CN106970390B - 一种测定地下可伸缩中空机构伸缩位移的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种测定地下可伸缩中空机构伸缩位移的装置，包括PC终端、地上模块、地下模块。PC终端连接地上模块，地上模块与地下模块通讯连接，地下模块安装在可伸缩中空机构内。所述PC终端和地上模块共同实现发射信号的控制、调制；接收信号的调理、混频滤波、采集处理、测距显示。所述地下模块与可伸缩中空机构同步伸缩，位移测定时实现信号激光发射、接收和光电转换。本发明一种测定地下可伸缩中空机构伸缩位移的方法及装置，实现在地上控制测知地下可伸缩机构的伸缩位移，实时监测伸缩机构的工作状态，为工程施工安全和质量评价提供有效数据。

Description

一种测定地下可伸缩中空机构伸缩位移的方法及装置

技术领域

本发明涉及土木工程领域，具体是一种测定地下可伸缩中空机构伸缩位移的方法及装置。

背景技术

现有技术中土木工程施工时，会用到可伸缩机构。可伸缩机构置于地下，施工时不可见，可伸缩机构伸缩位移的大小不便测定，加之地下环境复杂，可伸缩机构工作状态亦不便得知。如何寻求解决土木工程领域地下隐蔽工程中可伸缩机构的位移测量方法，为工程施工安全和质量评价提供有效数据，一直困扰着工程技术人员。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种测定地下可伸缩中空机构伸缩位移的方法及装置，实现在地上控制测知地下可伸缩机构的伸缩位移，实时监测伸缩机构的工作状态，为工程施工安全和质量评价提供有效数据。

本发明采取的技术方案为：

一种测定地下可伸缩中空机构伸缩位移的装置，包括PC终端、地上模块、地下模块。PC终端连接地上模块，地上模块与地下模块通讯连接，地下模块安装在可伸缩中空机构内。所述PC终端和地上模块共同实现发射信号的控制、调制；接收信号的调理、混频滤波、采集处理、测距显示。所述地下模块与可伸缩中空机构同步伸缩，位移测定时实现信号激光发射、接收和光电转换。

所述地上模块包括：信号控制单片机、本振直接数字频率合成器、主振直接数字频率合成器、信号调制器、直流偏置模块、信号处理单片机；以及参考信号通路和测量信号通路两路信号处理模块，每一路信号处理模块包括依次连接的模数转换器、信号放大器、选频器、混频器、后置放大器、增益放大器、前置放大器。

信号控制单片机输入端连接PC终端，输出端分别连接本振直接数字频率合成器和主振直接数字频率合成器输入端；本振直接数字频率合成器输出端分别连接参考信号通路和测量信号通路两路信号处理模块中混频器输入端；主振直接数字频率合成器输出端连接信号调制器输入端；直流偏置模块连接信号调制器输出端；信号调制器输出端再与地下模块中红外激光器输入端连接；信号处理单片机输出端连接PC终端，输入端分别连接参考信号通路和测量信号通路两路信号处理模块中的模数转换器输出端；两路信号处理模块中的前置放大器输入端分别连接地下模块中参考信号光探测器和测量信号光探测器输出端。

所述地下模块包括红外激光器、取样准直器、发射物镜、参考信号光探测器、测量信号光探测器、接收物镜、直角棱镜。红外激光器发射带有调制信号信息的光束中，一部分光束作为参考信号光束经过取样准直器直接反射到参考信号光探测器，另一部分光束作为测量信号光束经过取样准直器准直后发射至直角棱镜并反射回到测量信号光探测器。

所述直角棱镜胶结在可伸缩中空机构最内层伸缩节端部。

所述PC终端通过USB数据线与地上模块连接；地上模块与地下模块通过导线连接，实现地上地下通讯连接。

本发明一种测定地下可伸缩中空机构伸缩位移的方法及装置，优点在于：

1：该方法的提出解决了困扰工程界的技术难题，实现地上控制测知地下不可见伸缩机构的伸缩位移。

2：装置的使用可实时监测伸缩机构的工作状态，为工程施工安全和质量评价提供技术支撑。

3：装置加装便捷，不影响原伸缩机构工作性能。

4:地上装置部分可移动，从而可实现对多组伸缩机构的伸缩位移监测，成本低。

5：地下模块封装在伸缩筒内置于地下，可伸缩中空机构内部相对封闭，保证了直角棱镜的清洁；筒内几乎不存在杂散光和背景光，可不采取光谱滤波措施也能保证信噪比精度要求，保证了监测数据的可靠。

6：前期安装调试仪器外，后期测量操控均在地面通过PC端完成，测量工作量小，可选择安全位置监测，安全，方便。

7：采用激光测距，避免接触式位移传感器在可伸缩机构中布线的不便，装置使用可靠性高。

8：装置小型化、重量轻、数字化和自动化，测量速度快，测距精度高。

附图说明

图1为本发明的整体连接示意图。

图2为本发明的地上模块内部连接示意图。

图3为本发明的地下模块内部连接示意图。

图4为本发明的工作流程图。

图5为本发明的可伸缩中空机构展开前的结构示意图。

图6为本发明的可伸缩中空机构展开后的结构示意图。

具体实施方式

一种测定地下可伸缩中空机构伸缩位移的装置，包括PC终端1、地上模块2、地下模块3。PC终端1连接地上模块2，地上模块2与地下模块3通讯连接，地下模块3安装在可伸缩中空机构4内。

所述PC终端1和地上模块2在地上，共同实现发射信号的控制、调制；接收信号的调理、混频滤波、采集处理、测距显示。

所述地下模块3与可伸缩中空机构4同步伸缩，位移测定时实现信号激光发射、接收和光电转换。

所述PC终端1通过USB数据线25与地上模块2连接；地上模块2与地下模块3通过导线26连接，实现地上地下通信连接。

所述地上模块2同PC终端1放置在地面上，包括：信号控制单片机5、本振直接数字频率合成器6、主振直接数字频率合成器7、信号调制器8、直流偏置模块9、信号处理单片机10。以及参考信号通路和测量信号通路两路信号处理模块，每一路信号处理模块包括依次连接的模数转换器、信号放大器、选频器、混频器、后置放大器、增益放大器、前置放大器。

信号控制单片机5输入端连接PC终端1，输出端分别连接本振直接数字频率合成器6和主振直接数字频率合成器7输入端；

本振直接数字频率合成器6输出端分别连接参考信号通路和测量信号通路两路信号处理模块中混频器13和混频器13’输入端；

主振直接数字频率合成器7输出端连接信号调制器8输入端；

直流偏置模块9连接信号调制器8输出端，信号调制器8输出端再与地下模块3中红外激光器20输入端连接；

信号处理单片机10输出端连接PC终端1，输入端分别连接参考信号通路和测量信号通路两路信号处理模块中的模数转换器11和模数转换器11’输出端。

两路信号处理模块中的前置放大器17和前置放大器17’输入端分别连接地下模块3中参考光探测器22和测量光探测器23输出端。

如图2所示，参考信号通路和测量信号通路设计了两路完全一致信号处理模块，以使两路接收信号经过时能够产生一致的相移，减少电路造成的相位变化，从而提高***的精度。参考信号通路的信号处理模块包括依次连接的：模数转换器11、信号放大器12、选频器13、混频器14、后置放大器15、增益放大器16、前置放大器17。

测量信号通路的信号处理模块包括依次连接的：模数转换器11’、信号放大器12’、选频器13’、混频器14’、后置放大器15’、增益放大器16’、前置放大器17’。

所述信号控制单片机5为LPC2114型ARM单片机。

所述本振直接数字频率合成器6和主振直接数字频率合成器7均为AD9851型DDS芯片，成本低、集成度高、频率分辨率高、频率转换时间短，分别产生本振电压信号和主频电压信号。

所述信号调制器8为高速运算跨导放大器OPA860，将高频电压调制信号转换成电流调制信号，以调制红外激光二极管。

所述直流偏置模块9为可调电压的MMBT3906型晶体管，产生直流偏置与电流调制信号叠加驱动激光二极管发光束。

所述前置放大器为ADA4817-1型1GHz Fast FET运算放大器，高速、低失真、低噪声，将经光探测器转换的微弱电流信号转换成电压信号。

所述增益放大器为可变增益LMH6505型放大器，低噪声、宽频带，根据输入信号的大小自动调节增益从而使输出信号稳定在一定范围之内。

所述后置放大器为15AD8001型电流反馈放大器，有效避免自激振荡，使放大倍数满足混频电路的输入信号幅值要求，还可避免两路信号增益差可能带来的更大相移。

所述混频器为高速四象限模拟乘法器AD834，混频效果好，将高频信号转化为易于检测的低频信号同时保持相位差不变，大大提高了鉴相精度。

所述选频器为传输增益大于1的RC带通选频电路，是无源滤波电路，电路简单、信号不衰减，滤掉混频后的复杂成分而只保留低频信号。

所述信号放大器为双运放AD8056，低噪声、低失真、带宽适中，提高信噪比，满足模数转换要求，提高了相位测量的精度。

所述模数转换器为双运放AD8056型模数转换器，将模拟电信号转换为数字信号便于后续处理分析。

所述信号处理单片机10为LPC2114型ARM单片机。

所述地下模块3同可伸缩中空机构4放置在地下，包括红外激光器20、取样准直器19、发射物镜18、参考信号光探测器22、测量信号光探测器23、接收物镜21、直角棱镜24。

红外激光器20发射带有调制信号信息的光束中，一部分光束作为参考信号光束经过取样准直器19直接反射到参考信号光探测器22，另一部分光束作为测量信号光束经过取样准直器19准直后发射至直角棱镜24并反射回到测量信号光探测器23。

所述直角棱镜24胶结在可伸缩中空机构4最内层伸缩节端部，侧面镀光学膜和保护层，能够高效地全反射入射光，用以接收取样准直器19准直后经发射物镜18主光轴方向而射来的激光束，并改变光路，使激光束准确沿接收物镜21主光轴方向反射至测量信号光探测器23。并且在使用时最内层伸缩节端部是置于岩土体中，直角棱镜更容易安装，对机械应力具有更好的稳定性和强度。另外可伸缩机构4中空，允许激光无障碍直射。

红外激光器20为BLLD-PFA2-D3110A-1GR尾纤式红外半导体激光器，体积小、转换速率快、寿命长、能够实现直接调制，广泛应用于中、短程精密激光测距仪和红外测距设备中。

取样准直器19为透射式准直镜，以维持激光谐振腔和光束的准直性，并将信号激光束分散为两束平行光束,一束作为参考信号光束，另一束作为测量信号光束。

发射物镜18和接收物镜21均为双凸会聚透镜，会聚散射的光线，减小信号光束能量损失，分别使信号光束沿透镜主光轴方向射向直角透镜24和测量信号光探测器23。

参考信号光探测器22和测量信号光探测器23均为BLPD-PFA1-80AR型同轴尾纤式PIN光电二极管，体积小、灵敏度高、低回波损耗、高可靠性、寿命长，将光信号转换为电流信号。

如图5、6所示，可伸缩中空机构4由多节等长度套筒，图示为三节，根据实际需测距长度连接而成，相邻两套筒间隙刚好保证其可相对以尽量小的滑动摩擦、而自由来回滑动伸缩但不相对扭转。而且相邻两套筒在完全伸出或缩进时，被套筒两端卡扣卡住，而不至于相邻两套筒脱节。可伸缩机构内部中空封闭，保证直角棱镜反光面清洁；保证筒内几乎不存在杂散光和背景光。另外，单节套筒和整体可伸缩机构具有足够的强度和刚度。

如图4所示，一种测定地下可伸缩中空机构伸缩位移的方法，可实现在地面操作，测知地下可伸缩中空机构4的伸缩位移：PC终端1发送指令，通过信号控制单片机5控制本振直接数字频率合成器6和主振直接数字频率合成器7，本振直接数字频率合成器6产生本振电压信号波，主振直接数字频率合成器7产生主频电压信号波，主频电压信号波经信号调制器8转化为主频电流信号波后与直流偏置模块9叠加，驱动红外激光器20发光；

红外激光器20发射带有调制信号信息的光束中，一部分光束作为参考信号光束经取样准直器19直接反射到参考信号光探测器22，另一部分光束作为测量信号光束经取样准直器19准直后发射至直角棱镜24并反射回到测量信号光探测器23。

两束光经光探测器后转变为电流信号波，后都分别经过各自通路的前置放大器后转变为电压信号波，再经过增益放大器、后置放大器，再分别与本振电压信号波经过混频器混频，选频器滤掉高频波，剩下的低频信号波经过信号放大器、模数转换器，最后两路数字信号进入信号处理单片机10完成解算，最后由PC终端1显示出测距结果。

Claims (3)

1.一种测定地下可伸缩中空机构伸缩位移的装置，包括PC终端（1）、地上模块（2）、地下模块（3），其特征在于：PC终端（1）连接地上模块（2），地上模块（2）与地下模块（3）通讯连接，地下模块（3）安装在可伸缩中空机构（4）内；所述PC终端（1）和地上模块（2）共同实现发射信号的控制、调制；接收信号的调理、混频滤波、采集处理、测距显示；所述地下模块（3）与可伸缩中空机构（4）同步伸缩，位移测定时实现信号激光发射、接收和光电转换；

所述地下模块（3）包括红外激光器（20）、取样准直器（19）、发射物镜（18）、参考信号光探测器（22）、测量信号光探测器（23）、接收物镜（21）、直角棱镜（24）；

所述直角棱镜（24）胶结在可伸缩中空机构（4）最内层伸缩节端部，侧面镀光学膜和保护层，能够高效地全反射入射光，用以接收取样准直器（19）准直后经发射物镜（18）主光轴方向而射来的激光束，并改变光路，使激光束准确沿接收物镜（21）主光轴方向反射至测量信号光探测器（23），并且在使用时最内层伸缩节端部是置于岩土体中；

可伸缩机构（4）中空，允许激光无障碍直射；可伸缩中空机构（4）由多节等长度套筒，根据实际需测距长度连接而成，相邻两套筒间隙刚好保证其可相对以尽量小的滑动摩擦、而自由来回滑动伸缩但不相对扭转，而且相邻两套筒在完全伸出或缩进时，被套筒两端卡扣卡住而不至于相邻两套筒脱节；

红外激光器（20）发射带有调制信号信息的光束中，一部分光束作为参考信号光束经过取样准直器（19）直接反射到参考信号光探测器（22），另一部分光束作为测量信号光束经过取样准直器（19）准直后发射至直角棱镜（24）并反射回到测量信号光探测器（23）。

2.根据权利要求1所述一种测定地下可伸缩中空机构伸缩位移的装置，其特征在于：所述地上模块（2）包括信号控制单片机（5）、本振直接数字频率合成器（6）、主振直接数字频率合成器（7）、信号调制器（8）、直流偏置模块（9）、信号处理单片机（10）；

以及参考信号通路和测量信号通路两路信号处理模块，每一路信号处理模块包括依次连接的模数转换器、信号放大器、选频器、混频器、后置放大器、增益放大器、前置放大器；

信号控制单片机（5）输入端连接PC终端（1），信号控制单片机（5）输出端分别连接本振直接数字频率合成器（6）的输入端、主振直接数字频率合成器（7）输入端；

本振直接数字频率合成器（6）输出端分别连接参考信号通路和测量信号通路两路信号处理模块中混频器的输入端；

主振直接数字频率合成器（7）输出端连接信号调制器（8）输入端；

直流偏置模块（9）连接信号调制器（8）输出端；

信号调制器（8）输出端与地下模块（3）中红外激光器（20）输入端连接；

信号处理单片机（10）输出端连接PC终端（1），信号处理单片机（10）输入端分别连接参考信号通路和测量信号通路两路信号处理模块中的模数转换器输出端；

两路信号处理模块中的前置放大器输入端，分别连接地下模块（3）中参考光探测器（22）和测量光探测器（23）输出端。

3.采用如权利要求1~2任意所述 一种测定地下可伸缩中空机构伸缩位移的装置的可伸缩中空机构伸缩位移测量方法，其特征在于：PC终端（1）发送指令，通过信号控制单片机（5）控制本振直接数字频率合成器（6）和主振直接数字频率合成器（7），本振直接数字频率合成器（6）产生本振电压信号波，主振直接数字频率合成器（7）产生主频电压信号波，主频电压信号波经信号调制器（8）转化为主频电流信号波后与直流偏置模块（9）叠加，驱动红外激光器（20）发光；

红外激光器（20）发射带有调制信号信息的光束中，一部分光束作为参考信号光束经取样准直器（19）直接反射到参考信号光探测器（22），另一部分光束作为测量信号光束经取样准直器（19）准直后发射至直角棱镜（24）并反射回到测量信号光探测器（23）；

两束光经光探测器后转变为电流信号波，后都分别经过各自通路的前置放大器转变为电压信号波，再经过增益放大器、后置放大器，再分别与本振电压信号波经过混频器混频，选频器滤掉高频波，剩下的低频信号波经过信号放大器、模数转换器，最后两路数字信号进入信号处理单片机（10）完成解算，最后由PC终端（1）显示出测距结果。

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