一种大范围位移的精确测量方法、装置及其应用与流程

本发明涉及位移的精确测量技术领域，尤其涉及沉降观测技术领域。

背景技术：

随着国家高铁事业的迅猛发展，高铁总里程数与铁路运力不断提高。这些对铁路轨道路基沉降的控制提出了越来越高的要求，对路基沉降的监测也提出了更大的挑战。传统的土木监测技术有监测桩法、沉降板法、水管式沉降仪法、单点沉降计法等。这些方法均需要人工读数，耗费人力效率低下，且无法实现自动检测和远程监控。相比之下光学测量技术速度快，精度高，有利于采集数据进行数字信息化处理，提高工作效率。

在光学测量技术中,面阵CCD是一系列排列成面阵的微小光敏器件组成的探测器阵列，可以检测到微米级的细微位移，是检测系统的位移检测核心。但其制作成本高，尺寸较小，只能实现小范围的位移测量，不利于其实际应用。

例如，在铁路隧道的施工过程中，隧道的挖掘不可避免地会对土体产生不停程度的扰动和破坏。如果地层形变过大，极易诱发塌方等隧道事故。根据岩体完整程度和岩石强度等指标，我国对围岩进行等级划分，分为一到六级，数字越小围岩性质越好。对其进行沉降监控时一般情况下Ⅰ，Ⅱ级较为稳定，沉降程度低，Ⅲ级围岩每400m、Ⅳ级围岩每300m、Ⅴ级围岩每200m布设一个观测断面。该区间内沉降范围往往达到几十厘米，现有的面阵CCD测量方式难以实现如此大范围的精确测量。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种大范围位移的精确测量方法，能够精确测量待测目标的大范围位置偏移量，解决了面阵CCD元件因为尺寸限制造成的测量范围小的问题，极大的提高了测量的范围，且测量的范围可扩展，易于实现测量过程自动化与信息化，提高了工作效率且避免了人的观测误差。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种大范围位移的精确测量方法，包括：

随待测目标移动的激光器，用于从所述待测目标的位置发射定向的光信号；

在大的空间平面范围内捕捉所述光信号的位置导向器；以及

在小的空间平面范围内捕捉所述光信号的面阵CCD元件；

所述位置导向器和面阵CCD元件所捕捉所述光信号的空间平面平行；

首先利用位置导向器在所述大的空间平面范围内确定所述光信号所在的所述小的空间平面范围，再利用所述面阵CCD元件在所述小的空间平面范围内确定所述光信号的精确位置；

根据所述待测目标在移动前后所测定的所述光信号的精确位置，测算得到所述待测目标在所测空间平面上的位移。

所述位置导向器包括光敏器件，布置在所述大的空间平面范围内，用以捕捉所述光信号，所述小的空间平面范围为单一光敏器件在所测空间平面内能够感知所述光信号的范围；

所述面阵CCD元件能够按一定方式完全覆盖所述光敏器件，使得所述面阵CCD元件与所述光敏器件的相对位置在覆盖状态时保持不变；

所述面阵CCD元件移动至按既定方式覆盖所述光敏器件时，由所述面阵CCD元件上的某感光点所感知到所述光信号的位置即为所述光信号的精确位置。

进一步地，待测目标在前后两个不同精确位置之间的位移由所述面阵CCD元件位移和所述感光点变化位移相加计算得到；

所述面阵CCD元件位移是指所述面阵CCD元件由测定前一精确位置处向测定后一精确位置处移动所产生的位移；

所述感光点变化位移是指由前一感知到所述光信号的感光点在所述面阵CCD元件上的位置到后一感知到所述光信号的感光点在所述面阵CCD元件上的位置的位移。

进一步地，所述位置导向器包括多个光敏器件，光敏器件作为光敏单元均匀排布构成光敏单元矩阵，所述光敏单元矩阵在所测空间平面内能够感知所述光信号的范围即为所述大的空间平面范围。

具体地，所述光敏器件为方形的光敏电阻、光敏二极管或光敏三极管，相邻光敏器件紧密排布，并通过监测电路实现对所述光信号的感知。

进一步地，所述光敏单元矩阵侧方设有由伺服电机驱动的传动机构，所述传动机构带动面阵CCD元件平行于所述光敏单元矩阵移动，以覆盖感知所述光信号的光敏器件；

所述面阵CCD元件的平面位移通过所述伺服电机精确测算得到。

进一步地，所测空间平面与所述光信号的发射方向垂直，所述待测目标的空间位移由以下方法测算得到：

测定所述光信号在所述待测目标移动前后由激光器到达所述位置导向器的时间差值，根据光速，由位移-时间公式计算得到所述待测目标垂直于所测空间平面的位移，将其与所述待测目标在所测空间平面上的位移相加即得所述待测目标的空间位移。

作为优选，所述大的空间平面范围包括所述待测目标的移动路径沿所述激光器发光方向在所述大的空间平面上的二维投影。

本发明还提供了一种大范围位移的精确测量装置，解决了面阵CCD元件因为尺寸限制造成的测量范围小的问题，具有测量范围大、精度高的优点，且测量的范围易于扩展，实现了测量过程的自动化与信息化，提高了工作效率，避免了人的观测误差。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种大范围位移的精确测量装置，包括：半导体激光器、位置导向器和位于前两者之间的面阵CCD元件，以及驱动所述面阵CCD元件的动力传动机构和控制器；

所述激光器与待测目标绑定，随待测目标移动，用于从所述待测目标的位置发射定向的光信号；

所述位置导向器包括光敏单元矩阵，其由多个与监测电路相连的方形光敏器件均匀排列构成，所述光敏器件用于感知所述光信号，所述监测电路用于识别所述光敏单元矩阵中感知所述光信号的光敏器件，所述监测电路与所述控制器连接；

所述动力传动机构为二维运动平台，由伺服电机驱动所述面阵CCD元件在运动平面内移动，所述伺服电机通过驱动电路与所述控制器连接；

所述面阵CCD元件及其运动平面均与所述光敏单元矩阵平行，且所述面阵CCD元件的尺寸不小于所述光敏器件的尺寸，以使所述面阵CCD元件能够覆盖所述光敏器件；所述面阵CCD元件与所述控制器连接；

所述控制器首先通过所述监测电路识别所述光敏单元矩阵中感知所述光信号的光敏器件， 再通过所述驱动电路控制二维运动平台带动所述面阵CCD元件移动至覆盖所述光敏器件，所述面阵CCD元件上感知到所述光信号的感光点的位置由所述控制器获得，即为所述光信号的精确位置；

根据所述待测目标在移动前后所测定的所述光信号的精确位置，测算得到所述待测目标在所测空间平面上的位移。

本发明还提供了前述方法及装置在路基沉降监测或隧道形变量监测技术领域中的应用。将前述的位置导向器和面阵CCD元件作为检测器，固定于观测点，观测点在施工过程中基本不会产生偏移，将激光发射器固定于路基或隧道的观测断面并使其激光束指向观测点的检测器，由此获取激光点精确位置，一段时间后当观测断面连同激光器发生沉降或形变时，再次检测出激光点位置。将不同时段位置坐标进行比对，即可获取精确沉降位移或形变量。

将面阵CCD元件与观测断面平行布置时，即检测器所测空间平面与所述光信号的发射方向垂直，不仅能够精确获取路基或隧道的垂直方向偏移，而且由于使用了二维面阵检测方式，还可精确计算出路基或隧道的水平偏移量，实现了对沉降或形变的全方位测量。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明方法通过将面阵CCD与位置导向器相结合的方式，通过两级位移测量，即利用位置导向器确定光信号在大的空间平面范围内的位置变化和光信号在面阵CCD元件上不同感光点位置的变化，叠加得到待测目标的大范围位置偏移量，极大地扩展了测距范围，测量精确，解决了面阵CCD元件因为尺寸限制造成的测量范围小的问题，测量精度能够达到微米级。

本发明方法的测量范围可扩展，且易于实现测量过程自动化与信息化，能够提高工作效率，避免人为观测误差。

本发明装置为采用前述方法实现大范围位移精确测量的一种装置，位置导向器采用光敏单元矩阵的方式，极大地提高了位移的测量范围，且测量范围易于扩展，更方便使用；采用伺服电机驱动面阵CCD元件移动，保证了面阵CCD元件的移动精度；采用控制器与面阵CCD元件、驱动电路和监测电路连接，实现了测量过程的自动化与信息化，提高了工作效率，能够满足实时大范围高精度监测。

本发明方法及装置能够应用于大范围位移偏移量的测量，尤其适用于路基沉降监测或隧道形变量监测技术领域中，能够满足几十厘米及以上大范围沉降位移或形变量的精确测量，测量速度快，精度高，采集数据进行数字信息化处理，工作效率显著提高。

附图说明

图1是本发明大范围位移的精确测量装置实施例的结构示意图；

图2是图1所示装置的工作原理框图。

其中，1、运动X轴向滑轨；2、X轴向传动轴；3、面阵CCD元件；4、X轴向伺服电机；5、Y轴向伺服电机；6、控制器；7、光敏单元矩阵；8、Y轴向滑轨。

具体实施方式

本发明利用面阵CCD元件移位技术，解决面阵CCD元件因其尺寸限制造成的测量范围小的问题，进而解决高速铁路路基沉降与隧道形变量测等方面所需的精确测量大范围位置偏移量的问题。

本发明通过将面阵CCD与位置导向器相结合的方式，通过两级位移测量相结合，极大地扩展了测距范围。具体方法，包括：

随待测目标移动的激光器，用于从所述待测目标的位置发射定向的光信号；

在大的空间平面范围内捕捉所述光信号的位置导向器；以及

在小的空间平面范围内捕捉所述光信号的面阵CCD元件3；

所述位置导向器和面阵CCD元件3所捕捉所述光信号的空间平面平行；

首先利用位置导向器在所述大的空间平面范围内确定所述光信号所在的所述小的空间平面范围，再利用所述面阵CCD元件3在所述小的空间平面范围内确定所述光信号的精确位置；

根据所述待测目标在移动前后所测定的所述光信号的精确位置，测算得到所述待测目标在所测空间平面上的位移。

激光器所发光信号为激光，并直线传播。位置导向器在大的空间平面范围内捕捉该光信号，确定光信号所在区域，位置导向器所能确定该区域的大小即为小的空间平面范围，进而在光信号的光路上对应该区域的位置布置与该感光面平行的面阵CCD元件3，利用定点布置的面阵CCD元件3确定所述光信号的精确位置。

面阵CCD元件3是多个微小光敏器件阵列平面布置构成，各微小光敏器件在面阵CCD元件3上的位置固定，感光点由一个或若干相邻的微小光敏器件构成，构成平行布置的多个连续感光点，感光点位置由面阵CCD元件3识别。所述光信号沿光路到达面阵CCD元件3上，由一个感光点感知，该感光点在面阵CCD元件3上的位置由面阵CCD元件3识别，由于定点布置的面阵CCD元件3的位置已知，因此，能够确定该感光点在所测平面的位置，即为所述光信号在所测平面的精确位置。

具体实施方式一

所述位置导向器和所述面阵CCD元件3配合实现光信号的精确位置测定的一种实施方式：

所述位置导向器包括光敏器件，布置在所述大的空间平面范围内，用以捕捉所述光信号，所述小的空间平面范围为单一光敏器件在所测空间平面内能够感知所述光信号的范围；

所述面阵CCD元件3能够按一定方式完全覆盖所述光敏器件，使得所述面阵CCD元件3与所述光敏器件的相对位置在覆盖状态时保持不变；

所述面阵CCD元件3移动至按既定方式覆盖所述光敏器件时，由所述面阵CCD元件3上的某感光点所感知到所述光信号的位置即为所述光信号的精确位置。

采用该实施方式，待测目标在前后两个不同精确位置之间的位移由所述面阵CCD元件3位移和所述感光点变化位移相加计算得到；

所述面阵CCD元件3位移是指所述面阵CCD元件3由测定前一精确位置处向测定后一精确位置处移动所产生的位移；

所述感光点变化位移是指由前一感知到所述光信号的感光点在所述面阵CCD元件3上的位置到后一感知到所述光信号的感光点在所述面阵CCD元件3上的位置的位移。

具体实施方式二

作为一种优选的实施方式，所述位置导向器包括多个光敏器件，光敏器件作为光敏单元均匀排布构成光敏单元矩阵7，所述光敏单元矩阵7在所测空间平面内能够感知所述光信号的范围即为所述大的空间平面范围。

具体地，所述光敏器件为方形的光敏电阻、光敏二极管或光敏三极管，相邻光敏器件紧密排布，并通过监测电路实现对所述光信号的感知。

具体地，所述光敏单元矩阵7侧方设有由伺服电机驱动的传动机构，所述传动机构带动面阵CCD元件3平行于所述光敏单元矩阵7移动，以覆盖感知所述光信号的光敏器件；

所述面阵CCD元件3的平面位移通过所述伺服电机精确测算得到。

具体实施方式三

作为另一种优选的实施方式，所测空间平面与所述光信号的发射方向垂直，所述待测目标的空间位移由以下方法测算得到：

测定所述光信号在所述待测目标移动前后由激光器到达所述位置导向器的时间差值，根据光速，由位移-时间公式计算得到所述待测目标垂直于所测空间平面的位移，将其与所述待测目标在所测空间平面上的位移相加即得所述待测目标的空间位移。

具体实施方式四

作为另一种优选的实施方式，所述大的空间平面范围包括所述待测目标的移动路径沿所述激光器发光方向在所述大的空间平面上的二维投影。

具体实施方式五

一种大范围位移的精确测量装置，包括：半导体激光器、位置导向器和位于前两者之间的面阵CCD元件3，以及驱动所述面阵CCD元件3的动力传动机构和控制器6。控制器6为可编程逻辑控制器。

所述激光器与待测目标绑定，随待测目标移动，用于从所述待测目标的位置发射定向的光信号。半导体激光器作为发射信号端，为保证测试距离并减少对人眼的伤害，可使用Class2M等级的激光源。

所述位置导向器包括光敏单元矩阵7，其由多个与监测电路相连的方形光敏器件均匀排列构成，见图1，所述光敏器件用于感知所述光信号，所述监测电路用于识别所述光敏单元矩阵7中感知所述光信号的光敏器件，所述监测电路与所述控制器6连接。

例如，对于要求精确位移的检测范围为600mm×600mm，可使用40×40个、15mm×15mm的正方形光敏二极管单元组成光敏单元矩阵7，若要扩展检测范围，则增减光敏二极管单元数量即可。激光具有方向性好，亮度高的特点，当光源照射于位置导向器时，将有光敏二极管在激光的诱导下变为导通状态，监测电路将其检测出来并将信号发送到控制器6。

所述动力传动机构为二维运动平台，用于驱动所述面阵CCD元件3在运动平面内作X轴或Y轴的移动，且X轴和Y轴的移动各由一个伺服电机驱动，见图1，所述伺服电机通过驱动电路与所述控制器6连接。X轴和Y轴分别为光敏单元矩阵7的两个相邻边线。

图1所示二维运动平台包括X轴向滑轨、X轴向传动轴2、X轴向伺服电机4、Y轴向伺服电机5和Y轴向滑轨8，X轴向传动轴2和Y轴向滑轨8均垂直于X轴向滑轨设置，X轴向滑轨为两个，其中一个通过X轴向传动轴2与X轴向伺服电机4连接，并由X轴向伺服电机4驱动沿X轴向传动轴2运动，Y轴向滑轨8设于该运动X轴向滑轨1上，由Y轴向伺服电机5驱动在该运动X轴向滑轨1上运动。所述面阵CCD元件3固定设于Y轴向滑轨8上。伺服电机的移动距离受驱动电路中编码器所给脉冲的控制，以17位编码器为例，需产生131072个脉冲才能使电机旋转一圈，通过脉冲数计算位移距离足以达到所需微米级精度，伺服电机的控制精度可达0.001mm，因此伺服电机在X与Y轴向上的位移将被精确地得到。

所述面阵CCD元件3及其运动平面均与所述光敏单元矩阵7平行，且所述面阵CCD元件3的尺寸不小于所述光敏器件的尺寸，以使所述面阵CCD元件3能够覆盖所述光敏器件，见图1；所述面阵CCD元件3与所述控制器6连接。

面阵CCD的尺寸要求能够完全覆盖光敏二极管单元，针对15mm×15mm单元，可选择APS尺寸（25.100mm×16.700mm）的CCD元件。

本装置的作用原理为：见图2，选取光敏单元矩阵7上的一点为坐标原点，例如光敏单元矩阵7左下角点，激光光源照射于光敏单元矩阵7上一光敏二极管，控制器6通过监测电路收到该光敏二极管的导通信号后，将经由驱动电路控制伺服电机带动面阵CCD元件3覆盖于导通的光敏二极管单元之上，伺服电机在X轴与Y轴向上的位移将被精确地从控制器6得到，从而得到一个精确坐标，此坐标可理解为面阵CCD元件3左下角的坐标原点相对于位置导向器左下角的坐标原点的位移。当面阵CCD元件3接受到点激光照射时，激光点相对于面阵CCD元件3坐标原点的坐标也可测量得到，由于面阵CCD元件3测量精度高，所以可以得到激光点精确坐标。此时，通过伺服电机所得到的位移坐标与面阵CCD元件3所得到的坐标相叠加即可得到激光点相对于光敏单元矩阵7坐标原点的精确坐标。测量完成后面阵CCD元件3复位，也即其左下角的坐标原点与位置导向器的左下角坐标原点重合位置。

当激光点位置发生偏移时，重复上述过程即可得到偏移后的精确坐标，坐标信息可储存于控制器6当中，控制器6通过计算两次坐标差值，即可得到激光点的偏移量也即工程中沉降或形变量的值和方向。

本装置极大地提高了测量范围、精度和效率，具有良好的应用前景。

具体实施方式六

具体实施方式五装置在路基沉降监测或隧道形变量监测技术领域中的应用。

将具体实施方式五的位置导向器和面阵CCD元件3作为检测器，固定于观测点，观测点在施工过程中基本不会产生偏移，将激光发射器固定于路基或隧道的观测断面并使其激光束指向观测点的检测器，由此获取激光点精确位置，一段时间后当观测断面连同激光器发生沉降或形变时，再次检测出激光点位置。将不同时段位置坐标进行比对，即可获取精确沉降位移或形变量。

将面阵CCD元件3与观测断面平行布置时，即检测器所测空间平面与所述光信号的发射方向垂直，不仅能够精确获取路基或隧道的垂直方向偏移，而且由于使用了二维面阵检测方式，还可精确计算出路基或隧道的水平偏移量，实现了对沉降或形变的全方位测量。

例如，在铁路隧道的施工过程中，沉降监控针对Ⅲ级围岩每400m、Ⅳ级围岩每300m、Ⅴ级围岩每200m布设一个观测断面，应用具体实施方式五的装置能够满足该类观测断面的监控。

以上对本发明进行了详细介绍，本发明中应用具体个例对本发明的实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可对本发明进行若干改进，这些改进也落入本发明权利要求的保护范围内。