, 由此建立数学模型, 用matlab软件得出古塔1层的中心点变化, 再递推求出其他层的中心点变化……再由matlab软件绘制三维点位, 进行三维曲线拟合, 古塔变形趋势的描述由此构成。

2模型假设

1) 古塔受各类因素影响会发生的倾斜和下沉, 但倾斜和下沉是均匀的。

2) 假设人为的测量有误差, 但误差的分布是均匀的。

3) 假设外部气候对古塔墙面的形变有影响, 但影响是均匀的。

3模型建立与求解

首先利用1986和1996年的数据平均插值推导出1991年的各层中心点坐标数据, 如表1所示。

再利用2009年数据和2011年数据插值推导出2010年各层中心点坐标数据, 如表2所示。

主程序如下: Y = interp1 ( x, y, X, spline)

利用最佳平移量计算公式确定古塔各层中心位置, 从各中心坐标偏差测量结果中分别找出x, y方向的最大偏移量fmax与最小偏移量fmin, 然后得出坐标系最佳平移量。

坐标系平移量:, 坐标系平移方向与fxmax, fymax一致。

再利用1991年和2010年数据插值得到2000年数据, 利用2009年和2011年数据插值得到2010年数据, 最后推导出1986 ~ 2011年共26年的坐标数据, 求得古塔的中心坐标点的公式为对插值得到不同年份、不同高度测量结果的平均值, 再由以上计算出的平均数据, 统计出的1986 ~ 2011年古塔各层的中心点平均坐标基本数据, 利用matlab软件绘制三维点位, 形成三维的离散点, 离散点图如图1所示。

4结语

根据古塔不同层的三维坐标图和水平坐标图可以看出: 1塔顶和塔身各层的倾斜都不是朝向确定的方向, 而是有一定角度的偏向。2越是靠近塔顶的位置, 塔的偏向越明显。3古塔每层的变化也不是都朝向一个方向偏移。说明古塔的高度和层数不同, 受到的外部因素影响也各不相同, 且影响不均匀。 4古塔在超过一定高度后, 中心点位移误差突然变大。说明塔身在经历了一定的偏移后, 位置偏向变化变得较为剧烈, 因此应尽早重视此类形变, 尽快组织人员修复。

摘要：根据4年对古塔进行了4次观测数据的分析 (1986年、1996年、2009年和2011年) , 我们假定古塔墙面会受到各种外界因素的影响, 但古塔的形变基本上是均匀 (指膨胀系数均匀, 古塔中心坐标基本不变) 的情况下, 分别对这4年的古塔中心坐标数据进行逐年的插值, 补齐中间年份缺失的数据, 由此建立起中心点坐标获取模型公式, 列表展示所有测量的古塔中心坐标的结果。

关键词：插值算法,坐标平移,统计分析,数据拟合

参考文献

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[2]陈东佐, 康玉庆.中国古塔的维修与保护[J].太原大学学报, 2006 (4) .

场致发射显示器基板形变分析 篇7

场致发射显示器(Field emission display, FED)是真空技术与微电子技术相结合的产物,其工作原理和传统的CRT显示器类似,因此它保留了CRT显示器高亮度、高色饱和度等优点,又克服了CRT体积大,有辐射等缺点,且具有体积小、工作温区大、功耗低、可视面积大、超薄型等特点,因此相对其他的平板显示技术,将在性能和可制作性等方面具有极大的优越性,成为下一代新型显示技术代表的有力竞争者。

图1是前栅型的FED结构示意图,其结构包括前基板、支撑柱和后基板。前基板包括前玻璃基板以及在基板下面的阳极和荧光粉;后基板包括玻璃基板及其上面的阴极、介质层、场发射源和栅极;夹在前基板和后基板之间的事支撑体系列,正是支撑柱的存在,防止前后基板因形变而导致阴阳极短路。

随着FED尺寸的增大,两基板之间的支撑体的数也大幅度增加,而支撑体的分布将直接影响前后基板的形变。阴极与阳极之间的距离很短,只有几十至几百微米。由于FED是真空结构,其基板在大气压下会产生形变,进而影响器件内部电场、发射性能和屏幕亮度,也会导致场发射的不均匀。因此有必要对在两基板之间布置周期性的支撑柱的配置进行研究。最佳配置的支撑体排列,不但可以节约成本,而且可以提高场发射的性能。

1 分析和建立基板形变方程

通过对显示均匀性的研究,发现基板的厚度和基板垂直方向上的压力对基板的变形影响很大,式(1)给出了基板的形变方程:

undefined

式中:w为基板在垂直方向上的形变量,A为基板所承受的垂直压力,D为抗弯曲强度(这是和厚度有关系的量)。垂直压力越小,垂直方向的形变就越小;基板的厚度越厚,垂直方向上的形变也越小[1,2,3]。

2 建立基板应力和形变模型

本文中所用分析的软件为ANSYS9.0,该软件通过有限元法实现对应力和形变进行分析。二维实体单元主要用于描述薄平板结构(平面应力)、等截面的“无限长”结构(平面应变)和轴对称实体结构,即用于模拟实体的截面。三维实体单元主要用于描述三维共建中截面积不等、也不是轴对称的厚结构,即:用于那些由于几何形状、材料、载荷或分析要求考虑细节等原因造成无法采用更简单单元进行建模的结构。分析上述两种建立实体单元方式的优缺点,本文采用的方法是:在应用施加载荷方法和查看应变总位移上采用二维模型的设计,而在观察等效应力上则采用三维模型的设计方法,即采用二维和三维相互结合使用的设计方法,如图2 所示。这样就能更加理性和直观地得出基板形变值和应力值。模型中上下两块基板厚度为3~7 mm,两边是封接区域,中部为真空,基板材料机械常数泊松比为0.25,杨氏模量(弹性模量)为714×1010 N·m-2,施加载荷为1.01 Mpa。分别分析形变量与封接面积、应力与封接面积的关系[4,5,6]。

3 最大形变与基板面积、厚度的关系

在研究基板形变与支撑墙面积关系的时候,采用二维建立模型。设定基板为正方形,宽度和长度相等,宽度和长度值从0开始到25 cm,面积从0到625 cm2,取十个点,进行仿真,仿真结果见图3、图4:

从图3中可见,当基板厚度确定时,基板最大形变随着基板面积的增加而增加,当基板面积一定时,基板最大形变量随着基板的厚度的增加而减小。

从图4可以看出,基板中间位置形变为最大形变,边界形变最小,整体形变不一,所以在进行电子发射时,会影响电场分布,导致显示的不均匀。

4 最大应力与基板面积、厚度的关系

在研究基板最大应力与基板面积、厚度的关系时,同样设定基板为正方形,宽度和长度相等,宽度和长度值从0开始到25 cm,面积从0到625 cm2,取十个点,进行仿真,仿真结果见图5,图6。

从图5可以看出,基板厚度一定时,基板最大应力随着基板面积的增加而增加,基板面积增加到一定时,若继续增加基板面积,则基板最大应力会急剧增加,当基板面积一定时,基板最大应力随着基板厚度的增加而减小。

图6为基板厚度为5 cm。面积为15 cm×15 cm的应力分布图,从图中可以看出,基板中间处的应力不是最大也不是最小,基板的最大应力在边界处,最大应力为25.1 Mpa。

5 结 论

综上分析可知,基板的应力和形变与基板厚度成反比关系,因此厚的基板更适合于FED面板,但是基板越厚,其表面平整度越差,也会影响图像显示的质量。另外,基板的应力和形变与基板面积成正比关系,但因前后基板都是由脆性玻璃组成,所以不但要满足最大应力与材料强度的约束条件,还要满足形变量约束条件,可根据模拟仿真结果,找出临界值,进行优化。

参考文献

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