CN102494628A

CN102494628A - 一种隧道变形激光测量方法和装置

Info

Publication number: CN102494628A
Application number: CN2011104132773A
Authority: CN
Inventors: 王天奇
Original assignee: JILIN MINGPU OPTICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: JILIN MINGPU OPTICAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2012-06-13

Abstract

本发明提供一种隧道变形激光测量方法和装置，在隧道内确认安全的两端分别安装有激光器和激光接收器，监测光拦安装在激光器、激光接收器之间的待监测位置，使激光器的激光通过监测光拦而照射到激光接收器上；调整监测光拦的通光孔大小与激光器通过待监测位置的激光束直径相等，使激光器发出的高斯分布激光通过监测光拦由激光接收器接收，保证接激光收器的中心和激光束中心重合获得的激光最强；利用测隧道内待检测位置发生形变，带动监测光拦发生位移，导致通过监测光拦的激光光强发生变化，使激光接收器接收的激光强度减弱，实现对隧道形变的监测。

Description

一种隧道变形激光测量方法和装置

技术领域

本发明涉及隧道安全监测技术领域，尤其是提供一种隧道变形激光测量方法，同时还公开了实现该测量方法的监测装置。

背景技术

每年由于地质灾害引起交通隧道、矿井坑道形变导致的塌方事故有很多，严重的威胁过往车辆及矿工们的生命安全。通常监测隧道、矿井形变使用是激光指向仪，作为隧道形变的测试装置，是利用激光器发的光束能量比较大，直接照射到待测目标，得到具体的距离值和角度值，经过几何计算得出隧道目标形变。依靠激光可以三点成一线的原理，直观地检测隧道的变化。具有方便实施，观察变化简单明了的特点。缺点是人眼观测主观性太强，测量结果误差较大，尤其是不能实施全时候监测。

有的时候也可以使用全站式经纬仪测量隧道的变化。缺点是操作复杂，测量效率很低。全站式经纬仪测量隧道的变化原理和本项发明差异明显，经纬仪接收的是目标返回得激光，一般需要在测量部位安装合作目标。常规的监测方法是利用激光指向仪或者全站式经纬仪定期测量测量点的形变变化，存在着不能24小时全时实时监测和不能测量隧道弹性形变的缺欠和不足，隧道这种弹性的形变恰恰是地质灾害造成隧道探访的早期信号，带有瞬间发生瞬间恢复的时间特征，形变幅度基本在毫米量级，本发明实现了实时监测和测量隧道弹性形变的功能，可靠地监测隧道可能发生塌方灾难的信号。

发明内容

本发明提供一种隧道变形激光测量方法，克服了现有隧道、矿井监测变形设备存在的不能24小时全时实时监测和不能测量隧道弹性形变缺陷，可以最大限度地及早发现隧道、矿井可能发生的塌方事故，保证了安全行车、安全生产。

本发明还进一步公开了隧道变形激光测量装置，能够自动发出声音报警和控制信号。可靠地保证通过车辆的安全；应用到隧道塌方监测，挽救矿工的生命。

本发明提供一种隧道变形激光测量方法，包括以下步骤：

在隧道内确认安全的两端分别安装有激光器和激光接收器，监测光拦安装在激光器、激光接收器之间的待监测位置，使激光器的激光通过监测光拦而照射到激光接收器上；调整监测光拦的通光孔大小与激光器通过待监测位置的激光束直径相等，使激光器发出的高斯分布激光通过监测光拦由激光接收器接收，保证接激光收器的中心和激光束中心重合获得的激光最强；利用测隧道内待检测位置发生形变，带动监测光拦发生位移，导致通过监测光拦的激光光强发生变化，使激光接收器接收的激光强度减弱，实现对隧道形变的监测。

本发明公开的隧道变形激光测量装置，其特征在于：

包括激光器、监测光拦、激光接收器及监测报警系统构成；并保证激光器的高斯光束光轴和激光接收器的光轴以及监测光拦光轴共线设置。

所述的激光器为可见光半导体激光，由内倒置望远镜把激光扩束，获得发散角为毫弧度以下的光束；输出激光光强符合X-Y两维均是等腰高斯分布。

所述的监测光拦由中心通光圆管状光拦构成，通光孔的直径等于通过待监测位置激光束的直径；监测光拦的直径与长度之比大于1，在隧道弯道中配合转向调整镜使激光光束通过。

激光接收器将激光器的激光信号接收变成电信号，驱动检测报警器监测和报警。

所述的监测光拦中还可设有相距的两对平行反射镜作为光拦的一部分，具有四个反射面，两两反射镜面互为平行，一对平行反射面的光轴与另一对平行反射镜面的光轴垂直。

对于随道里有弯道的变形激光测量，可以通过一个或几个转向调整镜和监测光拦联合使用实现激光光束通过弯道。

本发明的工作过程如下：

在隧道安全确认的区域两端分别安装激光器，在安装接收器，保证激光正好照射到激光接收器中心。在需要监测的位置安装监测光拦，调整光拦通光圆孔大小和位置，保证激光通过。

本发明首先开启隧道两端的激光器，使激光器发出高斯光束；观察和调整另一端接收器接收的激光光束（信号）强弱，通过调整接收器输出阻抗，设定信号强度最大值的90%，为预警值；也可以根据实际响应灵敏度要求，采用监测光拦下降1毫米时，接收到变小的光强强度值为预警值。通过拦遮待监测位置的监测光拦附近部分激光束，确认激光接收器最佳接收机工作点，保证监测光拦的通光圆孔等于待监测位置的光束直径大小；利用隧道变形引起监测位置监测光拦的光束直径形变，驱动与激光接收器连接的报警器输出报警控制信号。

本发明的积极效果在于：采用激光器、监测光拦、激光接收器三点一线的简明结构，设立了监测光拦，与接收器实现了自动监测激光光强变化的自动功能，做到了自动化和24小时全时监测；可在野外气候条件下使用；操作简单，方便使用，安全准确；由接收器发出声音报警和控制信号；利用激光的单色性，低成本处理掉背景噪声，得到高信号比信号，从而提高监测的可靠性。

附图说明

图1为本发明监测原理示意图；

图2为本发明的监测光拦的圆管光拦结构原理图；

图3为本发明的转向镜结构原理图；

图中：1，激光器；2，监测光拦；3，转向调整镜；4，激光接收器；5，监测报警系统；6，待测位置；2.1，上移光束；2.2，下移光束；2.3，通光孔径；2.4，光轴；2.5，45°入射镜；2.6，45°入射平行镜；2.7，45°出射镜；2.8，45°出射平行镜；2.9，外壳长度L；3.1、入射光束；3.2入射窗；3.3，反射镜；3.4出射窗；3.5，出射光束。

具体实施方式

通过以下实施例进一步举例描述本发明，并不以任何方式限制本发明，在不背离本发明的技术解决方案的前提下，对本发明所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将落入本发明的权利要求范围之内。

实施例1

在图1所示的XYZ坐标系中，在隧道内确认安全的两端分别安装有激光器1和激光接收器4，监测光拦2安装在激光器1、激光接收器4之间的待监测位置6上，使激光器1的激光通过监测光拦2而照射到激光接收器4上；调整监测光拦2的通光孔2.3大小与激光器1通过待监测位置6的激光束直径相等，使激光器1发出的高斯分布激光通过监测光拦2由激光接收器4接收，保证接激光收器4的中心和激光束中心重合获得的激光最强；利用测隧道内待检测位置6发生的形变，带动监测光拦2发生位移，导致通过监测光拦4的激光光强发生变化，使激光接收器4接收的激光强度减弱，实现对隧道形变的监测。

所述的待检测位置6可以是一个也可以是数个，同样的构建同时使用，可以监测几公里内的不同地域位置的形变。

所述的激光器1（Thorlabs型号L635P005-635）使用650 nm，5 mw半导体激光，光束的颜色为红色，光束整形后发散角为0.07 mrad，出光口径为20 mm，1000 m目标上激光照射光斑为70mm。

监测光拦2使用边长分别为100mm和160mm的长方形铝板，在长方形中心制作直接为30mm的圆孔，和对应的支架固定连接。

激光接收器4采用滨松生产的型号为S2281光电接收器，直接连接在型号C9329光电放大器上，输出的信号为0~5V电压信号，可以直接驱动监测报警系统5的蜂鸣器和作为输出信号。

实施例2

本发明主要由激光器1、监测光拦2、激光接收器4及监测报警系统5构成；并保证激光器1的高斯光束光轴和激光接收器4的光轴以及监测光拦2光轴共线设置；

所述的激光器1为可见光半导体激光，由内倒置望远镜把激光扩束，获得发散角为毫弧度以下的光束；输出激光光强符合X-Y两维均是等腰高斯分布；

所述的监测光拦2由中心通光圆管状光拦构成，通光孔2.3的直径等于通过待监测位置激光束的直径；监测光拦2的直径与长度之比大于1，在隧道弯道中配合转向调整镜使激光光束通过。

激光接收器4将激光器1的激光信号接收变成电信号，驱动检测报警器5监测和报警。

所述的监测光拦2中设有相距的两对平行反射镜作为光拦的一部分，具有四个反射面，两两反射镜面互为平行，一对平行反射面的光轴与另一对平行反射镜面的光轴垂直。

参照图2，监测光拦2中的反射镜还可以如下结构：45°入射角入射镜面2.5与45°入射角入射平行镜面2.6互为平行反射镜面，45°入射角出射镜面2.7与45°入射角出射平行镜面2.8互为平行反射镜面，这两对平行反射镜面的光轴2.4为90°布置；上移光束2.1和下移光束2.2分别通过，通光孔径2.3进入监测光拦2中，经45°入射镜2.5、45°入射平行镜2.6、45°出射镜2.7及45°出射平行镜2.8折射后射出监测光拦2。

实施例3

在隧道高爆环境中，施工距离为5米，监测光拦2的直径与外壳长度L之比为1：12。

结合图3，而在有弯道的随道里实施例过程中，在监测光拦2与激光接收器4之间可以通过一个或几个转向调整镜3和监测光拦2联合使用实现激光光束通过弯道：入射光束3.1经入射窗3.2通过反射镜3.3转向折射，由出射窗3.4出射光束3.5，实现激光光束的转弯。

Claims

1.一种隧道变形激光测量方法，包括以下步骤：

2. 一种隧道变形激光测量装置，其特征在于：包括激光器、监测光拦、激光接收器及监测报警系统构成；并保证激光器的高斯光束光轴和激光接收器的光轴以及监测光拦光轴共线设置；

所述的激光器为可见光半导体激光，由内倒置望远镜把激光扩束，获得发散角为毫弧度以下的光束；输出激光光强符合X-Y两维均是等腰高斯分布；

所述的监测光拦由中心通光圆管状光拦构成，通光孔的直径等于通过待监测位置激光束的直径；监测光拦的直径与长度之比大于1，在隧道弯道中配合转向调整镜使激光光束通过；

3. 如权利要求2所述的隧道变形激光测量装置，其特征在于：在所述的监测光拦中设有相距的两对平行反射镜作为光拦的一部分，具有四个反射面，两两反射镜面互为平行，一对平行反射面的光轴与另一对平行反射镜面的光轴垂直。

4. 如权利要求3所述的隧道变形激光测量装置，其特征在于：监测光拦中的反射镜面分别为：45°入射角入射镜面与45°入射角入射平行镜面互为平行反射镜面，45°入射角出射镜面与45°入射角出射平行镜面互为平行反射镜面，这两对平行反射镜面的光轴为90°布置。

5.如权利要求2或3所述的隧道变形激光测量装置，其特征在于：在有弯道的随道里，可以通过一个或几个转向调整镜和监测光拦联合使用实现激光光束通过弯道。