一種帶傾斜校正的非接觸激光地表位移監(jiān)測裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種帶傾斜校正的非接觸激光地表位移監(jiān)測裝置，其特征在于，所述監(jiān)測裝置包括激光收發(fā)端、激光反射端、相應(yīng)通訊模塊及上位機軟件，其中所述激光收發(fā)端包括射頻模塊、雙軸傾角傳感器、溫度傳感器、激光測距儀、激光束光器、測繪基座；所述激光反射端包括二維PSD位移傳感器及其輔助部件、安裝支架、量程調(diào)節(jié)旋鈕及驅(qū)動控制電路及無線通訊模塊；所述通訊模塊負責(zé)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程通訊；所述上位機軟件負責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與分析。本發(fā)明的優(yōu)點在于，可同時實現(xiàn)對變形體平面位移、豎直位移的自動化監(jiān)測，該設(shè)備多余觀測量充分，可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)自改正與自檢校功能，監(jiān)測成果可靠性高。
【專利說明】一種帶傾斜校正的非接觸激光地表位移監(jiān)測裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于涉及安全預(yù)警領(lǐng)域，特別涉及一種帶傾斜校正的非接觸激光地表位移 監(jiān)測裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 位移量監(jiān)測具有監(jiān)測方便、成果直觀、預(yù)警理論完備等特點，在工程建設(shè)或災(zāi)害防 治領(lǐng)域具有重要意義。當(dāng)前，針對位移量的常見自動化監(jiān)測設(shè)備有GNSS、測量機器人等，上 述監(jiān)測設(shè)備采購價格偏高不利于廣泛推廣，由此提出了激光測距式地表位移監(jiān)測設(shè)備。
[0003] 然而，用來感知激光點位置的傳感器，由于受加工工藝影響，其量程最大只能達到 20 X 20mm2,如此小的量程無法滿足常規(guī)工程形變監(jiān)測的需要。
[0004] 當(dāng)激光源發(fā)生傾斜（傾角為i)時，激光束在位置傳感器上的光斑將發(fā)生較大偏 移，從而造成較大測量誤差（甚至粗差），同時，激光源與位置傳感器的距離（S)越大，光斑 偏移越明顯。由測小角理論可知：當(dāng)s = 50m，i = 0. Γ，光斑位置偏移量為87. 27mm、i = 0. 0Γ，光斑位置偏移為8. 73mm)，可見不采取校正措施激光測距式地表位移監(jiān)測裝置將無 法使用。
[0005] 此外，要達到野外長期監(jiān)測低功耗的需求，須具備激光源功耗控制功能；為減小環(huán) 境光（日光）強度加劇激光束散射，從而造成位置傳感器對位移量分辨率降低的效應(yīng)，有必 要設(shè)計束光功能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種帶傾斜校正的非接觸激光地表位移監(jiān)測裝置。
[0007] 本發(fā)明提供了一種帶傾斜校正的非接觸激光地表位移監(jiān)測裝置，其特征在于，所 述監(jiān)測裝置包括激光收發(fā)端、激光反射端、相應(yīng)通訊模塊及上位機軟件，其中所述激光收發(fā) 端包括射頻模塊、雙軸傾角傳感器、溫度傳感器、激光測距儀、激光束光器、測繪基座；所述 激光反射端包括二維PSD位移傳感器及其輔助部件、安裝支架、量程調(diào)節(jié)旋鈕及驅(qū)動控制 電路及無線通訊模塊；所述通訊模塊負責(zé)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程通訊和設(shè)備兩端數(shù)據(jù)交換；所 述上位機軟件負責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與分析。
[0008] 進一步地，所述激光測距儀附加集成了無線通訊模塊、雙軸傾角傳感器、溫度傳感 器及激光束光器。
[0009] 進一步地，所述測繪基座包含整平用腳螺旋及水準管，以使設(shè)備安裝精密整平。
[0010] 進一步地，所述激光收發(fā)端可實現(xiàn)空間距離測量，并依據(jù)傾斜角度和現(xiàn)場溫度，按 測量學(xué)相關(guān)原理對空間距離進行傾斜改正及大氣折光改正，最終量化位移觀測所包含的系 統(tǒng)誤差。
[0011] 進一步地，所述二維PSD位移傳感器集成了濾鏡、廣角鏡頭、成像透板、二維C⑶及 鏡頭畸變矯正透鏡組。
[0012] 進一步地，所述支架集成了濾鏡調(diào)節(jié)螺旋及量程調(diào)節(jié)螺旋，通過對二者的調(diào)節(jié)，分 別實現(xiàn)最佳濾光效果和擴大監(jiān)測量程的目的。
[0013] 進一步地，所述上位機軟件負責(zé)采集的數(shù)據(jù)包括激光收發(fā)端到位移傳感器的空間 距離、激光收發(fā)端平面傾斜角度、堅直傾斜角度、現(xiàn)場溫度T、以及光斑在位移傳感器中的位 置。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點在于，可同時實現(xiàn)對變形體平面位移、堅直位移的自動化監(jiān)測，該設(shè) 備多余觀測量充分，可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)自改正與自檢校功能，監(jiān)測成果可靠性高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為帶傾斜校正的非接觸激光地表位移監(jiān)測裝置示意圖。
[0016] 圖2為設(shè)備現(xiàn)場安裝流程。

【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的帶傾斜校正的非接觸激光地表位移監(jiān)測裝置的具 體實施方式做詳細說明。
[0018] 如圖1所示，帶傾斜校正的非接觸激光地表位移監(jiān)測裝置包括激光收發(fā)端、激光 反射端、相應(yīng)通訊模塊及上位機軟件，其中激光收發(fā)端負責(zé)激光發(fā)射及返回信號接收，從而 獲取基準點與監(jiān)測點間的空間距離；激光反射端則負責(zé)激光發(fā)射以光斑位置識別；通訊模 塊負責(zé)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程通訊功能；所述上位機軟件負責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與分析。
[0019] 監(jiān)測裝置的安裝分為激光收發(fā)端及激光反射端兩大部分，安裝時兩部分安裝高度 應(yīng)協(xié)調(diào)，確保位移傳感器發(fā)揮最大監(jiān)測量程，二者安裝流程如圖2所示。
[0020] 具體地，激光收發(fā)端由下到上依次包括了測繪基座6、激光測距儀4、射頻模塊1、 雙軸傾角傳感器2以及溫度傳感器3等部件。本裝置激光測距儀4后部集成了無線通訊模 塊，上部集成了雙軸傾角傳感器2以及溫度傳感器3,前部集成了激光束光器5,其中無線通 訊模塊包含了電源接口、傾角及溫度傳感器接口及射頻模塊1，負責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集并通過射 頻模塊1與反射端進行數(shù)據(jù)交互；束光器5可減小激光散射，縮小光斑面積，進而提高位移 傳感器的分辨率；整個激光收發(fā)端可實現(xiàn)空間距離（S)測量，并依據(jù)傾斜角度和現(xiàn)場溫度， 按測量學(xué)相關(guān)原理對S進行傾斜改正及大氣折光改正，最終量化位移觀測所包含的系統(tǒng)誤 差。本裝置中測繪基座6包含整平用腳螺旋及水準管7,主要為其上部激光測距裝置提供近 似水平的安裝條件，水準管7的存在可大大提高安裝精度，進而保障傾角傳感器2在其量程 內(nèi)長期有效地發(fā)揮其功能。
[0021] 激光反射端包括二維PSD位移傳感器及其輔助部件、安裝支架21、量程調(diào)節(jié)旋鈕 16及驅(qū)動控制電路19及無線通訊模塊17。本裝置二維PSD位移傳感器集成了濾鏡10、廣 角鏡頭12、成像透板11、二維(XD14及鏡頭畸變矯正透鏡組15。其中透板11前加裝的濾 鏡10可對環(huán)境雜光起到良好的過濾作用，減小外界環(huán)境光對測量的影響，進一步提高位移 傳感器觀測精度。利用廣角鏡頭12成像原理可達到擴大量程的目的，同時為減小廣角鏡頭 畸變差，集成了防畸變透鏡組。當(dāng)CCD14不斷對透板11進行圖像掃描，從而獲得激光光斑 位置（X，Y)。本裝置激光反射端安裝支架21借助水準管7實現(xiàn)精密安裝；同時支架21集 成了濾鏡調(diào)節(jié)螺旋13及量程調(diào)節(jié)螺旋16,通過對二者的調(diào)節(jié)，可分別實現(xiàn)最佳濾光效果及 擴大監(jiān)測量程的目的。通過量程調(diào)節(jié)螺旋16對透板11與廣角鏡頭12的距離進行調(diào)節(jié)，實 現(xiàn)了量程的大小調(diào)用功能，同時，在量程調(diào)節(jié)桿上標定本裝置量程，以便現(xiàn)場對測量裝置進 行量程調(diào)節(jié)；該螺旋設(shè)計位于廣角透鏡12后方，可提高該螺旋的靈敏度同時減小螺旋調(diào)節(jié) 回程差。本裝置處理電路板包含CCD驅(qū)動電路18、控制電路19、及無線通訊模塊17,該模 塊17主要負責(zé)解析CCD14的圖像數(shù)據(jù)，獲取光斑位置；無線通訊模塊17中帶有無線射頻功 能，需要測量時向激光測距儀4處的射頻模塊1發(fā)送電源開關(guān)閉合指令，激光測距儀4打開 激光開始測距并將距離值保存于自身寄存器內(nèi)；監(jiān)測點處理電路板完成自身光斑位置解析 后發(fā)送射頻指令，讀取激光傳感器3距離值、雙軸傾角傳感器2傾角值及環(huán)境溫度值，通過 無線通訊模塊17遠程傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)至指定終端，發(fā)送測量完成指令，激光傳感器3自行斷 開電源開關(guān)，進入待機模式。
[0022] 上位機軟件在裝置安裝調(diào)試完成并正常運行后可采集如下數(shù)據(jù)：激光收發(fā)端到位 移傳感器的空間距離S ;激光收發(fā)端平面傾斜角度i及堅直傾斜角度j ;現(xiàn)場溫度T ;光斑在 位移傳感器中的位置（X，Y)。若不考慮激光采發(fā)設(shè)備的傾斜以及大氣折光的影響，（X，Y)即 為當(dāng)前光斑位置，但是實際監(jiān)測條件中存在基準點并非嚴格穩(wěn)定（即激光收發(fā)端可能發(fā)生 微小二維傾斜），監(jiān)測期間溫差較大等誤差來源因素。所以設(shè)計編制數(shù)據(jù)解算上位機軟件， 通過上述觀測量可對空間距離S進行三差改正（二維傾斜及溫度改正），最終將每期觀測數(shù) 據(jù)歸化至水平面及堅直面上，對光斑在位移傳感器上位置進行改正。以當(dāng)前觀測值與首期 觀測值以及上一期觀測值分別求差值，可得到更為精確可靠的位移監(jiān)測累計變形量和變形 速率。上位及軟件具備數(shù)據(jù)查詢、下載、變形過程線繪制以及短信預(yù)警等基本功能。
[0023] 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，在上述說明書的描述中提到的數(shù)值及數(shù) 值范圍并不用于限制本發(fā)明，只是為本發(fā)明提供優(yōu)選的實施方式，并不用于限制本發(fā)明，對 于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)， 所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種帶傾斜校正的非接觸激光地表位移監(jiān)測裝置，其特征在于，所述監(jiān)測裝置包括 激光收發(fā)端、激光反射端、相應(yīng)通訊模塊及上位機軟件，其中所述激光收發(fā)端包括射頻模 塊、雙軸傾角傳感器、溫度傳感器、激光測距儀、激光束光器、測繪基座；所述激光反射端包 括二維PSD位移傳感器及其輔助部件、安裝支架、量程調(diào)節(jié)旋鈕及驅(qū)動控制電路及無線通 訊模塊；所述通訊模塊負責(zé)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程通訊和設(shè)備兩端數(shù)據(jù)交換；所述上位機軟件 負責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與分析。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述激光測距儀附加集成了無線通訊模 塊、雙軸傾角傳感器、溫度傳感器及激光束光器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述測繪基座包含整平用腳螺旋及水準 管，以使設(shè)備安裝精密整平。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，所述激光收發(fā)端可實現(xiàn)空間距離測 量，并依據(jù)傾斜角度和現(xiàn)場溫度，按測量學(xué)相關(guān)原理對空間距離進行傾斜改正及大氣折光 改正，最終量化位移觀測所包含的系統(tǒng)誤差。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述二維PSD位移傳感器集成了濾鏡、廣 角鏡頭、成像透板、二維CCD及鏡頭畸變矯正透鏡組。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的裝置，其特征在于，所述支架集成了濾鏡調(diào)節(jié)螺旋及量程 調(diào)節(jié)螺旋，通過對二者的調(diào)節(jié)，分別實現(xiàn)最佳濾光效果及擴大監(jiān)測量程的目的。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述上位機軟件負責(zé)采集的數(shù)據(jù)包括激 光收發(fā)端到位移傳感器的空間距離、激光收發(fā)端平面傾斜角度、堅直傾斜角度、現(xiàn)場溫度T、 以及光斑在位移傳感器中的位置。
【文檔編號】G01B11/16GK104142124SQ201410272570
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月18日
【發(fā)明者】魏世玉, 楊建國, 陳柏林, 楊富軍, 趙火焱, 吳孟, 何飛, 陳立川, 姚光華, 鄧濤, 向強, 賀建波 申請人:重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院