一种光学微位移测量系统的制作方法

本发明属于测量仪器领域，涉及一种光学微位移测量系统。

背景技术：

大型水库的库岸边坡，山区公路、铁路边坡有危岩、滑坡、地裂等地质灾害。这些灾害发生前，相关地面先要发生微位移。桥梁、大坝、摩天大楼等大型建筑在使用中会发生微位移、微变形。这些微小变化直接影响建筑物的安全。微位移测量是危险报警的主要监测手段。

专利zl20031011925.9“一种微位移测量技术”得到很好应用，但当测量距离增大时，接收信号衰减很快，例如距离增大10倍，同等条件下角反射器反射回来的信号就要减弱10000倍。这时角反射器和天线尺寸或发射功率都需很大，这限制其应用。专利zl201310067245.1“远距离微位移测量技术”克服了上述问题，用相干有源反射器代替角反射器，可测量上万公里外物体的微位移。

但上述两种微位移测量技术都基于微波比相测距，要求微位移方向与观测方向基本一致，否则对微位移的感测灵敏度降低。这限制了某些应用，例如：对跨江大桥，要测量汽车在桥面产生的垂直微位移，不能够将微位移测量仪放在江面，而只能放在桥墩上。这时微位移方向与观测方向不一致，近似垂直，不能用微波比相精密测距。又如：测量拦河大坝的微位移，大坝下游是河流，我们只能在大坝两端测量，这时微位移方向与观测方向不一致，近似垂直，不能用微波比相精密测距。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种光学微位移测量系统。

如图1所示，被测物体1通过连接杆与激光管2相连，2便与1有相同的位移，设它们的位移范围为d；2发出的光经透镜系统3形成光点打在光电二极管阵列4的某个光电二极管上，2的位置与光电二极管阵列中光点位置对应，即与受光二极管的序号对应。输出电路5根据序号给出代表位置数据的电压。这种简单的设计实际中要解决两个问题：a、虽然被测物体微位移位置与受光二极管序号一一对应，但激光传播衰减受大气能见度影响很大，在同样被测物体位置与对应受光二极管序号下，天气不同到达4的激光强度不同，输出电路的输出电压不同，不能表示位置。b、打在光电二极管阵列的光斑可能覆盖多个二极管，即多个二极管受光。输出电路仍应输出表示被测物体位移的电压。简单一看，可设置一个门限电压，选择输出电压最大的受光二极管序号代表被测物体位移。但到达光电二极管阵列的激光强度，从而光电二极管输出电压，随大气能见度变化而变化。这一门限电压难选择，须随大气能见度变化而变化。另外在低信噪比的情况下，很难区分输出最大和次大的受光二极管。为此，提出图2所示数据处理电路。

设光电二极管阵列有n个光电二极管(对市场上流行的光电二极管阵列s4111-16q，s4111-35q，s4111-46q，n分别为16，35，46)，光电二极管接受激光照射后输出电压为v1…vi…vn，它们并行输出到数据处理电路。6是n个低噪声前置放大器。7是运算放大器构成的相加器，u1为其输出电压，rf为反馈电阻，g1…gn为n个输入电阻的电导值。8是运算放大器构成的辅助相加器，u2为其输出电压，u＝u1/u2rf为反馈电阻，n个输入电阻的电导值都为g。9是除法器，输出电压为：

其中故

现在说明g1…gi…gn的计算如下：

设光电二极管阵列的n个光电二极管按序号i＝1,2,…,n依次单独受临近饱和强度激光照射，光电二极管顺序输出相同电压vi＝v，i＝1,2,…,n。要求相加器输出随受光光电二极管的序号i增加而等阶梯增加。第i个光电二极管受光时相加器输出为vi。可写出：vn＝vrfgn，vi＝vrfgi＝vn(i/n)＝vrfgn(i/n)，故

gi＝gn(i/n)或ri＝rn(n/i)(2)

现在说明输出电压u与光路衰减无关，光照强度和光路衰减只影响信噪比。设v1…vi…vn是原始环境下光电二极管的输出电压，若天气变化使光路衰减减少，光照强度增加，光电二极管的输出电压增加为k(v1…vi…vn)，则

可见：输出电压u与光照强度和光路衰减无关。

现在说明照射光电二极管阵列的光斑可能覆盖多个二极管时，输出电路输出表示被测物体位移。为了便于理解，若光斑打在相邻二极管接缝处，这时输出u为：且这是光斑照在i和i+1光电二极管输出和的中间值。又若光斑平均照在相邻二极管上，vi＝vi+1，则这正好是光斑平均照在i和i+1光电二极管输出和的平均值。

一般情况下除法器的输出u表示光电二极管阵列受光后，n个光电二极管输出电压分布v1…vi…vn的归一化加权和。归一化因子是u的分母。权系数是权系数选定后，u只与光电二极管阵列上激光强度分布，即v1…vi…vn有关的量，与天气能见度，传播衰减无关。光电二极管阵列上激光强度分布，包括了较大光斑覆盖多个二极管，甚至多个光斑情况。把u的表达式改写如下：

其中g∑＝ug，注意g为常数。

光电二极管阵列受光后，设想一个等效光电二极管，其输出电压是v∑，其序号(可以是非整数)对应的权系数是g∑，它对加法器输出的贡献等于全部受光二极管输出v1…vi…vn贡献的总和。这就是u的物理意义。它表示光电二极管阵列全部受光二极管的重心位置。

附图说明

图1为光学微位移测量原理图。图1中，1是被测物体；2是激光管；1与2有相同的位移，位移范围为d；3是透镜系统，4是光电二极管阵列，5是数据处理和微位移输出电路。

图2为光学微位移测量系统输出电路原理图。图2中，6是光电二极管阵列电路，7是低噪声前置放大器，8是由运算放大器构成的加法器，9是由运算放大器构成的辅助加法器，10是除法器。

图3为用mathcad计算出ri(i＝1,2,…,16)和vi(i＝1,2,…,16)。

实施测量方式

例如：对n＝16,设rf＝50k,r16＝5k,v16＝5伏，则ri＝r16(16/i),用mathcad计算出相加器的权电阻ri(i＝1,2,…,16)和光电二极管按序号依次单独受光时vi(i＝1,2,…,16)。注意相邻二vi相差0.3125。如下：