CN100395520C - 高精度光电三维倾角测量方法及其测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度光电三维倾角测量方法及其测量仪，该测量仪采用CCD组件、两个反光镜、准直物镜、放大物镜、激光器组和航空插座等构成；该装置利用倒(正)垂垂线垂直指向地心方向的原理，利用空间结构放大或光学放大位移，从而实现了倾角和倾角变化的高精度测量。测量精度还可以通过光学***的放大系数做调整、结构简单、紧凑、稳定可靠、成本低。并且还可以采用无线专用设备、无线公共网、有线专用设备、有线公共网进行远程数据传输和信号通讯。本发明可广泛应用于大坝、桥梁等建筑物的安全监测，还可应用于各种工业生产、军事和检测领域的倾角监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量装置，特别涉及一种高精度光电倾角测量方法及其利用该测量方法制备的测量仪。
背景技术
目前倾斜角传感器多采用重力摆的结构。通过物体重力方向始终指向地心的基本原理，将倾角变化转换成位置变化来实现对倾角的测量。倾角变化信号提取主要采用激光位移测量利用PSD光电转换器件来实现。也有利用新型SMR敏感元件，将倾斜角度的变化转换成电信号输出。另外一种倾角测量采用电感测量传感器，用于确定可以相对于固定外壳移动的物体的位置，从而实现倾角测量。德国霍斯特塞德尔公司的发明特征在于，移动体包括测量传感器，该传感器产生在限制区域内延伸的交变磁场；还在于交变磁场穿过至少一个与外壳连接的导体回路并沿测量长度延伸。通过电路对正向和反向线路之间的电压差值求平均值并将其馈送到输出。将电感传感器用于测量固定外壳和轴之间角度的***。但这类倾角测量方法其测量精度均低于30″。满足不了高精度倾角测量的要求。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种高精度光电三维倾角测量方法及其测量仪。该方法能够利用倒/正垂垂线垂直指向地心方向的原理，利用空间结构放大或光学放大位移，从而实现倾角和倾角变化的高精度测量，并利用该方法制备了高精度光电三维倾角测量仪。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种高精度光电三维倾角的测量方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)首先设置一光路***，该光路***包括两个反光镜，两个反光镜之间有准直物镜和放大物镜，在光路***的一端有一激光器，另一端有CCD组件；光源发射出的光经过第一反光镜反射后，通过准直物镜、放大物镜到第二反光镜，由第二反光镜反射到CCD组件上；
2)将一倒/正垂线或双金属标指针置于光路***中并从主光轴上垂直引出，由于倒/正垂线或双金属标指针会挡住部分光线，在CCD组件上留下一条暗条纹，当坝体发生变形时，垂线相对于倾角测量仪发生移动，通过所述的光学***后反映到CCD组件上就是暗条纹的移动，即可将光源发射出的光角度转化为暗条纹的位移变化，利用该暗条纹位移进行三维倾角测量，能够同时测量与水平面X-Y、与垂直面Z三个方向的三维倾角。
上述方法的其它特点是，所述CCD组件是CCD摄像机或CMOS摄像机。
所述倾角测量仪用于测量实现沿X、Y轴方向的倾角βx.βy测量，其中βx是通过测量出倒/正垂垂线高度差为L两点的位移差Δy，通过下式βx＝Δy/L计算得到；βy是通过测量出倒/正垂垂线高度差为L两点的位移差Δx，通过下式βy＝Δx/L计算得到。
所述双金属标仪和绕角测量仪用于绕垂直方向Z的绕角βZ测量，βZ是通过测量出距双金属标管管轴为R处的相对位移Δr，βZ＝Δr/R计算得到。
采用上述方法制备的高精度光电三维倾角测量仪，其特征在于，该测量仪包括：
一密封箱体，该密封箱体的内部设有CCD组件，CCD组件安装在箱体底板上；
密封箱体的两端用支架固定安装有两个反光镜，在两个反光镜中间固定装有由准直物镜和放大物镜，它们组成光学准直放大***；
在一个反光镜的上端设有激光器支架，在激光器支架上固定安装有激光器组；
密封箱体内还设有带压板的第一支架和第二支架，分别用于固定单片机线路板和线路转接板，第一支架和第二支架固定安装在箱体底板上；
CCD组件和单片机线路板通过插座连接，实现数据传输，单片机线路板通过485总线和线路转接板相连，线路转接板通过CAN总线和上位机进行通信；
密封箱体的左右两端分别固定安装有密封端盖，密封端盖和密封箱体之间置有密封圈；
密封箱体的一端还固定有两个航空插座，分别用于接插数码管和CAN总线以及电源线；箱体的上部装有上端盖，上端盖和密封箱体之间置有密封圈。
上述仪器的其它特点是，所述的CCD组件为CCD摄像机或CMOS摄像机。
所述的线路转接板通过CAN总线和上位机进行通信的方式为有线通讯或无线通讯或远程数据传输和通讯。
有线通讯或无线通讯或远程数据传输和通讯的设备为无线专用设备或无线公共网或有线专用设备或有线公共网。
本发明的高精度光电三维倾角测量仪，利用倒(正)垂垂线垂直指向地心方向的原理，利用空间结构放大或光学放大位移，从而实现了倾角和倾角变化的高精度测量。测量精度还可以通过光学***的放大系数做调整、结构简单、紧凑、稳定可靠、成本低。并且还可以采用无线专用设备、无线公共网、有线专用设备、有线公共网进行远程数据传输和信号通讯。
附图说明
图1.高精度光电三维倾角测量仪光学***原理示意图；
图2.倾角测量仪数据处理与传输原理示意图；
图3.高精度光电三维倾角测量仪器的结构示意图；其中(a)为主视图。(b)为(a)的侧视图；
图4.基点引入装置示意图：图中符号所表示：41.垂线坐标及倾角测量仪器，42.双金属标仪及绕角测量仪器，43.高稳定支架，44.基地引入装置混凝土墩，45.铝管，46.钢管。
以下结合附图和发明人依本发明的技术方案所完成的实施例对本发明作进一步的详细描述。
具体实施方式
本发明测量三维倾角测量的原理参见图1，倒(正)垂线从主光轴上的0点垂直地心引出，光源发射出的光经过反光镜、准直物镜和放大***后再经一反光境后照射到CCD组件上，由于置于光路***中的倒(正)垂线会挡住部分光线，因而会在CCD组件上留下一条暗条纹，当坝体发生形变时，垂线相对于倾角测量仪发生移动，反映到CCD组件上就是暗条纹的移动，即将角度转化为暗条纹位置的变化，利用该暗条纹位移进行三维倾角测量，能够同时测量与水平面X-Y、与垂直方面Z三个方向的三维倾角。
本实施例的测量方法包括下列步骤：
1)在建筑物的基础点利用倒(正)垂和双金属标或直接利用仪器中的倒(正)垂，通过测量倒(正)垂不同高度的位移，从而实现沿X、Y轴方向的倾角βx.βy测量。利用双金属标仪实现绕垂直方向Z的绕角βZ测量。该***配置有单片机进行控制、数据存储、数据输出和显示；
2)倾角测量原理为，βx是通过测量出倒(正)垂垂线高度差为L两点的位移差Δy，通过下式(1)计算得到；βy是通过测量出倒(正)垂垂线高度差为L两点的位移差Δx，通过下式(2)计算得到；βZ是通过测量出距双金属标管管轴为R处的相对位移Δr，通过下式(3)计算得到；
βx＝Δy/L (1)
βy＝Δx/L (2)
βZ＝Δr/R (3)
3)由(1)(2)(3)式得知，提高***的测量精度主要有以下两种方法。一是提高分子项的测量精度；二是增大分母的值。由于增大分母值会增大测量仪器体积，因此我们采用提高分子项的测量精度。提高分子项的测量精度可以选用分辨率高的器件，也可以通过光学放大来提高***的分辨率，从而提高倾角测量精度。
本发明的高精度光电倾角测量仪，具体结构参见图3。
该装置利用倒(正)垂垂线垂直指向地心方向的原理，利用空间结构放大或光学放大位移，从而实现了倾角和倾角变化的高精度测量。
该仪器包括：仪器箱体8，该箱体8为铸铁制成的密封机构，箱体的内部设有CCD组件1，CCD组件通过螺钉16固定安装在箱体底板上；箱内设有带压板14的第一支架13和第二支架21，用于固定单片机线路板6和线路转接板7，压板14通过螺钉18固定于第一支架13和第二支架21上，第一支架13和第二支架21通过螺钉组17固定安装在箱体8的底板上；CCD组件1和单片机线路板6通过插座实现数据传输，单片机线路板6通过485总线和线路转接板7相连，线路转接板7通过CAN总线和上位机进行通信；箱体内腔设有激光器支架，激光器支架上通过螺钉固定安装有激光器组5；箱内的两端用支架固定安装有反光镜组4，在反光镜组4中间固定装有由准直物镜3和放大物镜2组成的光学准直放大***。
箱体的左右两端用螺钉固定安装有密封端盖10，端盖10和箱体8之间置有密封圈11；箱体8右端通过螺钉19固定装有两个圆形航空插座22，中间设有绝缘垫20，航空插座22分别用于接插数码管和CAN总线以及电源线；箱体的上部装有上端盖15，上端盖15和箱体8之间置有密封圈12并用螺钉9固定安装；箱体通过10个螺钉固定于底座上。
显示及通讯接口
参见图2，图2是倾角测量仪数据处理与传输原理示意图；本发明倾角测量仪充分考虑到产品的实用性和使用方便性，***自身拥有单片机进行控制、数据输入、输出和显示，同时用RS485通讯接口连接到线路转接板，再通过CAN总线与远程通讯计算机进行通讯，利用公用数据网进行远程数据传输和通讯。
CCD组件的输出信号通过AD713进行了放大和隔离，通过AD7888进行模数转换，将数据送入单片机AT89C52。数据进入单片机后由其进行必要的数学模型运算处理得到相关的倾角或倾角变化值。
在现场是通过液晶模块TM12864A进行倾角和倾角变化显示，也可以用单片机进行数据存储并驱动打印机输出数据。
数据的远程传输通过SN75176接口实现与485、CAN总线通讯，与监测计算机进行数据交换，监测计算机与远程计算机通过公用网络(Internet)或专用网络实现数据传输。
采用本发明的仪器在大坝三维倾角测量的具体实施示例：
1)高精度光电三维倾角测量仪在大坝上的安装和使用方法参见图4；其中41.垂线坐标及倾角测量仪，42.双金属标仪及绕角测量仪器，43.高稳定支架，44.基地引入装置混凝土墩，45.铝管，46.钢管。
大坝基点引入该装置，在倒(正)垂垂线高度差为L的两位置于X、Y两方向各水平安装有一组高精度光电三维倾角测量仪，使垂线从倾角测量仪的光路中心O点(参见图3)垂直引出，当坝体发生X、Y两水平方向的形变时，βx是通过测量出倒(正)垂垂线高度差为L两点的位移差Δy，通过下式(1)计算得到；βy是通过测量出倒(正)垂垂线高度差为L两点的位移差Δx，通过下式(2)计算得到；
βx＝Δy/L (1)
βy＝Δx/L (2)
即可测出坝体沿X-Y两方向的位移Δx、Δy以及沿X、Y轴方向的倾角βx.βy测量。
参见图4，沿钢管和铝管组成的双金属管的x方向装有双金属标指针及高精度双金属标仪，双金属标指针的左右两端分别连接在双金属管的钢管和铝管上，双金属管连在基点上，当坝体发生变形时，可认为双金属钢管不动，同样使双金属标指针的左右两端从双金属标仪的光路中心O点(参见图3)垂直引出，当坝体发生沉降时，即沿z方向发生形变，可以测出坝体沿z方向的位移，双金属管用来补偿由于温度变化引起的坝体变形；在双金属标的钢管上沿y轴方向连一钢杆指针，在钢杆指针前后两端分别安装有高精度倾角测量仪，同样使指针的前后两端从绕角测量仪的光路中心O点(参见图3)垂直引出，当坝体发生绕垂线的变形时，就会在绕角测量仪上发生相对转动，这样可测量出距双金属标管管轴为R处的相对位移Δr，βz是通过测量出距双金属标管管轴为R处的相对位移Δr，通过下式(3)计算得到；
βz＝Δr/R (3)
2)倾角和绕角测量精度可达2″，可满足高精度倾角测量要求。
利用本发明结构简单，设计合理，具有测量精度高等优点，可广泛应用于大坝、桥梁等建筑物的安全监测，还可应用于各种工业生产、军事和检测领域的倾角监测。
Claims (6)
1.一种高精度光电三维倾角的测量方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)首先设置一光路***，该光路***包括两个反光镜，两个反光镜之间有准直物镜和放大物镜，在光路***的一端有一激光器，另一端有CCD组件；光源发射出的光经过第一反光镜反射后，通过准直物镜、放大物镜到第二反光镜，由第二反光镜反射到CCD组件上；
2)将一倒/正垂线或双金属标指针置于光路***中并从主光轴上垂直引出，由于倒/正垂线或双金属标指针会挡住部分光线，在CCD组件上留下一条暗条纹，当坝体发生变形时，垂线相对于倾角测量仪发生移动，通过所述的光学***后反映到CCD组件上就是暗条纹的移动，即可将光源发射出的光角度转化为条纹的位移变化，利用该暗条纹位移进行三维倾角测量，能够同时测量与水平面X-Y、与垂直面Z三个方向的三维倾角；
所述倾角测量仪用于测量实现沿X、Y轴方向的倾角βx·βy测量，其中βx是通过测量出倒/正垂垂线高度差为L两点的位移差Δy，通过下式βx＝Δy/L计算得到；βy是通过测量出倒/正垂垂线高度差为L两点的位移差Δx，通过下式βy＝Δx/L计算得到；
所述双金属标仪和绕角测量仪用于绕垂直方向Z的绕角βZ测量，βZ是通过测量出距双金属标管管轴为R处的相对位移Δr，βZ＝Δr/R计算得到。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CCD组件是CCD摄像机或CMOS摄像机。
3.一种权利要求1所述的方法制备的高精度光电三维倾角测量仪，其特征在于，该仪器包括：
一密封箱体(8)，该密封箱体的内部设有CCD组件(1)，CCD组件(1)安装在箱体底板上；
密封箱体(8)的两端用支架固定安装有两个反光镜(4)，在两个反光镜(4)中间固定装有由准直物镜(3)和放大物镜(2)组成的光学准直放大***；
在一个反光镜(4)的上端设有激光器支架，在激光器支架上固定安装有激光器组(5)；
密封箱体(8)内还设有带压板(14)的第一支架(13)和第二支架(21)，分别用于固定单片机线路板(6)和线路转接板(7)，第一支架(13)和第二支架(21)固定安装在箱体底板上；
CCD组件(1)和单片机线路板(6)通过插座连接实现数据传输，单片机线路板(6)通过485总线和线路转接板(7)相连，线路转接板(7)通过CAN总线和上位机进行通信；
密封箱体(8)的左右两端分别固定安装有密封端盖(10)，密封端盖(10)和密封箱体(8)之间置有密封圈；
密封箱体(8)的一端还固定有两个航空插座(22)，分别用于接插数码管和CAN总线以及电源线；箱体的上部装有上端盖(15)，上端盖(15)和密封箱体(8)之间置有密封圈。
4.如权利要求3所述的测量仪，其特征在于，所述的CCD组件为CCD摄像机或CMOS摄像机。
5.如权利要求3所述的测量仪，其特征在于，所述的线路转接板(7)通过CAN总线和上位机进行通信的方式为有线通讯或无线通讯或远程数据传输和通讯。
6.如权利要求5所述的测量仪，其特征在于，所述的有线通讯或无线通讯或远程数据传输和通讯的设备为无线专用设备或无线公共网或有线专用设备或有线公共网。
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