一种边坡形变及位移参数的实时测量系统的制作方法

本实用新型属于岩土工程监测技术领域，具体涉及一种边坡形变及位移参数的实时测量系统。

背景技术：

随着我国交通基础设施建设的不断推进，越来越多高速公路、铁路投入运行。边坡是影响道路、人员和财产安全的主要因素之一，由于受到地质、天气等外部环境的影响，边坡的维护和管理任务极其艰巨。监测边坡表面的位移变化是评估边坡健康状况的基本方法，建立边坡表面位移实时、长期、精确测量方法和系统，对于交通基础设施的安全评估、健康运行和预防加固具有十分重要的意义。

实际工程中，在对边坡的稳定性等状态进行监测时，边坡的表层形变是表征边坡状态发生改变的最为显著的一点。如果能够对边坡的位移进行准确监测并能够预测出边坡的形变趋势，就能尽早的采取相关的措施，从而大大减少边坡滑动等问题带来的危害。

传统的边坡监测方法如位移计、测斜管、人工观测等，都因为技术和条件等的限制，在一定程度上存在效率低小、成本较高、检测精确度低等缺点。随着计算机图像识别及处理技术的日益提高，非接触式的图像测量方法在监测变形等领域越来越多的得到重视，其采用图像识别与处理的技术达成对目标参数的获取，从而实现对位移进行测量的要求。该方法成本低，便于实施，不需后期维护等，这些特点使其适用于边坡表层形变的观测。

申请号为201420164922.1的中国专利“一种远程位移测量装置”，公开了一种远程位移测量装置，包括在被测量目标上设定的靶标和在远距离固定支点处设置的远程位移传感器；远程位移传感器包括光学镜头、图像传感器、图像采集卡、gps接收器和无线数据发射器；图像传感器的输出端与图像采集卡的输入端相连，图像采集卡的输出端和gps接收器的输出端与无线数据发射器的同步发射端相连；光学镜头瞄准被测量目标上设置的靶标。该测量装置采用图像传感器获取被测量目标上靶标的图像，并通过图像处理获得桥梁的位移参数，具有结构简单可靠、测量量程大等特点，适用于长期、在线、多点的位移测量。

上述技术在应用中存在以下问题：当ccd用于野外边坡测量时，由于白天日光较强，即使ccd前设置了窄带滤光片，仍有很强的背景光入射至ccd内部，导致ccd相机信号本底信号较强；而到晚上应用时，由于信号本底信号又变弱，最终影响到测量系统的动态范围和测量结果的一致性。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种边坡形变及位移参数的实时测量系统，可有效解决上述问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型提供一种边坡形变及位移参数的实时测量系统，包括设置在被测边坡(100)上的若干只测量靶标(200)和设置在远端的探测单元(300)；

所述探测单元(300)包括壳体(301)、底板(302)、透镜(303)、滤光片(304)、图像传感器(305)和探测电路板(306)；所述壳体(301)的后端固定所述底板(302)；所述壳体(301)和所述底板(302)之间形成通路，所述通路的中心为探测光轴；沿所述探测光轴，自前向后依次同轴设置所述透镜(303)、所述滤光片(304)和所述图像传感器(305)；所述底板(302)还固定所述探测电路板(306)；所述图像传感器(305)和所述探测电路板(306)电性连接；

所述测量靶标(200)包括led灯阵(201)、驱动电路板(202)和光敏二极管(203)；所述驱动电路板(202)的表面设置所述led灯阵(201)和所述光敏二极管(203)；其中，所述驱动电路板(202)的输入端与所述光敏二极管(203)连接，所述驱动电路板(202)的输出端与所述led灯阵(201)的驱动电流的调节端连接；

所述探测单元(300)的所述滤光片(304)，与所述led灯阵(201)的发光光谱波段相匹配。

优选的，所述探测单元(300)还包括固定挡块(307)；所述透镜(303)通过所述固定挡块(307)固定。

优选的，所述探测单元(300)还包括元器件(308)；所述元器件(308)与所述探测电路板(306)连接。

优选的，所述led灯阵(201)包括多个led灯；各个所述led灯呈十字形排列。

优选的，所述驱动电路板(202)包括运算放大器(2021)、模数转换器(2022)、单片机(2023)、pwm脉冲发生器(2024)、恒流源芯片(2025)、反馈电阻(2026)和直流电源(2027)；

所述运算放大器(2021)的输入端与所述光敏二极管(203)连接；所述运算放大器(2021)的输出端与所述模数转换器(2022)的输入端连接；所述模数转换器(2022)的输出端连接到所述单片机(2023)的检测端；所述单片机(2023)的驱动端通过所述pwm脉冲发生器(2024)，连接到所述恒流源芯片(2025)的开关使能端；所述恒流源芯片(2025)的电流采样端通过所述反馈电阻(2026)与所述直流电源(2027)连接；所述恒流源芯片(2025)的电流采样端和功率开关的漏端串联所述led灯阵(201)。

本实用新型提供的一种边坡形变及位移参数的实时测量系统具有以下优点：

本实用新型在靶标上安装光敏二极管，实时测量背景光强幅值，并反馈控制靶标上led灯的电流，进而改变靶标led的出光亮度，即：在强光背景下，调高led的电流进而增加靶标的亮度；在弱光背景下调低led的电流进而降低靶标的亮度，从而确保ccd信号的动态范围以及位移测量结果的一致性。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种边坡形变及位移参数的实时测量系统的结构示意图；

图2为本实用新型提供的测量靶标的结构示意图；

图3为本实用新型提供的驱动电路板的结构示意图。

其中：

100：被测边坡；

200：测量靶标；201：led灯阵；202：驱动电路板；2021：运算放大器；2022：模数转换器；2023：单片机；2024：pwm脉冲发生器；2025：恒流源芯片；2026：反馈电阻；2027：直流电源；203：光敏二极管；

300：探测单元；301：壳体；302：底板；303：透镜；304：滤光片；305：图像传感器；306：探测电路板；307：固定挡块；308：元器件。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型针对目前ccd位移测量技术的不足，在光电靶标上安装光敏二极管实时测量背景光强，并反馈控制靶标上led灯的电流，进而根据背景光强度改变靶标的亮度。

具体的，本实用新型采用ccd图像传感器实时获取边坡上靶标的图像随时间的变化，从而可以得到桥梁的位移即形变参数，实现实时、远程、高精度监测。其中，靶标选用红外led灯、ccd图像传感器前设置相匹配的窄带滤光片，通过窄带滤光片对白天的背景光进行滤除，同时在靶标上安装光敏二极管，实时测量背景光强幅值，并反馈控制靶标上led灯的电流，进而改变靶标led的出光亮度，即：在强光背景下，调高led的电流进而增加靶标的亮度；在弱光背景下调低led的电流进而降低靶标的亮度，从而确保ccd信号的动态范围以及位移测量结果的一致性。

本实用新型提供的边坡形变及位移参数的实时测量系统，参考图1，包括设置在被测边坡100上的若干只测量靶标200和设置在远端的探测单元300。

下面对探测单元300和测量靶标200分别详细介绍：

(一)探测单元300

探测单元300包括壳体301、底板302、透镜303、滤光片304、图像传感器305和探测电路板306；壳体301的后端固定底板302；壳体301和底板302之间形成通路，通路的中心为探测光轴；沿探测光轴，自前向后依次同轴设置透镜303、滤光片304和图像传感器305；其中，滤光片的中心波长为850nm，半宽为30nm。探测单元300还包括固定挡块307，实际应用中，透镜303通过固定挡块307固定。

底板302还固定探测电路板306；图像传感器305和探测电路板306电性连接；

探测单元300还包括元器件308；元器件308与探测电路板306连接。

探测单元300的工作原理为：

图像传感器305通过透镜303对被测边坡100上的测量靶标200成像，从而可监测到每帧图像中每只测量靶标200在图像的质心位置，由于测量中图像传感器305的位置固定不动，故获得的靶标图像质心位置的变化即可代表被监测边坡的位移或形变参数随时间的变化量，每只测量靶标200的测量结果代表靶标位置处的参数，若干只靶标结果则可以获取整个被测边坡100的位移或形变参数概貌。

实际应用中，参考图1，透镜303通过固定挡块307固定在壳体301的前端，壳体301与底板302联接，底板302的中心开有通孔，图像传感器305焊接在探测电路板306，探测电路板306与底板302固定，图像传感器305正对通孔设置，底板302和图像传感器305之间则设置有滤光片304。

探测电路板306上设置有元器件308，包括单片机和与单片机电联接的无线传输设备，单片机对图像传感器采集的图像数据进行处理和存储后，通过无线传输设备发送至远端的远程终端电脑，由远程终端电脑根据靶标灯的变换历程，最终得到绝对位移值。使用中，远程终端电脑对拍摄得到的靶标灯图形进行平滑、锐化、腐蚀、膨胀、去噪等处理，进而通过最小二乘法，得到目标光源圆心的位置变化，从而得到靶标的位移，再结合ccd像素和实际距离的换算关系，最终得到边坡的位移和形变参数。

(二)测量靶标200

测量靶标200包括led灯阵201、驱动电路板202和光敏二极管203。测量靶标200通过透镜303成像在图像传感器305上。

参考图2，led灯阵201包括多个led灯；led灯的中心波长为850nm。各个led灯呈十字形排列，便于光斑图像质心位置的计算。

本申请中，为了实现白天和黑夜的全天候测量，led灯选择人眼不可见的850nm波长的大功率led灯，同时滤光片304选用中心波长为850nm，半宽为30nm的窄通带滤光片，用于将白天大部分背景光滤掉。因此，滤光片304与led灯的波长相匹配。

驱动电路板202的表面设置led灯阵201和光敏二极管203；

驱动电路板202的输入端与光敏二极管203连接，驱动电路板202的输出端与led灯阵201的驱动电流的调节端连接；探测单元300的滤光片304，与led灯阵201的发光光谱波段相匹配。驱动电路板202采集光敏二极管203的信号并反馈控制加载在led灯上的驱动电流。

参考图3，驱动电路板202包括运算放大器2021、模数转换器2022、单片机2023、pwm脉冲发生器2024、恒流源芯片2025、反馈电阻2026和直流电源2027；

运算放大器2021的输入端与光敏二极管203连接；运算放大器2021的输出端与模数转换器2022的输入端连接；模数转换器2022的输出端连接到单片机2023的检测端；单片机2023的驱动端通过pwm脉冲发生器2024，连接到恒流源芯片2025的开关使能端；恒流源芯片2025的电流采样端通过反馈电阻2026与直流电源2027连接；恒流源芯片2025的电流采样端和功率开关的漏端串联led灯阵201。

工作原理为：

光敏二极管203将光照强度转换为电流信号，运算放大器2021将光敏二极管微弱电流转换为电压信号，模数转换器2022实现电压信号的采集，并上传给单片机2023；单片机2023根据光照强度，对pwm脉冲发生器2024产生的驱动恒流源芯片的pwm信号进行控制，进而调节恒流源芯片2025的输出电流，实现led灯的亮度调节。

驱动电路板202的具体原理为：如图3，光敏二极管203将光照强度转换为电流信号，运算放大器2021将光敏二极管微弱电流转换为电压信号，模数转换模器2022实现电压信号的采集，并上传给单片机；单片机对pwm脉冲发生器2024进行控制，使pwm脉冲发生器2024产生驱动恒流源芯片的pwm信号，即：单片机根据光照强度大小产生pwm控制信号控制恒流源电流大小，恒流源芯片2025选用led专用驱动芯片pt4115，其csn(电流采样端)端通过反馈电阻连通12v的直流电源2027，dim(开关使能端)端连通pwm脉冲发生器的输出端，csn和sw(功率开关的漏端)端则串联led灯。

白天在强光背景下，调高led的电流进而增加靶标的亮度，在弱光背景下调低led的电流进而降低靶标的亮度，确保ccd信号的动态范围以及位移测量结果的一致性。需要说明的是，控制电路也可以脱离单片机，采用分离器件组成，比如模数转换芯片和pwm脉冲产生芯片，并通过模拟电路设计实现led灯的反馈控制。

因此，由于野外白天日光较强，即使ccd前设置了窄带滤光片，仍有很强的背景光入射至ccd内部，导致ccd相机信号本底信号较强，而到晚上应用时，由于信号本底信号又变弱。本实用新型在每只测量靶标上安装了光敏二极管，实时测量背景光强幅值，并反馈控制靶标上led的电流，进而改变靶标led的出光亮度，即：在强光背景下，调高led的电流进而增加靶标的亮度，在弱光背景下调低led的电流进而降低靶标的亮度，确保ccd信号的动态范围以及位移测量结果的一致性。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。