CN102506721B - 一种基于激光的变形位移量测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光的变形位移量测方法，包括以下步骤：步骤1：准备工作：在被测目标物上安装一面反射镜，设定激光的调制频率；步骤2：获取2个相位差值：根据相位差获取步骤获取T₀时刻的相位差以及T₁时刻的相位差T₀时刻和T₁时刻均指接收到反射激光的时间；步骤3：计算变形位移量ΔL∶ΔL计算公式为其中K＝c/(4πf)。该方法易于实施，且精度高。

Description

一种基于激光的变形位移量测方法

技术领域

本发明涉及一种基于激光的变形位移量测方法。

背景技术

变形位移量测无论在科学技术研究还是在工程建设方面都有着其重要作用：大坝水平与垂直位移、隧道周边位移、构建物水平与垂直位移等。变形位移量测的方法有用激光距仪、全站仪、数字(传统)经纬仪亦可完成。

现有的变形位移量存在测量装置复杂以及误差大等缺点，某些如全站仪、测距仪等在用于变形位移监测时，设备本身的精度、尤其是使用过程中人为操作上的误差是不可避免的；

另外，现有的基于激光的位移检测方法，采用直接测量两次位移值、再求其差值的方法，由于在恶劣的环境中，要测量较为精确的两次位移值难度很大，尤其容易引入设备的安装误差等误差，从而总整体上导致误差较大，一般单次误差在±3mm左右，甚至测量误差大于实际位移量。

例如目前在隧道施工中，隧道周边位移监测大多采用带钢尺的收敛计和带挂尺的水准仪来完成，由于钢尺材料受温度变化影响较大，尽管使用时进行温度等进行修正(补偿)，仍存在较大偏差，此偏差随环境不同有时大于实际变形位移量，这是其一；其二是这些数据是通过人工观测读取获得，同一个人在不同时间的存在一定的读取偏差，不同的人在同一时间也存在读取偏差；其三也是由于钢尺的存在，与隧道施工相互干扰，当测点之间挂上钢尺时是禁止车辆通行的，当隧道施工有车辆通行亦无法进行变形位移数据采集的。当采用其他方法如全站仪等亦存在相似的问题。

因此，有必要提出一种更为简单且更为精确的测量方案。

由于激光波长单一测量精度高且智能激光变形位移计结构小巧安装调整方便，及远距离无线数据传输等优点，故智能激光变形位移计是目前高精度测量变形位移较理想的仪器之一。

1、激光光源与普通光源有显著的区别它利用受激发射原理和激光腔的滤波效应使所发光束具有一系列新的特点：

①激光有小的光束发散角即所谓的方向性好或准直性好；

②激光的单色性好或者说相干性好，普通灯源或太阳光都是非相干光；

③激光的输出功率虽然有限度，但光束所以功率密度很高一般的激光亮度远比太阳表面的亮度大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于激光的变形位移量测方法，该方法易于实施，且精度高。

发明的技术解决方案如下：

一种基于激光的变形位移量测方法，包括以下步骤：

步骤1：准备工作：在被测目标物上安装一面反射镜，设定激光的调制频率；

步骤2：获取2个相位差值：根据相位差获取步骤获取T₀时刻的相位差

以及T₁时刻的相位差

T₀时刻和T₁时刻均指接收到反射激光的时间；

步骤3：计算变形位移量ΔL：

ΔL计算公式为其中K＝c/(4πf)；

所述的相位差获取步骤为：由位移测量仪的激光发射头发出一束具有该调制频率的激光即入射激光；激发该入射激光的电信号为第一正弦信号；

该束激光经所述的反射镜反射后形成反射激光被位移测量仪上的激光接收头获取，通过激光解调器获得反射激光对应的电信号为第二正弦信号；

比较第一正弦信号与第二正弦信号，获得相位差

对应激光信号往返一次产生相位延迟不足π部分的相位差。

所述的调制频率范围为50MHz-300MHz。(调制频率范围为50MHz-300MHz：对应50MHz时变形范围为0-1500mm，对应100MHz时变形范围为0-750mm，对应300MHz时变形范围为0-250mm，使用时按预估变形量选用相应的调制频率。)

所述的位移测量仪包括正弦波发生器、激光调制器、激光发射头、激光接收器、激光解调器、相位比较器、相位差-距离换算单元和数据处理单元；

正弦波发生器发出的正弦信号分两路分别输出到相位比较器的第一输入端和激光调制器，激光发射头接激光调制器的输出端；

激光解调器的输入端接激光接收头，激光解调器的输出端接相位比较器的第二输入端；

相位比较器的输出端接相位差-距离换算单元，相位差-距离换算单元的输出端接数据处理单元。【在数据处理单元中通过对本次(T_n时刻)相位差与前次(T_n-1时刻)相位差比较获得T_n-1至T_n时间段的变形位移量ΔL_n-1～n；通过对本次(T_n时刻)相位差与初次(T₀时刻)相位比较获得T₀至T_n时间段的最终的变形位移量ΔL】。

所述的位移测量仪还包括数据存储与显示单元；数据存储与显示单元与数据处理单元连接。

所述的位移测量仪还包括通信单元；通信单元与数据处理单元连接。

所述的位移测量仪还包括与数据处理单元连接的元件编码与识别单元。

本发明采用激光测量变形位移的原理：

智能激光变形位移计的测距原理是由激光器对被测目标发射一个光信号，然后接受目标反射回来的光信号，通过量测光信号往返经过的时间，计算出目标的距离。

设目标A、B的距离为L，光信号往返所走过的距离即为2L，

则：t＝2L/c              (1-1)

即：L＝ct/2              (1-2)

式中：c——光在空气中的传播速度，c≈3×10⁸m/s；

t——光信号往返所经过的时间，s；

L——检测目标的距离，m。

由上式可知，要量测A、B两点距离实际上是要量测光传播的时间t，因光速太高，直接测量光传播的时间t比较困难，通常采用间接测量光传播的时间t方法。根据量测时间方法的不同，通常又可分为脉冲式和相位式两种量测形式。

智能激光变形位移计采用相位式量测形式。

为了保证其高精度，并有效地反射信号，且使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上，智能激光变形位移计应配置反射镜。

若调制光角频率为ω，在待量测距离L上往返一次产生的相位延迟为

则对应时间t可表示为：

将此关系代入(1-2)式距离L可表示为

式中：

——信号往返测线一次产生的总的相位延迟；

ω——调制信号的角频率，ω＝2πf；

U——单位长度，数值等于1/4调制波长；

N——测线所包含调制半波长个数；

——信号往返测线一次产生相位延迟不足π部分；

ΔN——测线所包含调制波不足半波长的小数部分，

在给定调制和标准大气条件下，频率c/(4πf)是一个常数，此时距离的量测变成了测线所包含半波长个数的量测和不足半波长的小数部分的量测即测N和

为了测得不足π的相角

可以通过不同的方法来进行量测，通常应用最多的是延迟测相和数字测相，目前本智能激光变形位移计采用数字测相原理来求得

由于变形位移只须量测相对位移量，设T₀时刻测得A、B两点距离为L₀，设T₁时刻测得A、B两点距离为L₁，则T₀至T₁时间段A、B两点间相对位移为：

或ΔL＝L₁-L₀＝c/4f(N₁+ΔN₁)-c/4f(N₀+ΔN₀)      (1-6)

或ΔL＝L₁-L₀＝U(N₁+ΔN₁)-U(N₀+ΔN₀)            (1-7)

若使用时设定调制频率c/(4πf)为一个常数K，且使N₀、N₁…N_n…亦为常数，U的值大于ΔL变化范围，则：

或ΔL＝L₁-L₀＝c/4f(ΔN₁-ΔN₀)    (1-9)

或ΔL＝L₁-L₀＝U(ΔN₁-ΔN₀)       (1-10)

由激光器发出按某一频率变化的正弦调制光波，光波的强度变化规律与光源的驱动电源的幅度变化完全相同，光波的频率变化规律与光源的驱动电源的频率变化完全相同，发出的光波到达被测目标，智能激光变形位移计一般配置了被称为合作目标的反射镜，这块反射镜能把入射光束反射回去，而且保证反射光的方向与入射光方向完全一致。在仪器的接收端获得调制光波的回波，经光电转换和解调后，得到与接受到的光波调制频率完全相同的电信号，此电信号放大后与光源的驱动电源进行比较，测得两个正弦电信号的相位差

根据调制光的波长和所测相位差

就可算得所测距离(不足半波长的长度)。

有益效果：

本发明的基于激光的变形位移量测方法，巧妙地基于激光的相位差与变形位移的线性对应关系这一核心构思，形成一种既简单由精确的测量方案。

本方法设计的智能激光变形位移计(即位移测量仪)具有结构小巧安装调整方便、精度高、远距离无线数据传输等优点。

本位移测量仪与一般数显收敛仪(隧道内使用)相比具有以下特点：

①激光变形位移计不使用一般数显收敛仪的钢尺，属无尺量测，对隧道施工和营运无干扰；

②激光变形位移计不使用一般数显收敛仪的钢尺，没有钢尺本身材料不同长度和温度下的变形；

本发明的方法与一般其他变形位移监测方式相比有以下特点：

①由于设备的用途使某些如全站仪、测距仪等在用于变形位移监测时，设备本身的精度、尤其是使用过程中人为操作上的误差是不可避免的，本激光变形位移计在操作过程中不存在人为操作误差；

②单独使用时，与一般其他变形位移监测方式相比具有数据采集快，劳动强度低。

③激光变形位移计通过组网可实现远距离、长时间和连续监测，可根据不同使用环境设置相应的报警方式。

变形位移累计值(T₀至T_n时间段的最终的变形位移量ΔL)超过设定值时或T_n-1至T_n时间段的的变形位移量ΔL_n-1～n超过设定值时可以以声、光发出警报。

附图说明

图1是位移测量仪的结构框图。

图2为多点检测示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

一种基于激光的变形位移量测方法，包括以下步骤：

步骤1：准备工作：在被测目标物上安装一面反射镜，设定激光的调制频率；

步骤2：获取2个相位差值：根据相位差获取步骤获取T₀时刻的相位差

以及T₁时刻的相位差

T₀时刻和T₁时刻均指接收到反射激光的时间；

步骤3：计算变形位移量ΔL：

ΔL计算公式为其中K＝c/(4πf)；

所述的相位差获取步骤为：由位移测量仪的激光发射头发出一束具有该调制频率的激光即入射激光；激发该入射激光的电信号为第一正弦信号；

该束激光经所述的反射镜反射后形成反射激光被位移测量仪上的激光接收头获取，通过激光解调器获得反射激光对应的电信号为第二正弦信号；

比较第一正弦信号与第二正弦信号，获得相位差

对应激光信号往返一次产生相位延迟不足π部分的相位差。

调制频率范围为50MHz-300MHz：对应50MHz时变形范围为0-1500mm，对应100MHz时变形范围为0-750mm，对应300MHz时变形范围为0-250mm，使用时按预估变形量选用相应的调制频率。

如图1所示，所述的位移测量仪包括正弦波发生器、激光调制器、激光发射头、激光接收器、激光解调器、相位比较器、相位差-距离换算单元和数据处理单元；

正弦波发生器发出的正弦信号分两路分别输出到相位比较器的第一输入端和激光调制器，激光发射头接激光调制器的输出端；

激光解调器的输入端接激光接收头，激光解调器的输出端接相位比较器的第二输入端；

相位比较器的输出端接相位差-距离换算单元，相位差-距离换算单元的输出端接数据处理单元。在数据处理单元中获得最终的变形位移量ΔL。【在数据处理单元中通过对本次(T_n时刻)相位差与前次(T_n-1时刻)相位差比较获得T_n-1至T_n时间段的变形位移量ΔL_n-1～n；通过对本次(T_n时刻)相位差与初次(T₀时刻)相位比较获得T₀至T_n时间段的最终的变形位移量ΔL】。

所述的位移测量仪还包括数据存储与显示单元；数据存储与显示单元与数据处理单元连接。

所述的位移测量仪还包括通信单元；通信单元与数据处理单元连接。

例如：只进行某一方向位移监测，预计变形位移不超过250mm。

首先设定变形位移范围0～250mm，调制频率300MHz。

第一次进行数据采集(第1时刻)：

其中K＝c/(4πf)＝1.389，(下同)

若第二次进行数据采集(第一次进行数据采集后24小时(第2时刻))：

则24小时内这一方向位移为：

ΔL＝ΔL₁-ΔL₀＝15.278-12.500＝2.778mm，说明这一测点与被测点之间相背方向远离。

若第二次进行数据采集(第一次进行数据采集后24小时(第2时刻))：

则24小时内这一方向位移为：

ΔL＝ΔL₁-ΔL₀＝9.722-12.500＝-2.978mm，说明这一测点与被测点之间相向方向靠近。

二次数据采集时间间隔范围0.01秒至若干小时，可根据相关要求人工确定，亦可通过系统自动设定。

调制频率300MHz时分辩率约为0.01mm，调制频率150MHz时分辩率约为0.02mm，调制频率50MHz时分辩率约为0.05mm。这里的分辨率即对应了测量精度。

采用本发明方法的注意事项：

(1)气象条件对光电测距影响较大，微风的阴天是观测的良好时机。

(2)测线应尽量离开地面障碍物1.3m以上，避免通过发热体和较宽水面的上空。

(3)测线应避开强电磁场干扰的地方，例如测线不宜接近变压器、高压线等。

(4)镜站的后面不应有反光镜和其他强光源等背景的干扰。

(5)要严防阳光及其他强光直射接收物镜，避免光线经镜头聚焦进入机内，将部分元件烧坏，阳光下作业应撑伞保护仪器。

为了降低设备成本和不同使用条件，曾考虑过三个方案：方案一是将激光发射与接收单元独立封装对其进行编码，在各监测点只安装此单元，其他部分共用，此方案为最简方案，应用于各测点独立使用条件下；方案二是将激光调制、激光发射、接收、激光解调、相位比较等单元独立封装对其进行编码，在各监测点只安装此单元，其他部分共用，此方案为推荐方案，应用于各测点组网使用条件下，如图2所示；方案三是将激光调制、激光发射、接收、激光解调、相位比较、通讯等单元独立封装对其进行编码，在各监测点只安装此单元，其他部分共用，此方案为高级方案，应用于各测点组网远程使用条件下，故有元件编码与识别。

测量距离选择是为了保证调制波的激光发射功率，以保证被测对象反射波至激光接收端的强度。

频率选择是为了保证调制波的半波长度总是大于变形值或位移值。

Claims (3)

1.一种基于激光的变形位移量测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：准备工作：在被测目标物上安装一面反射镜，设定激光的调制频率；

步骤2：获取2个相位差值：根据相位差获取步骤获取T₀时刻的相位差

以及T₁时刻的相位差

T₀时刻和T₁时刻均指接收到反射激光的时间；

步骤3：计算变形位移量ΔL：

ΔL计算公式为其中K=c/(4πf)；

所述的相位差获取步骤为：由位移测量仪的激光发射头发出一束具有该调制频率的激光即入射激光；激发该入射激光的电信号为第一正弦信号；

该束激光经所述的反射镜反射后形成反射激光被位移测量仪上的激光接收头获取，通过激光解调器获得反射激光对应的电信号为第二正弦信号；

比较第一正弦信号与第二正弦信号，获得相位差对应激光信号往返一次产生相位延迟不足π部分的相位差；

所述的调制频率范围为50MHz-300MHz；

所述的位移测量仪包括；

正弦波发生器发出的正弦信号分两路分别输出到相位比较器的第一输入端和激光调制器，激光发射头接激光调制器的输出端；

激光解调器的输入端接激光接收头，激光解调器的输出端接相位比较器的第二输入端；

相位比较器的输出端接相位差-距离换算单元，相位差-距离换算单元的输出端接数据处理单元；

所述的位移测量仪还包括与数据处理单元连接的元件编码与识别单元；

将激光调制、激光发射、接收、激光解调、相位比较单元封装并对其进行编码，在各监测点只安装此单元即智能变形位移计，其他部分共用，应用于各测点组网使用条件下。

2.根据权利要求1所述的基于激光的变形位移量测方法，其特征在于，所述的位移测量仪还包括数据存储与显示单元；数据存储与显示单元与数据处理单元连接。

3.根据权利要求2所述的基于激光的变形位移量测方法，其特征在于，所述的位移测量仪还包括通信单元；通信单元与数据处理单元连接。

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