专利名称：一种大量程真空准直激光测量系统及其位移测量方法
技术领域：
本发明属于测量领域，涉及一种大量程真空准直激光测量系统及其位移测量方法。
背景技术：
由于目前国内所涉及到关于利用真空准直激光测量系统对大坝沉降量测量的系统，在测量范围方面有很大的限制，不能进行大范围的测量，并且测量精度不高，很难对大坝的沉降量进行准确精准的实施测量。
发明内容
本发明为了解决现有真空准直激光测量系统在大坝沉降测量中存在的测量范围小的问题，扩大了大坝沉降量测量的范围，提高了整个测量系统在使用中的灵活性和可靠性，提供了一种基于光学投影测量原理的大量程、灵活的实时测量系统。为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的一种大量程真空准直激光测量系统，包括发射端设备(包括激光器)，接收端设备(包括CXD坐标仪)，其中CXD(光电耦合)激光坐标仪由CXD检测器、信号处理及采集系统以及接口构成、真空泵、测点设备(包括波带板和真空管道及冷却设备以及微机控制) 等。其特征在于以发射端和接收端的中心连线作为测量的基准。在发射端安装激光光源， 通过固定在大坝待测部位的多个波带板在接收端上形成各自衍射光斑像，通过光斑像位置的变化来解析每个测点变形。当位于测点位置的波带板随着坝测点发生水平或者垂直位移时，通过探测仪测出光斑在成像屏上的位置变化，按照三点准直方法就可以确定测点的位移值。计算公式就是X 沉降量=X测量 *LS/Le，其中Xfftp 是指测点位移值，X3tt是指接收端测量值，1^是指发射端到波带板的距离，1^是指发射端到接收端的距离。传统的测量系统就是包括这些，但是由于探测仪的尺寸有限，所以对于沉降量的测量范围有了很大的限制，目前为止可以测得的是O-Im的沉降范围。为了实现大量程测量，系统中真空管道和测点设备均可以进行水平和垂直位置调整，当光斑在成像屏上的位置即将超出成像屏的范围时，为了实现大量程测量，系统中真空管道和测点设备均可以进行水平和垂直位置调整，每次当测点波带板在探测仪的光斑像接近边缘位置时，通过调节测点设备使得波带板成像光斑回到预置点。通过调整前后的自动测量可以得到调整量对测点调整进行补偿。同时对管道支撑点也进行调整，使之符合准直要求。这样就既扩大了测量的范围，又保证了测量精度。该方法测量精度高。在这个系统中真空管道和测点箱同时固定在轴承座上面，测点设备可以调整它们两个的垂直高度和水平高度，以此来标定每次测量的光斑的初始位置。当光斑处于成像屏的边缘位置时，通过测点设备调节激光管道和测点箱的位置使得光斑回到初始标定位置，然后记录水平与垂直的调整位移，将新的初始位置作为起点，再进行下次测量。初始进行标定的时候选定一个基准点，每次光斑成像到探测仪边缘位置时，通过调节测点设备使得成像斑点都回到初始点。通过每次的标定来消除误差，达到精度高的要求。该方法测量精度高。可应用于各种大坝、桥梁的水平位移和垂直沉降测量。系统结构简单、性价比
尚ο上述方案中，发射端设备是包括激光器、微调装置、密封平晶；测点设备包括控制装置、波带板及起落装置、柔性连接装置、测点箱、水平和垂直位置调节装置和管道等；测点箱与真空管道之间用柔性连接器波纹管相连，防止刚性变形带来的危害；真空管道固定在双向滑动支座上还有轴承座以及手轮，其中激光管道固定在双向滑动支座上面，测点箱固定在轴承座上，升降横梁上面固定在两用升降器上面，用于调整测点箱的水平位置。接收端设备主要是包括自动和人工坐标仪(XD，其中自动坐标仪包括光电探测器件如(XD，信号采集及处理系统以及通讯接口电路构成。一种大量程真空准直激光测量系统，它所涉及的测量方法，包括下述步骤，a、标定初始光斑位置，确定准直线的平面坐标原点以发射端和接收端的中心连线作为测量的基准，发射端设置激光光源，固定在大坝待测部位的多个波带板分别在接收端上成像，各个光斑像的重心位置坐标设置为其初始坐标，并记录初始坐标记为(xa，Ya)。b、大坝坝体水平位移和垂直沉降量的测量当位于测点位置的波带板随着坝测点发生水平或者垂直位移时，通过探测仪(CCD 坐标仪)测出光斑在成像屏上的位置变化，按照三点准直方法就可以确定测点的位移值。当光斑在成像屏上的位置处于成像屏的范围内时，此时光斑在成像屏上的坐标为 (Xi, Yi)，光斑在成像屏中的位移值X = Xi-X0' Υ = Υ「Υο。此时按照三点准直方法就可以确定测点的位移值，计算公式就是Xfftptt= X *Ls/Lao其中Xfft■是指测点位移值，X 8 是指光斑的像点在接收端屏上X方向的位移测量值，1^是指发射端到波带板的距离，La 是指发射端到接收端的距离，Y方向的位移值的测量计算是一样的。当光斑在成像屏上的位置会超出成像屏的范围时，将成像屏的边缘位置选取为极限位置，此时的坐标记为(Xp Yr) O光斑移动到边缘位置的坐标时，通过调节测点设备调整激光管道和测点箱的位置使得光斑回到初始标定位置。然后记录水平与垂直的调整位移， 此时光斑的成像屏中的位移值为)(b和Yb，其中\ = Xr-X0, Yb = Yr-Yo。将新的初始位置作为起点，再继续进行测量。重复之前的步骤，直至测点不再移动，此时记录光斑的成像屏上的坐标，并计算位移值。此时X3w是两次位移的和，这个和是有方向性的，方向一致相加，方向相反就想减，Y3W方向的计算也是一样的。然后按照三点准直方法就可以确定测点的位移值。计算公式就是Xiwtt=X3w^sZletj其中Xfftp 是指测点位移值，X3w是指光斑的像点在接收端屏上X方向的位移测量值，1^是指发射端到波带板的距离，Le是指发射端到接收端的距离，Y方向的位移值的测量计算是一样的。上述方案中，所述发射端设备是包括激光器，所述测点设备包括激光管道、双向滑动支座、手轮、轴承座、滑套、导套、升降横梁、导柱支座、定位梁框、测点箱、定位螺栓和两用升降器；其中导柱支座顶端固定有定位梁框，导柱支座上安装有升降横梁，升降横梁一端通过定位螺栓固定在导柱支座一侧，升降横梁另一端通过导套活动设置在导柱支座另一侧； 其中升降横梁上设置有轴承座，轴承座上设置有双向滑动支座，双向滑动支座上设置有测点箱，测点箱内部设置有激光管道，激光管道底端通过固定在双向滑动支座上；双向滑动支座端部设置有手轮。测点设备上面放置波带板以及波带板起落装置的测点箱，真空管道固定在双向滑动支座上还有轴承座以及手轮，摇动手轮用来控制测点箱的水平位置。其中激光管道固定在双向滑动支座上面，测点箱固定在轴承座上，升降横梁上面固定在两用升降器上面，用于调整测点箱的垂直位置。接收端设备主要是包括CCD坐标仪。本发明中由于可以调整测点箱的位置，垂直位移和水平位移均可进行调整，使得测量范围扩大，不受仪器本身的测量限制。并且在测量的过程中由于每次测量都会进行标定，这样对误差进行了补偿，所以提高了测量精度。另外，由于本发明测量装置属于精密仪器，很好的满足实际要求。接收端的信号处理及采集系统以及接口部分使得对被测物量的高精度实时采集监测，更方便快捷的了解被测物位置的变化，使测量更加准确。本发明可应用于各种大坝、桥梁沉降量的测量，结构简单、性价比高，并且采用非接触式测量，测量精确度高，可实时监测。
以下结合附图及具体实施方式
对本发明作进一步的详细描述。
图1是本发明大量程真空准直激光测量系统原理图。图2是本发明主要测点设备的装置图。图1、图2中的附图标记说明1、发射端；2、波带板；3、测点箱；4、接收设备(包括探测仪)；5、光斑；6、激光管道；7、双向滑动支座；8、手轮；9、轴承座；10、滑套；11、导套； 12、升降横梁；13、导柱支座；14、定位梁框；15、测点箱；16、定位螺栓；17、两用升降器。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细描述参见图1和图2所示，是大量程真空准直激光测量系统原理图和测点设备的装置图。本发明以发射端1和接收端4的中心连线作为测量的基准，发射端1发出一束激光，穿过大坝待测部位固定在一起的多个波带板2，在接收端4上形成各自衍射光斑5，当位于测点位置的波带板2随着坝顶测点箱3发生水平或者垂直位移时，通过探测仪(CCD坐标仪)4 测出光斑5在成像屏上的位置变化，按照三点准直方法就可以确定测点的位移值。计算公式就是X沉降量=X测量*L波/L接，其中X沉降量是指测点位移值，X3m量是指接收端测量值，L波是指发射端1到波带板2的距离，Le是指发射端1到接收端4的距离。当位于测点位置的波带板2随着坝顶测点箱3发生水平或者垂直位移时，通过探测仪4 ((XD坐标仪)测出光斑5在成像屏上的位置变化。光斑5在成像屏上的位置处于成像屏的范围内时，此时光斑在成像屏上的坐标为 (Xi, Yi),光斑在探测仪4的成像屏中的位移值X3w= Xi-X0'Y = Yi-Y。。此时按照三点准直方法就可以确定测点的位移值，计算公式就是Xfftptt= X *Ls/Lao其中Xfft■是指测点位移值，X3w是指光斑5的像点在接收端屏4上X方向的位移测量值，Ls是指发射端1到波带板2的距离，Le是指发射端1到接收端4的距离，Y方向的位移值的测量计算是一样的。光斑5在探测仪4的成像屏上的位置会超出成像屏的范围时，将成像屏的边缘位置选取为极限位置，此时的坐标记为(Xp Yr) O光斑5移动到边缘位置的坐标时，通过调节测点设备调整激光管道6和测点箱3的位置使得光斑回到初始标定位置。测点设备上面放置波带板2以及波带板2起落装置的测点箱3，真空管道6固定在双向滑动支座7上还有轴承座9以及手轮8，摇动手轮用来控制测点箱的水平位置。其中激光管道固定在双向滑动支座上面，测点箱3固定在轴承座9上，升降横梁12上面固定在两用升降器17上面，用于调整测点箱3的垂直位置。然后记录水平与垂直的调整位移，此时光斑5在探测仪4的成像屏中的位移值为\和Yb，其中\ = Xr-X0^Yb =乙-I。将新的初始位置作为起点，再继续进行测量。重复之前的步骤，直至测点不再移动，此时记录光斑5在探测仪4的成像屏上的坐标，并计算位移值。此时X3w是两次位移的和，这个和是有方向性的，方向一致相加，方向相反就想减，Y3w方向的计算也是一样的。然后按照三点准直方法就可以确定测点的位移值。 计算公式就是Xfftptt= X *Ls/Lao其中Xfftp 是指测点位移值，X3w是指光斑5的像点在接收端屏4上X方向的位移测量值，Ls是指发射端1到波带板2的距离，Le是指发射端 1到接收端4的距离，Y方向的位移值的测量计算是一样的。其中测点设备是整个发明装置里面的一个亮点，它通过两用升降器17和升降横梁12使得测点箱3可以进行垂直方向的移动；通过轴承座9和手轮8调整测点箱3的水平方向的移动，以保证测量的高度准确性，减少由于测量范围不足引起的误差。整个测点设备固定在定位梁框14里面，安装在导柱支座13上面。测点箱3安装在升降横梁12上面，升降横梁通过滑套10和导套11安装在定位梁框14的侧面。这样通过精密的机械设备在测点沉降量的测量过程中扩大了测量范围，操作简单，精度高，满足实际应用要求。接收端4的信号处理及采集系统以及接口部分使得对被测物量的高精度实时采集监测，更方便快捷的了解被测物位置的变化，使测量更加准确。本发明可应用于各种大坝、桥梁沉降量的测量，结构简单、性价比高，并且采用非接触式测量，测量精确度高，可实时监测。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式
仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
权利要求
1.一种大量程真空准直激光测量系统的位移测量方法，其特征在于(1)标定初始光斑位置，确定准直线的平面坐标初始点以发射端和接收端的中心连线作为测量的基准，发射端设置激光光源，固定在大坝待测部位的多个波带板分别在接收端上成像，各个光斑像的重心位置坐标设置为其初始坐标，两个基准点的变形由其他测量装置测出对各个测点变形进行补偿；(2)大坝坝体水平位移和垂直沉降量的测量当位于测点位置的波带板随着坝测点发生水平或者垂直位移时，通过探测仪测出光斑在成像屏上的位置变化，按照三点准直方法就可以确定测点的位移值；当光斑在成像屏上的位置处于成像屏的范围内时，测出光斑在成像屏中的位移值；此时按照三点准直方法就可以确定测点的位移值，计算公式就是Xfftptt= X *LS/La ；其中 Xfftp 是指测点位移值，X3w是指光斑的像点在接收端屏上X方向的位移测量值，Ls是指发射端到波带板的距离，1^是指发射端到接收端的距离，Y方向的位移值的测量计算是一样的，Yffte=波/La，其中Yfftp 是指测点位移值，Y3w是指光斑的像点在接收端屏上Y方向的位移测量值，1^是指发射端到波带板的距离，Le是指发射端到接收端的距离；当光斑在成像屏上的位置即将超出成像屏的范围时，为了实现大量程测量，系统中真空管道和测点设备均进行水平和垂直位置调整，每次当测点波带板在探测仪的光斑像接近边缘位置时，通过调节测点设备使得波带板成像光斑回到预置点；通过调整前后的自动测量可以得到调整量对测点调整进行补偿；同时对管道支撑点也进行调整，使之符合准直要求。
2.如权利要求1所述的位移测量方法，其特征在于，接收端的信号处理及采集系统以及接口部分使得对被测物量的高精度实时采集监测。
3.一种大量程真空准直激光测量系统，包括发射端、接收端、测点装置和波带板，其特征在于所述发射端和接收端的中心连线作为测量的基准线，在发射端和接收端之间设置有波带板测点装置。
4.如权利要求3所述一种大量程真空准直激光测量系统，其特征在于所述发射端包括激光器、微调装置和密封平晶。
5.如权利要求3所述一种大量程真空准直激光测量系统，其特征在于所述接收端包括成像屏和光电探测器件。
6.如权利要求3所述一种大量程真空准直激光测量系统，其特征在于所述测点装置包括激光管道、双向滑动支座、手轮、轴承座、滑套、导套、升降横梁、导柱支座、定位梁框、测点箱、定位螺栓和两用升降器；所述导柱支座顶端固定有定位梁框，导柱支座上安装有升降横梁，升降横梁一端通过定位螺栓固定在导柱支座一侧，升降横梁另一端通过导套活动设置在导柱支座另一侧；所述升降横梁上设置有轴承座，轴承座上设置有双向滑动支座，双向滑动支座上设置有测点箱，测点箱内部设置有激光管道，激光管道底端通过固定在双向滑动支座上；双向滑动支座端部设置有手轮。
全文摘要
本发明公开了一种大量程真空准直激光测量系统及其位移测量方法，该系统以发射端和接收端的中心连线作为测量的基准。在发射端安装激光光源，通过固定在大坝待测部位的多个波带板分别在接收端上形成各自衍射光斑像，通过光斑像位置的变化来解析每个测点变形。当位于测点位置的波带板随着坝测点发生水平或者垂直位移时，通过探测仪测出光斑在成像屏上的位置变化，按照三点准直方法就可以确定测点的位移值。为了实现大量程测量，每次光斑成像到探测仪接近边缘位置时，通过调节测点设备使得成像光斑都回到初始点附近。这样就既扩大了测量的范围，又保证了测量精度。该方法测量精度高。可应用于各种大坝、桥梁的水平位移和垂直沉降测量。系统结构简单、性价比高。
文档编号G01B11/03GK102175164SQ201110044408
公开日2011年9月7日 申请日期2011年2月24日 优先权日2011年2月24日
发明者乐开端, 闫昕, 黎玮 申请人:西安交通大学, 西安华腾光电有限责任公司