一种激光光电沉降仪的制作方法

1.本发明涉及一种用于测量建构筑物表面变形的一种变形测量装置，尤其涉及一种激光技术测量表面变形的变形测量装置。


背景技术：

2.高铁轨道、大坝、桥梁等大型结构物的表面基础、上部结构以及周边环境的变形反映了大型结构物的健康状况，对这些基础设施的结构进行观测成为行业的非常重要的日常工作。这些变形数据对基础设施的运营维护、设计、管理以及科学研究提供重要的技术数据。
3.变形包括位移、沉降等。建筑物的变形测量本质上是测量多个点相对于基准点、线的位移，从而计算出多个点之间的相对位移，也就是相互之间的差异变形。测量方法主要有水准测量、交汇测量、激光准直、成像视觉测量等几种测量方式。水准测量有基于光学准直的测量，如光电水准仪，配合无源靶标进行测量，这类仪器通常用于人工测量用，该类型仪器如徕卡公司的，但该类仪器无法在线监测。交汇测量原理的仪器，如徕卡的tg30系列，采用交汇法等测量的方式实现对这些构筑物变形的测量，存在成本过高的因素，还会遇到体积大，大小镜，对于线性对象测量，一条线上易于遮挡等因素。如基于实现沉降观测采用的方式如连通管原理的静力水准仪，其基本原理是各个传感器内液罐灌装液体，各个液罐通过连通管连接，这样液罐内的水平面的构建成一个基准面，采用位移传感器测量各个点相对基准面的变化。该原理的传感器在工程中有着广泛的应用，但该类型传感器体积大，需要灌装液体，施工麻烦，应用受限，中国专利2019109672825就是这类仪器。还有一种采用液体压力测量原理的水准仪，是将各个传感器的液罐密封通过液体连接管连接在一起，利用各个位置不同高度的液体产生的压力和液体高度、密度的关系来测量各个点间的相对位移，从而测量沉降的变化。但因环境温度的影响导致其数据偏差较大，测量精度在几个mm量级。cn 108731636提出一种利用激光准直特性的是实现点对点测量原理的传感器，但该类传感器，一套装置只能够测量一个点，对于一个线性工程测量需要多个激光器成本较高，另外，激光发射端和接收传感器是点对点，当任何一个点倾斜的时候，对测量结果影响大，传感器无法区分是水平、竖直产生的位移还是倾斜产生的位移造成误报。美国专利9560246提到用视觉测量的方式来进行位移测量，但需要采用复杂的长焦镜头，成本高，尤其是应用到轨道沉降观测中，容易受到遮挡的影响，成本很高。
4.总之，现有技术在应用中存在成本高、精度低、不符合复杂的安装条件等问题，不能够很好的适用于轨道交通等领域的变形测量。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提出一种用于测量建构筑物表面变形的一种变形测量装置，尤其涉及一种激光技术测量表面变形的变形测量装置。能够很好提高测量精度，降低成本。
6.本发明是通过以下技术方案来实现的：
7.本发明提出一种新的变形测量装置，基本原理是利用准直激光的直线光束作为测量基准，可以测量多个位置的变形，每个位置都可以测量垂直于光束的平面上的相互垂直两个方向上的位移，以及设备相对于光束的倾斜。
8.本装置由一个用于发射经过准直激光的激光发射单元和多个用于激光测量的激光测量单元以及软件平台组成，激光发射单元所发射的激光穿过多个激光测量单元，其位置被激光测量单元采集并测量。装置的激光发射单元和各测量单元依次沿一条直线安装在待测结构物体的变形待测部位上。本发明的软件平台可以采用云平台，或者本地化平台，云平台部署到云端，本地化平台部署到边缘端，作为一个优选方案采用云平台，方便对大量的测量装置进行管理以及算法进行升降。
9.各个测量点的装置测量准直光束在本装置的坐标下x、y，其中x、y是垂直于光束方向的平面上的坐标，因光束是经过准直的，也就是各个测量点具有同一个基准线，也就是准直后的激光束。根据这些坐标就可以得到各个测量点之间的相对关系，通过对不同的时间测量的数据进行比对分析，各个测量部位相对位移的变化情况，从而得到各个点的沉降变形。激光光束也可以采用结构光的形式，也就是发出的激光光斑具有一定的形状，测量单元测量出光束的位置以及形状，如因形状测量组件倾斜，装置根据形状变化得出测量组件相对于光轴的倾斜。
10.本发明的测量单元是对激光光束的形状和位置进行测量，但激光容易受到大气扰动的影响，本发明还可以增加光束稳定性单元，测量激光光斑波动和大气扰动的关系，从而实现对测量数据的补偿提高装置的测量精度。
11.变形测量具体方法如下：
12.如一套装置，有一个激光发射单元l1，4个测量单元安装在不同位置分别是p1、p2、p3、p4，l1发射的激光光束依次穿过p1、p2、p3、p4。工作时每个组件均可给出光束在组件内部相对坐标值。在时间t1激光光束在p1测量单元内的坐标位置是x
11
、y
11
，p2的在的坐标为x
12
、y12，p3的坐标为x
13
、y
13
，p4的坐标为x
14
、y
14
。
13.在时间t2激光光束在四个测量点的坐标位置分别是p1的光束坐标为x
21
、y
22
，p2的光束坐标为x
22
、y
22
，p3的光束坐标为x
23
、y
23
，p4的光束坐标为x
24
、y
24
。
14.以p1点为基准点，在t1时间点，其他各个点相对于基准的位移为，
15.p2：dx
12
＝x
12-x
11
，dy
12
＝y
12-y
11
，dx
12
、dy
12
为p2点x轴、y轴相对于p1点x、y轴的位移。p3：dx
13
＝x
13-x
11
，dy
13
＝y
13-y
11
，dx
13
、dy
13
为p3点x轴、y轴相对于p1点x、y轴的位移。
16.p4：dx
14
＝x
14-x
11
，dy
14
＝y
14-y
11
，dx
14
、dy
14
为p4点x轴、y轴相对于p1点x、y轴的位移。
17.在时间t2点，其他各个点相对于基准的p1位移为，
18.p2：dx
22
＝x
22-x
21
，dy
22
＝y
22-y
21
，dx
22
、dy
22
为p2点x轴、y轴相对于p1点x、y轴的位移。p3：dx
23
＝x
23-x
21
，dy
23
＝y
23-y
21
，dx
23
、dy
23
为p3点x轴、y轴相对于p1点x、y轴的位移。
19.p4：dx
24
＝x
24-x
21
，dy
24
＝y
24-y
21
，dx
24
、dy
24
为p4点x轴、y轴相对于p1点x、y轴的位移。
20.因此t2时间点p2、p3、p4的x轴方向的变形量为sx
22
、sx
23
、sx
24
21.sx
22
＝dx
22-dx
12
22.sx
23
＝dx
23-dx
13
23.sx
24
＝dx
24-dx
13
24.p2、p3、p4的y轴方向的变形量为sy
22
、sy
23
、sy
24
25.sy
22
＝dy
22-dy
12
26.sy
23
＝dy
23-dy
13
27.sy
24
＝dy
24-dy
14
28.基准点位置变化为：
29.sx
21
＝dx
21-dx
11
30.sy
21
＝dy
21-dy
11
31.因测量数据只和当前测量数据和基准位置变化差相关，本发明装置准直激光束的平移等变化测量数据对测量数据无影响。
32.在倾角测量测方面，装置能够对光斑的形状以及光束的直线方程测量，能够实现三向倾角测量。通过形状的测量能够实现垂直于激光光束平面的倾角，直线方程陈列实现另外一个轴的测量，如激光打出的是激光光斑x轴方向长度为m0，y轴方向长度n0。如测量设备垂直于光束传播方向，测得长度x轴方向m0和y轴方向长度为n0，当产生倾斜时候测得的长度大小变大，测得长度x轴方向倾斜角度α和m、m0的关系如下：
[0033][0034][0035]
y轴方向的倾斜角度β和n0、n的关系如下：
[0036][0037][0038]
本发明的装置和方法具有安装测量方便，测量参数多能够测量双向位移以及倾斜多个技术参数，并不受光源轻微移动以及倾斜的影响。
[0039]
本发明的效果是：
[0040]
1)解决上述现有技术中存在的问题和不足，构成了一种用于测量建构筑物表面变形测量的一种变形测量装置，尤其提供一种激光技术测量表面变形的变形测量装置。
[0041]
2)本装置成本低、精度高、适应复杂的安装环境条件，能够很好的适用于轨道交通等领域的变形测量。
[0042]
3)因测量数据只和当前测量数据和基准位置变化差相关，本发明装置准直激光束的平移等变化测量数据对测量数据无影响。
[0043]
4)本发明解决了激光容易受到大气扰动影响的问题，本发明可以增加光束稳定性单元，测量激光光斑波动和大气扰动的关系，从而实现对测量数据的补偿提高装置的测量精度。
[0044]
本发明在测量建构筑物表面变形方面具有极其重要的意义和重大的实际应用价值。
附图说明
[0045]
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
[0046]
附图1本发明的一个实施例
[0047]
附图2本实施例的激光发射单元示意图
[0048]
附图3本实施例的测量单元示意图
[0049]
图中激光发射单元11，第一激光测量单元12，第二激光测量单元13，第三激光测量单元14，结构物15，软件平台16，激光17，通讯单元21，主控制器22，激光控制器23，激光器及光学组件24，激光束25，通讯单元31，主控制器32，光电传感器33，激光束34。
[0050]
本发明的保护范围不局限于下面的具体实施方式。
具体实施方式
[0051]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0052]
如图1和图2、图3所示，是本发明的一个实施例。
[0053]
如图1所示，本装置由激光发射单元11、第一激光测量单元12、第二激光测量单元13、第三激光测量单元14以及软件平台16构成，激光发射单元11、激光测量单元(12、13、14)依次沿一条直线安装到待测量的结构物15上。一个激光发射单元和若干激光测量单元构成本装置，多套本装置安装到结构物上，构成一个监测系统。激光发射单元11发射激光17，激光穿过每个测量单元(12、13、14)，每个激光测量单元测量光束的位置以及形状。装置中激光发射单元和各激光测量单元同步工作，将采集到数据通过通讯网络，发送到平台16进行分析计算。本发明的软件平台可以采用云平台，或者本地化平台，云平台部署到云端，本地化平台部署到边缘端，作为一个优选方案采用云平台，方便对大量的测量装置进行管理以及算法进行升降。平台的功能是实现对多个激光发射单元和接收单元进行控制，以实现同步测量。平台还接收来自各个激光测量单元的数据，并对单元采集到数据进行计算，如激光测量单元经过计算测量获取光斑的位置以及尺寸。平台对多个激光测量单元的测量结果进行结合分析，给出相互之间的相对变形，在结构监测应用中得出沉降变形，通过进一步的分析计算能够的到角度倾斜。本发明激光发射单元和激光测量单元需要完全同步，系统对激光发射单元和激光测量单元进行统一授时，同步，控制。也即是激光发射的时候，各个激光测量单元同步进行采集。对于间歇采集，先打开激光，然后打开激光测量单元进行采集，这样各个激光测量单元同时对光束进行采样，降低因气象条件变化对测量的影响。
[0054]
如图2所示，本实施例所述的激光发射单元的作用是在统一的控制下产生测量所需要的激光光束，所发射的激光束25会穿过多台测量单元。激光发射单元由激光器及光学组件24、激光控制器23、主控制器22以及通讯单元21构成，光学组件和激光器的光学输出部分耦合在一起，激光器24的电气部分和激光控制器23连接，激光控制器23和主控制器22连接，主控制器22和通讯单元21通过数字通讯接口连接。激光器24的作用是产生测量所需要的激光束25，激光器发出的激光由光学组件进行光束处理，包括对激光进行准直压缩激光的发散角，使得激光以平行光束发射出去，或者发散角小于1mrad的，光学组件也可以对激
光进行分光，或者采用不同的多组微透镜产生结构光。激光控制器为激光器正常工作提供所需要的电压和电流，激光器受到激光控制器23的调制控制，激光经过调制后可以产生调制的激光，提高后续测量的信噪比，以及降低测量的误差。激光控制器23和主控制器22通过数字接口连接，并受到主控制器的控制产生所需要控制的信号，对输出信号进行相位和能量进行调制。微控制器22的作用对本单元进行控制，并通过通讯单元和其他平台进行通讯。主控制器通常采用cortex-m系列单片机或者其他类型的微控制器，也可以采用fpga、dsp或者其他方式的控制器，来实现对整个单元的控制。通讯单元21的作用是建立本单元和系统或者设备的通讯。通讯单元可以采用无线或者有线的通讯方式，无线通讯单元可以采用wifi、lora或者基于公用网络的nbiot或者4g、5g通讯模块。有线通讯单元可以采用以太网通讯方式。
[0055]
激光发射单元的激光采用半导体激光器，其工作波长采用常用可见光或者近红外激光，如选用635nm红色激光，该类型激光成本低。激光的发散角在1mrad内，以保证发射激光在一定距离光斑不会太发散。在最后一个测量装置接收的光斑尺寸控制在20mm以内。在安装的时候最后一个激光接收单元控制在距离激光发射单元200的时候，光束在20mm以内。装置的窗口的大小决定了激光的量程，作为变形测量，窗口大小在200mm以内。激光控制器的功能是对激光进行调制，能够进行频率和功率调制功能，并能够快速泄放电流。对于低速调制，可以采用开关mos管。如果需要高速调制采用专用激光二极管驱动芯片，如wavelength公司的fl500激光二极管驱动芯片，调制带宽达到500khz正弦波。也可以采用类似的芯片来构成激光控制器。微控制器承担通讯和激光器控制的任务，微处理器可以采用cortex-m系列处理器，这类处理器具有功耗低，并具有dac和pwm等外设来实现控制、通讯工作。
[0056]
如图3所示，本实施例所述的激光测量单元的作用是对穿越装置内的激光束进行测量，对激光束的位置进行测量计算，并给出特征，特征包括位置以及尺寸，可以用于沉降变形计算以及倾斜计算。所述的激光测量单元由光电传感器33、通讯单元31、以及主控制器32构成。光电传感器33对经过测量单元内部的激光束34进行测量。光电传感器33通过数字接口和主控制器32连接，接受主控制器32的控制，并采集到数据传输到主控制器。主控制器32和通讯单元31通过数字通讯接口连接。主控制器32对单元内的各个电子部件进行管理，并对数据进行处理计算，然后通过通讯单元31传输到软件平台进行分析处理。
[0057]
因大气扰动而引起折射率的不稳定带来随机波动，尤其是远距离的情况下而影响光斑的位置的稳定，光斑不稳定会给测量带来很大的误差。本发明采用光斑稳定单元放置在激光发射装置，或者放置在每组设备的尾部以对不稳定的光斑进行测量。光斑的波动中的随机波动因素，随机可以通过提高测量频率，多次测量，并对测量数据进行处理，如对数据进行滤波、去除异常数据，数据平滑，数据分布统计，最终对数据综合处理去除随机因素。
[0058]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。利用本发明所述技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。