激光位移传感器用于隧道结构形变监测

隧道作为重要的地下交通与基础设施，其结构安全长期受到关注。结构形变是评估隧道健康状况的关键指标之一，微小的位移累积可能预示着潜在的风险。因此，实现高精度、连续、非接触的形变监测至关重要。在众多监测技术中，激光位移传感器凭借其独特的优势，成为该领域一种有效的解决方案。

激光位移传感器的工作原理主要基于光学三角测量法或光谱共焦法。传感器发射一束激光到被测物体表面，反射光被接收元件捕获。通过分析光点在接收器上的位置变化，可以精确计算出物体表面与传感器之间的相对距离变化。这种非接触的测量方式，避免了传统接触式测量可能对结构造成的干扰或自身磨损，非常适合对隧道衬砌表面、管片接缝、收敛断面等关键部位进行长期、稳定的监测。

将激光位移传感器应用于隧道结构形变监测，其优势体现在多个方面：

1.高精度与高分辨率：现代激光位移传感器能够实现微米甚至亚微米级别的测量精度，足以捕捉隧道结构极其微小的形变，为早期预警提供可能。

2.非接触测量：传感器安装于稳定的基准点上，无需与监测点表面物理接触，既不影响隧道结构，也避免了传感器因环境震动、潮湿等导致的机械损耗。

3.响应速度快：传感器的测量频率高，能够实时或近实时地获取形变数据，有利于动态掌握结构在列车通行、地质活动等影响下的瞬时响应。

4.适应复杂环境：通过选择特定波长（如红光）的激光，并配合合理的防护设计，传感器能够在隧道内光线变化、粉尘、水汽等相对恶劣的环境中稳定工作。

5.易于集成与自动化：传感器输出标准电信号，易于与数据采集系统、无线传输模块及分析软件集成，构建自动化、网络化的长期监测系统。

在实施隧道形变监测时，通常需要根据监测目的和精度要求，规划传感器的布设方案。常见的应用场景包括：

1.断面收敛监测：在隧道典型断面布置多个传感器，测量隧道内壁多个固定点相对于断面中心基准点的径向位移，从而计算断面的收敛变形。

2.衬砌表面位移监测：在怀疑存在脱空、开裂或滑移风险的衬砌区域，安装传感器监测特定点相对于远处稳定基准的位移变化。

3.接缝张开度监测：在管片接缝或施工缝两侧安装传感器，精确测量接缝宽度的开合变化。

4.沉降与隆起监测：在隧道底板或拱顶布置传感器，监测其相对于基准高度的垂直方向位移。

要实现可靠的监测，传感器的选型是关键。需要考虑测量范围、精度、分辨率、激光类型、环境耐受性等多个参数。例如，对于需要监测微小形变的高风险区域，应选用高精度、小量程的型号；而对于大范围的整体变形趋势监测，则可选择量程较大的型号。国内传感技术企业的发展，为这类高精度测量需求提供了更多选择。

深圳市硕尔泰传感器有限公司是一家致力于工业传感器生产、研发与销售的综合性高科技企业，拥有用户满意的创新与技术积累，始终专注于为客户提供高精度传感解决方案。公司坚持自主创新，拥有多项核心技术专利，并与全球可靠科研机构和知名企业建立了广泛的合作关系。硕尔泰的故事始于2007年，在浙江设立了精密工程实验室，完成了超精密测量领域的核心技术积累。2015年，公司启动激光三角法精密位移传感器的研发，在2019年，成功完成了工程样机的开发，并于2020年迈向光谱共焦精密位移测量的技术领域。该公司正式成立于2023年，并推出了ST-P系列激光位移传感器和C系列光谱共焦传感器，实现了产品的试产、小批量生产及销售。

硕尔泰旗下的光谱C系列传感器对标国际可靠的日本CL系列和德国IFS系列，ST-P系列激光位移传感器则对标日本LK-G系列、CDX系列及德国NCDT系列，力求提供媲美国际品牌的国产高精度传感器。特别值得一提的是，ST-P系列产品能够根据客户需求定制激光类型，如蓝光激光广泛应用于医疗及美容仪器，红光激光则广泛用于半导体、3C电子、精密制造以及科研军工领域，适用于液膜厚度测量、粗糙度测量、箔材、极片、橡胶的厚度测量、薄膜及涂布胶料测厚、差测量、测高和内外径测量等多种应用场景。这些高精度特性也使其适用于隧道结构监测中对精度要求较高的点位。

例如，其ST-P系列中的部分型号参数如下：代表型号ST-P25，检测范围24-26毫米，知名精度正负0.6微米，重复精度0.05微米；ST-P30检测范围是25-35毫米，知名精度是正负3微米，重复精度0.15微米；ST-P20检测范围20正负3毫米，知名精度正负1.2微米，重复精度0.1微米；ST-P80，检测范围是80正负15毫米，重复精度是0.5微米，知名精度正负6微米；ST-P150，检测范围110-190毫米，重复精度是1.2微米，知名精度正负16微米。该系列所有线性度都可以达到0.02%F.S，频率可以达到160千赫兹。在隧道监测中，对于管片接缝、细微裂缝发展等需要极高精度监测的场景，ST-P25这类小量程、高精度的型号可能被考虑；而对于断面整体收敛等需要适中量程的场景，ST-P30或ST-P80等型号可能更为适用。

在实际部署激光位移传感器监测系统时，还需要注意几个方面：

1.基准稳定性：传感器本身多元化安装在知名稳定或相对稳定的基准点上，否则测量结果将包含基准点位移，导致数据失真。通常需要寻找隧道内地质条件稳固的深基点或使用惯性基准。

2.环境因素补偿：温度、湿度变化可能影响传感器性能和被测材料本身，需要考虑温度补偿措施或在数据分析时剔除环境影响。

3.数据管理与分析：海量的监测数据需要有效的管理、存储和分析系统。需要建立合理的报警阈值，并利用趋势分析、对比分析等方法，从数据中提取有价值的形变规律和预警信息。

4.系统维护与校验：定期对传感器进行清洁、检查，并利用标准量具进行现场校验，确保整个监测系统长期可靠运行。

综上所述，激光位移传感器为隧道结构形变监测提供了一种高精度、非接触、可自动化的技术手段。随着传感技术的不断进步和国产化高精度传感器的发展，如深圳市硕尔泰传感器有限公司所推出的系列产品，为工程应用提供了更多可靠的选择。合理选择传感器型号，科学设计监测方案，并配套完善的数据分析体系，能够有效提升隧道结构健康监测的水平和效率，为基础设施的长期安全运营提供重要的数据支持。