一种光电式多维位移自动测量装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种光电式多维位移自动测量装置，涉及工程安全监测领域；该测量部件由镜筒、光源、十字分划板、投影镜头和四CCD测量电路板组成，四CCD电路板安装在镜筒前端，中间有圆孔可以通过光线，四个线阵CCD在通光孔四周对称放置，感光面朝前。镜筒内后端的光源照亮玻璃十字分划板，十字线影像被镜头投射出去，通过调节分划板与镜头距离，可以将十字线清晰成像在对侧的CCD感光阵列上。通过采集处理CCD信号，可以计算出十字线影像交叉点的X、Z坐标。X坐标由上、下两CCD器件得到，Z坐标由左右两CCD器件得到。测台内采用单一种类传感器，有效降低了测台电路复杂度，降低了软件复杂度，提高了测量精度和长期稳定性与可靠性。提高了测量精度和长期稳定性与可靠性。提高了测量精度和长期稳定性与可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种光电式多维位移自动测量装置


[0001]本技术涉及工程安全监测领域，具体而言，涉及一种光电式多维位移自动测量装置。

技术介绍

[0002]拱坝是曲线型坝，与重力坝等直线型坝相比，它的三维位移观测要复杂得多。就拱坝变形多维自动观测方法而言，目前可供选择的手段有限，GNSS技术无法满足对观测精度的要求，而且不能观测内部变形；垂线技术能观测的测点数量有限；真空激光观测技术受通视度的限制只能应用于直坝，对拱坝无能为力。
[0003]类似光电多维位移测量装置通常由半导体激光准直光源、50%
‑
50%分光镜、以及光电二维位移探测器（PSD）组成。测量装置左右两侧都由激光准直光源、分光镜和二维PSD器件构成。其基本工作过程是：激光准直光束通过本方的分光镜到达对面的45
°
放置的分光镜后，被反射到二维PSD器件，在其上形成测量光斑，通过采集和处理PSD信号，得到光斑中心的X、Z坐标值，由此可测量两点的横向相对位移。由准直激光器、分光镜和二维PSD器件构成的对称位移测量装置有如下问题：
[0004]（1）激光能量两次经过50%分光率分光镜的衰减，最终到达PSD器件只有输出功率的25%被有效利用；
[0005]（2）PSD器件由单晶硅制造，尺寸不能过大，通常为20mm以下，量程不易扩大；
[0006]（3）由于是远场情形，在PSD处出现环状结构光斑，大于PSD尺寸的环状光斑被PSD切割，造成光斑重心偏移，形成测量误差，且不易补偿；
[0007]（4）更重要的是测量基线是由LD发光窗口到准直镜光心的直线建立，这一距离通常在20mm以下，定向精度不高，容易受到温度、结构零件应力变化干扰。最不利的情形是当激光管（LD）损坏需要更换时，无法保证恢复到原来的准确位置。由于LD使用不当极易损坏，这样的装置对于长期（以月、年为单位）测量，性能是难以保证的；
[0008]（5）由于PSD器件是连续器件，非线性严重且器件的一致性较差，每个器件需要软件的修正，这要建立专用的测试条件，主要是二维高精度电控平移台，开发专用的处理软件。
[0009]因此，本技术的目的在于针对上述存在的问题而提供一种光电式多维位移自动测量装置，该装置能监测大型拱坝三维变形。

技术实现思路

[0010]针对大型拱坝三维变形自动观测需求，开发了收发一体化的光电多维位移测量部件，具有下列特征：非接触长距离5自由度位移测量，其中两个横向位移测量和两个角位移测量具有很高的精度；更换光源不破坏原有的测量基准。无需标定，不存在非线性误差。
[0011]为实现上述技术效果，本技术提供的技术方案为：
[0012]一种光电式多维位移自动测量装置，包括两组测量部件，两组测量部件相对同轴
放置；测量部件包括四CCD测量电路板和镜筒；镜筒一端设置光源作为后端，镜筒前端设置有投影镜头；光源和投影镜头之间设置十字分划板；四CCD电路板安装在镜筒前端，中间有圆孔可以通过光线，四CCD电路板的四个线阵CCD在通光孔四周对称放置，感光面朝前。
[0013]进一步地，两组测量部件均为收发一体测量部件，作用距离1
‑
30米。
[0014]优选地，十字分划板与镜筒内壁滑动配合，可调节与光源以及投影镜头之间的间距；镜筒内后端光源射向玻璃十字分划板，十字线影像被镜头投射在对侧测量部件的CCD感光阵列上。
[0015]优选地，四CCD电路板与数据采集终端电性连接；四CCD电路板采集数据包括十字线影像交叉点的X，Z坐标；X坐标由上，下两CCD器件得到，Z坐标由左右两CCD器件得到。
[0016]优选地，线阵CCD是离散器件，每个像元的尺寸是已知的，以TCD1705D为例，其像元总数7450，像元宽度为0.0047mm，无需非线性修正，也无需标定。
[0017]优选地，光源采用LED，其驱动电路简单，寿命大约是LD的10倍。
[0018]进一步地，LED仅是照明器件，不参与测量方向基准的建立，只负责照亮分划板，并将光能量集中通过物镜。测量的方向基准是由分划板十字中心到物镜光学中心的直线决定，更换LED不改变测量方向基准。
[0019]优选地，可以使用长焦距投影物镜，方向精度更高。
[0020]优选地，LD
‑
PSD方案不能测量绕Y轴（激光束）的转动，本方案中对绕Y轴的转动有一定的测量能力。当发生上述转动时，负责X（Z）坐标测量的一对CCD器件读数产生差动变化，与平移的共模变化不同。
[0021]优选地，两侧各自建立三维直角坐标，假设初始状态，两侧的Y坐标同轴，两个坐标原点距离为L，A侧装置不动，右侧装置发生了相对坐标原点的平移（dx，dy，dz）和旋转（α，β，Υ），在A、B两装置上的CCD读数将发生变化，通常这种场合转动的角度很小，但是由于AB间距离较大，由于光杠杆作用，在目标CCD上转动引起的光斑位移被放大很多倍。根据几何原理和物理原理，可以写出各个CCD上测量读数的表达式，为简单一些，X、Y坐标各取一个读数。规定角度的正方向按右手法则确定，单位是弧度。由Xa=
‑
dx
‑
γL，Ya=dy
‑
αL，Xb=
‑
dx，Yb=
‑
dz四个方程组成的方程组，可以依据CCD测值解出四个值（dx，dz，α，γ）。
[0022]进一步地，两测点结构，可以推广到n个测点，只要给出首测点的初始条件，就可以逐次递推，得到各个测点的位移值，一个有用的场景是大型拱坝的变形测量。更一般化的情形是相邻两测点的y轴不再同轴，而是有方位夹角和俯仰夹角。在夹角是已知的情况下，同样可建立方程组，求出位移值。
[0023]本技术具有如下有益效果：
[0024]本技术提供一种光电式多维位移自动测量装置，测量部件由镜筒、光源、十字分划板、投影镜头和四CCD测量电路板组成，四CCD电路板安装在镜筒前端，中间有圆孔可以通过光线，四个线阵CCD在通光孔四周对称放置，感光面朝前。镜筒内后端的光源照亮玻璃十字分划板，十字线影像被镜头投射出去，通过调节分划板与镜头距离，可以将十字线清晰成像在对侧的CCD感光阵列上。通过采集处理CCD信号，可以计算出十字线影像交叉点的X、Z坐标。X坐标由上、下两CCD器件得到，Z坐标由左右两CCD器件得到。测台内采用单一种类传感器，有效降低了测台电路复杂度，降低了软件复杂度，提高了测量精度和长期稳定性与可靠性。
附图说明
[0025]图1 对称式光电5自由度位移测量结构；
[0026]图2为本技术实施例中位移测量示意图；
[0027]图3为本技术实施例中电路示意图
[0028]附图中：四CCD电路板1，投影镜头2，镜筒3，十字分划板4，光源5，十字光标6，A侧测量部件A，B侧测量部件B，双向投影光束7，Y位测量CCD8，X位测量CCD9。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光电式多维位移自动测量装置，其特征在于：包括两组测量部件，两组测量部件相对同轴放置；测量部件包括四CCD电路板（1）和镜筒（3）；镜筒（3）一端设置光源（5）作为后端，镜筒（3）前端设置有投影镜头（2）；光源（5）和投影镜头（2）之间设置十字分划板（4）；四CCD电路板（1）安装在镜筒（3）前端，中间有圆孔可以通过光线，四CCD电路板（1）的四个线阵CCD在通光孔四周对称放置，感光面朝前。2.根据权利要求1所述的一种光电式多维位移自动测量装置，其特征在于：所述十字分划板（4）与镜筒（3...

【专利技术属性】
技术研发人员：李向前，张锋，欧阳金惠，权录年，林恩德，於三大，董彦同，姚孟迪，杨鹏博，杜泽东，邵博，秦蕾蕾，谭尧升，雷红富，高潮，
申请(专利权)人：中国三峡建工集团有限公司，
类型：新型
国别省市：