一种大量程高精度光电式垂线坐标仪测量装置及方法与流程

1.本发明属于工程安全监测领域，尤其是涉及一种大量程高精度光电式垂线坐标仪测量装置及方法，应用于水利水电工程、矿山工程、桥梁工程等领域。


背景技术：

2.垂线坐标仪是一种测量工程结构物水平位移的垂线测量装置中的测量仪器。目前常用的垂线坐标仪传感器有电测法（如电位器式、钢弦频率式）、光电法（ccd）。国内代表的监测仪器厂商有北京基康仪器公司、南京南瑞公司、水文所公司等，这些产品采用的是电子量转换位移量，为非直接的、不可直读的位移测量方法，需要利用配套的二次仪表采集数据，远程信号传输时也需要进行信号转换，采用有线或无线的传输与接收。
3.常见实用光电法垂线坐标仪有两种结构：成像结构和平行光投影结构。成像结构即双立体摄影测量结构，成像结构采用漫射背景光照明，两套结构相同的线阵ccd相机，以像对方式，解算xy坐标。特点是可以使用尺寸较小的镜头和ccd达到较大的测量范围。代表产品是法国电力公司输电局（drt）格勒诺布技术改进处（dtg）生产的仪器的结构类型。
4.平行光投影结构由两套正交的光源和光线接收装置组成。点光源经过准直透镜形成平行光场，该光场作为测量区域，垂线垂直通过光场，遮挡光线形成阴影，一般用线阵ccd图像传感器作为传感元件，通过测量阴影位置，得到垂线的位移值，原理如图1。在准直镜焦距较长的情况下，有的系统采用折叠光路设计。此外还有一种ct扫描结构，不使用准直物镜，利用多个点光源的依次点亮，解算垂线坐标。还有采用机械扫描结构类型，原理都较为简单。
5.目前国内较常见的产品多为平行光场结构。但是平行光场结构存在以下缺点：（1）仪器厚度受准直物镜口径限制，一般大于物镜口径。实际上线阵ccd的感光像素宽度多在5-8μm，所以对光场的厚度基本无要求，考虑到调试的需求，10mm厚度足矣。但是由于水平方向的测量范围一般50-100mm，所以准直镜口径相应也为60-120mm，导致仪器总厚度不低于此值。若要压缩仪器厚度，需要将准直镜裁掉上下大部圆弓，这导致加工费用增加；（2）准直镜口径增大，其相差相应增大，准直光束准直度下降，非线性误差增大；（3）准直镜口径增大，为获得较好的准直光束质量，要采用复杂的结构形式，导致纵向尺度加大，成本增加，为减小仪器尺寸，可能要采用折叠光路；（4）在会聚光路中使用棱镜偏折光线，可以缩短光路，但媒介交界面数量增加，面形误差带来的影响增大，且厚棱镜带来较大像散，要与准直镜一体化优化设计，综合消除像差，光学设计难度增大；（5）常用线阵ccd感光线阵长度多为20-50mm，像元数在300-7500，以像元数量7450 的tcd1705线阵ccd器件为例，在采用150mm量程时，像元分辨率为0.02mm，但是在接收端要使用光束压缩系统，这导致光程大大加长，若不使用光束压缩系统，则要使用多ccd元件，在长度方向进行拼接，这导致电路和结构复杂化。
6.因此需要设计一种大量程高精度光电式垂线坐标仪测量装置及方法来解决上述问题。


技术实现要素：

7.为了克服上述现有技术的缺陷，本发明目的在于提供一种大量程高精度光电式垂线坐标仪测量装置，具有保持光束的准直度，实现不同的量程，具有体积小的特点。
8.为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种大量程高精度光电式垂线坐标测量仪，包括a光学仓和b光学仓两个光学仓，以及一个电子仓；a光学仓和b光学仓及其内部部件镜像对称放置，电子仓与每个光学仓连接固定，且中间预留电线过线孔。
9.优选地，所述a光学仓和b光学仓内部结构相同，a光学仓的透光窗口为带通平板玻璃；a光学仓内包括一个准直光源组件、一个ccd组件、第一棱镜和第二棱镜；准直光源组件安装在a光学仓的l型拐角处的内底板上，且保证出光光束主轴经过测量区的中心点且互相垂直；第一棱镜和第二棱镜与b光学仓中的两块棱镜之间的矩形区域是测量区，相对的两块棱镜规格相同；ccd组件的位置应保证由第一棱镜出射的主轴光线到达ccd组件中的线阵ccd器件中央位置，由第一棱镜出射的平行光束在ccd组件的测量区域内。
10.优选地，电子仓内有主电路板和与之相连的电源变压器，主电路板有电源和控制电路，主电路板与ccd组件的电路板实现通信和电源连接。
11.优选地，ccd组件包括电路板，电路板通过支架安装在a光学仓的内底板上，电路板搭载线阵ccd器件以及包括驱动mcu和通信mcu在内的电子元件，电路板与主电路板之间实现通信连接和电源电缆。
12.优选地，准直光源组件包括设置在led电路板上的高亮度led灯珠，高亮度led灯珠前端的光线输出方向设置有小孔光阑，光线输出方向的前方设置有多个透镜组成的高性能准直透镜，分别是第三棱镜、第一正透镜、第二正透镜和负透镜，多个透镜间且用隔圈保持光学间隔，并用螺纹压圈压紧镜片。
13.优选地，准直光源组件的有效口径为36mm。
14.优选地，上述一种大量程高精度光电式垂线坐标仪测量装置的测量方法，包括以下步骤：s1，设置好装置位置，进行xy平行光投影正交光场测量；s2，进行y坐标测量，具体方法如下：s201，由点光源发出的光线经过准直镜头后，变成平行光束，经过棱镜转向90度；s202，较细的平行光束从棱镜的斜边进入，被展宽偏转从长直角边射出，经过测量区进入对侧棱镜的长直角边，光线从斜边射出，被偏转并压缩宽度，到达ccd组件阵列；若测量区内有垂线，其阴影在ccd组件形成阴影光斑；s203，ccd组件驱动电路板测量mcu将阴影坐标值转变为数字信号，通过spi电缆将信号传递到主电路板，解算出真实坐标值，通过总线上传到上位计算机，完成垂线坐标高精度测量；s3，根据s2的步骤中同样的方法进行x坐标测量，完成xy平行光投影正交光场测量。
15.本发明具有如下有益效果：本发明提供一种大量程高精度光电式垂线坐标仪测量装置，为xy平行光投影正交光场测量。以y坐标测量为例，由点光源发出的光线经过准直镜头后，变成平行光束，经过棱镜，转向90度。较细的平行光束从棱镜的斜边进入，被展宽偏转从长直角边射出，经过测量区进入对侧棱镜的长直角边，光线从斜边射出，被偏转并压缩宽度，到达ccd组件阵列。若测量区内有垂线，其阴影在ccd组件形成阴影光斑。ccd组件驱动电路板测量mcu将阴影坐标值转变为数字信号，通过spi电缆将信号传递到主电路板，解算出真实坐标值，通过总线上传到上位计算机，完成垂线坐标高精度测量。
附图说明
16.图1是本发明的结构示意图；图2是准直光源组件的侧视示意图；图3是准直光源组件的俯视示意图；图4是ccd组件的示意图；图5是现有技术平行光投影结构示意图；图中：螺栓1，主电路板2，电源变压器3，电子仓4，准直光源组件5，ccd组件6，电路板6-1，线阵ccd器件6-2，第一棱镜7-1，第二棱镜7-2，a光学仓8，b光学仓81，测量区10，灯珠11，橡胶圈12，第三棱镜13，第一正透镜14，第二正透镜15，负透镜16，螺纹压圈17，隔圈18，led电路板19，小孔光阑20。
具体实施方式
17.实施例1：如图1~图3所示，一种大量程ccd垂线坐标测量仪，包括a光学仓8和b光学仓81两个光学仓以及一个电子仓4，a光学仓8和b光学仓81及其内部部件镜像对称放置的，即a光学仓8和b光学仓81的水平投影为镜像对称图形；电子仓4与每个光学仓通过两颗螺栓1连接固定，且中间预留电线过线孔；电子仓和学仓的箱体结合面在结合前涂密封胶，或设置橡胶密封件；三个舱室各有盖板，盖板与箱体间用螺钉连接，用橡胶件密封。
18.a光学仓8和b光学仓81内部结构相同，以光学仓a为例，介绍如下：a光学仓8的透光窗口为带通平板玻璃，周围有灌胶密封槽；a光学仓8内包括一个准直光源组件5、一个ccd组件6、第一棱镜7-1和第二棱镜7-2，准直光源组件5通过橡胶圈12安装在a光学仓8的l型拐角处的内底板上，且保证出光光束主轴经过测量区10的中心点且互相垂直，如图中虚线；a光学仓8中的第一棱镜7-1和第二棱镜7-2与b光学仓81中的两块棱镜之间的矩形区域是测量区10，相对的两块棱镜规格相同；ccd组件6的位置应保证由第一棱镜7-1出射的主轴光线到达ccd组件6中的线阵ccd器件6-2中央位置，由第一棱镜7-1出射的平行光束在ccd组件6的测量区域内。
19.所述电子仓4内有主电路板2和与之相连的电源变压器3，主电路板2有电源和控制电路，主电路板2与ccd组件6的电路板实现通信和电源连接。
20.进一步地，电子仓4与外界的侧壁有密封电缆插座，提供电源、显示、通信连接功能，完成测量控制。
21.如图4所示，所述ccd组件6包括电路板6-1，电路板6-1通过支架3安装在a光学仓8的内底板上，电路板6-1搭载线阵ccd器件6-2以及包括驱动mcu和通信mcu在内的电子元件，电路板6-1与主电路板2之间实现通信连接和电源电缆。
22.所述准直光源组件5包括设置在led电路板19上的led灯珠11， led灯珠11前端的光线输出方向设置有小孔光阑20，小孔光阑的直径为0.3mm。
23.小孔光阑20遮挡多余光线，光线输出方向的前方设置有多个透镜组成的高性能准直镜，分别是第三棱镜13、第一正透镜14、第二正透镜15和负透镜16，通过隔圈18保持光学间隔，用螺纹压圈17压紧镜片。
24.进一步地，第三棱镜13将平行光束转折90度；两个正透镜是相同的，正透镜和负透镜都只有一个曲面和一个平面，因此加工时只用到2个曲面模板，加工条件容易满足，并且此结构具有非常优秀的准直性能，在整个口径内其球差小于1微米。
25.如图5所示，为现有技术的平行光投影结构，通过准直透镜形成平行光场。
26.实施例2：本产品在国内某大型水电站具体实施中，各元器件的参数优选为：（1）线阵ccd器件6-2型号：tcd1705，像元数7450。
27.（2）a光学仓8和 b光学仓11各有一对棱镜13，一对窗口宽度158mm，另一对窗口宽度108mm，测量范围150x100mm。
28.（3）led灯珠11：电流70ma，工作电压3.4v，功率240mw，发光波长520-525纳米。
29.（4）准直光源组件5：有效口径36mm，三片结构，焦距122.76mm，在整个有效口径内球面误差小于0.001mm。有效口径是透镜决定的，透镜玻璃直径38mm，被压圈遮挡2mm，所以有效口径是36mm。
30.（5）机箱外尺寸x方向490mm，y方向510mm，高70mm。
31.（6）量程：x方向150mm，y方,100mm。
32.（7）分辨率：x方向0.02mm，y方向0.014。
33.（8）最大误差：小于0.05mm。
34.（9）标准差：小于0.03mm。
35.（10）单次测量时间：小于40ms。
36.上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本技术中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。