CN104142124A - 一种带倾斜校正的非接触激光地表位移监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带倾斜校正的非接触激光地表位移监测装置，其特征在于，所述监测装置包括激光收发端、激光反射端、相应通讯模块及上位机软件，其中所述激光收发端包括射频模块、双轴倾角传感器、温度传感器、激光测距仪、激光束光器、测绘基座；所述激光反射端包括二维PSD位移传感器及其辅助部件、安装支架、量程调节旋钮及驱动控制电路及无线通讯模块；所述通讯模块负责现场监测数据远程通讯；所述上位机软件负责监测数据采集与分析。本发明的优点在于，可同时实现对变形体平面位移、竖直位移的自动化监测，该设备多余观测量充分，可实现监测数据自改正与自检校功能，监测成果可靠性高。

Description

一种带倾斜校正的非接触激光地表位移监测装置

技术领域

本发明属于涉及安全预警领域，特别涉及一种带倾斜校正的非接触激光地表位移监测装置。

背景技术

位移量监测具有监测方便、成果直观、预警理论完备等特点，在工程建设或灾害防治领域具有重要意义。当前，针对位移量的常见自动化监测设备有GNSS、测量机器人等，上述监测设备采购价格偏高不利于广泛推广，由此提出了激光测距式地表位移监测设备。

然而，用来感知激光点位置的传感器，由于受加工工艺影响，其量程最大只能达到20×20mm²，如此小的量程无法满足常规工程形变监测的需要。

当激光源发生倾斜(倾角为i)时，激光束在位置传感器上的光斑将发生较大偏移，从而造成较大测量误差(甚至粗差)，同时，激光源与位置传感器的距离(S)越大，光斑偏移越明显。由测小角理论可知：当S＝50m，i＝0.1°，光斑位置偏移量为87.27mm、i＝0.01°，光斑位置偏移为8.73mm)，可见不采取校正措施激光测距式地表位移监测装置将无法使用。

此外，要达到野外长期监测低功耗的需求，须具备激光源功耗控制功能；为减小环境光(日光)强度加剧激光束散射，从而造成位置传感器对位移量分辨率降低的效应，有必要设计束光功能。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是提供一种带倾斜校正的非接触激光地表位移监测装置。

本发明提供了一种带倾斜校正的非接触激光地表位移监测装置，其特征在于，所述监测装置包括激光收发端、激光反射端、相应通讯模块及上位机软件，其中所述激光收发端包括射频模块、双轴倾角传感器、温度传感器、激光测距仪、激光束光器、测绘基座；所述激光反射端包括二维PSD位移传感器及其辅助部件、安装支架、量程调节旋钮及驱动控制电路及无线通讯模块；所述通讯模块负责现场监测数据远程通讯和设备两端数据交换；所述上位机软件负责监测数据采集与分析。

进一步地，所述激光测距仪附加集成了无线通讯模块、双轴倾角传感器、温度传感器及激光束光器。

进一步地，所述测绘基座包含整平用脚螺旋及水准管，以使设备安装精密整平。

进一步地，所述激光收发端可实现空间距离测量，并依据倾斜角度和现场温度，按测量学相关原理对空间距离进行倾斜改正及大气折光改正，最终量化位移观测所包含的系统误差。

进一步地，所述二维PSD位移传感器集成了滤镜、广角镜头、成像透板、二维CCD及镜头畸变矫正透镜组。

进一步地，所述支架集成了滤镜调节螺旋及量程调节螺旋，通过对二者的调节，分别实现最佳滤光效果和扩大监测量程的目的。

进一步地，所述上位机软件负责采集的数据包括激光收发端到位移传感器的空间距离、激光收发端平面倾斜角度、竖直倾斜角度、现场温度T、以及光斑在位移传感器中的位置。

本发明的优点在于，可同时实现对变形体平面位移、竖直位移的自动化监测，该设备多余观测量充分，可实现监测数据自改正与自检校功能，监测成果可靠性高。

附图说明

图1为带倾斜校正的非接触激光地表位移监测装置示意图。

图2为设备现场安装流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的带倾斜校正的非接触激光地表位移监测装置的具体实施方式做详细说明。

如图1所示，带倾斜校正的非接触激光地表位移监测装置包括激光收发端、激光反射端、相应通讯模块及上位机软件，其中激光收发端负责激光发射及返回信号接收，从而获取基准点与监测点间的空间距离；激光反射端则负责激光发射以光斑位置识别；通讯模块负责现场监测数据远程通讯功能；所述上位机软件负责监测数据采集与分析。

监测装置的安装分为激光收发端及激光反射端两大部分，安装时两部分安装高度应协调，确保位移传感器发挥最大监测量程，二者安装流程如图2所示。

具体地，激光收发端由下到上依次包括了测绘基座6、激光测距仪4、射频模块1、双轴倾角传感器2以及温度传感器3等部件。本装置激光测距仪4后部集成了无线通讯模块，上部集成了双轴倾角传感器2以及温度传感器3，前部集成了激光束光器5，其中无线通讯模块包含了电源接口、倾角及温度传感器接口及射频模块1，负责监测数据采集并通过射频模块1与反射端进行数据交互；束光器5可减小激光散射，缩小光斑面积，进而提高位移传感器的分辨率；整个激光收发端可实现空间距离(S)测量，并依据倾斜角度和现场温度，按测量学相关原理对S进行倾斜改正及大气折光改正，最终量化位移观测所包含的系统误差。本装置中测绘基座6包含整平用脚螺旋及水准管7，主要为其上部激光测距装置提供近似水平的安装条件，水准管7的存在可大大提高安装精度，进而保障倾角传感器2在其量程内长期有效地发挥其功能。

激光反射端包括二维PSD位移传感器及其辅助部件、安装支架21、量程调节旋钮16及驱动控制电路19及无线通讯模块17。本装置二维PSD位移传感器集成了滤镜10、广角镜头12、成像透板11、二维CCD14及镜头畸变矫正透镜组15。其中透板11前加装的滤镜10可对环境杂光起到良好的过滤作用，减小外界环境光对测量的影响，进一步提高位移传感器观测精度。利用广角镜头12成像原理可达到扩大量程的目的，同时为减小广角镜头畸变差，集成了防畸变透镜组。当CCD14不断对透板11进行图像扫描，从而获得激光光斑位置(X，Y)。本装置激光反射端安装支架21借助水准管7实现精密安装；同时支架21集成了滤镜调节螺旋13及量程调节螺旋16，通过对二者的调节，可分别实现最佳滤光效果及扩大监测量程的目的。通过量程调节螺旋16对透板11与广角镜头12的距离进行调节，实现了量程的大小调用功能，同时，在量程调节杆上标定本装置量程，以便现场对测量装置进行量程调节；该螺旋设计位于广角透镜12后方，可提高该螺旋的灵敏度同时减小螺旋调节回程差。本装置处理电路板包含CCD驱动电路18、控制电路19、及无线通讯模块17，该模块17主要负责解析CCD14的图像数据，获取光斑位置；无线通讯模块17中带有无线射频功能，需要测量时向激光测距仪4处的射频模块1发送电源开关闭合指令，激光测距仪4打开激光开始测距并将距离值保存于自身寄存器内；监测点处理电路板完成自身光斑位置解析后发送射频指令，读取激光传感器3距离值、双轴倾角传感器2倾角值及环境温度值，通过无线通讯模块17远程传输监测数据至指定终端，发送测量完成指令，激光传感器3自行断开电源开关，进入待机模式。

上位机软件在装置安装调试完成并正常运行后可采集如下数据：激光收发端到位移传感器的空间距离S；激光收发端平面倾斜角度i及竖直倾斜角度j；现场温度T；光斑在位移传感器中的位置(X，Y)。若不考虑激光采发设备的倾斜以及大气折光的影响，(X，Y)即为当前光斑位置，但是实际监测条件中存在基准点并非严格稳定(即激光收发端可能发生微小二维倾斜)，监测期间温差较大等误差来源因素。所以设计编制数据解算上位机软件，通过上述观测量可对空间距离S进行三差改正(二维倾斜及温度改正)，最终将每期观测数据归化至水平面及竖直面上，对光斑在位移传感器上位置进行改正。以当前观测值与首期观测值以及上一期观测值分别求差值，可得到更为精确可靠的位移监测累计变形量和变形速率。上位及软件具备数据查询、下载、变形过程线绘制以及短信预警等基本功能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，在上述说明书的描述中提到的数值及数值范围并不用于限制本发明，只是为本发明提供优选的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种带倾斜校正的非接触激光地表位移监测装置，其特征在于，所述监测装置包括激光收发端、激光反射端、相应通讯模块及上位机软件，其中所述激光收发端包括射频模块、双轴倾角传感器、温度传感器、激光测距仪、激光束光器、测绘基座；所述激光反射端包括二维PSD位移传感器及其辅助部件、安装支架、量程调节旋钮及驱动控制电路及无线通讯模块；所述通讯模块负责现场监测数据远程通讯和设备两端数据交换；所述上位机软件负责监测数据采集与分析。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光测距仪附加集成了无线通讯模块、双轴倾角传感器、温度传感器及激光束光器。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测绘基座包含整平用脚螺旋及水准管，以使设备安装精密整平。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述激光收发端可实现空间距离测量，并依据倾斜角度和现场温度，按测量学相关原理对空间距离进行倾斜改正及大气折光改正，最终量化位移观测所包含的系统误差。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述二维PSD位移传感器集成了滤镜、广角镜头、成像透板、二维CCD及镜头畸变矫正透镜组。

6.根据权利要求1或5所述的装置，其特征在于，所述支架集成了滤镜调节螺旋及量程调节螺旋，通过对二者的调节，分别实现最佳滤光效果及扩大监测量程的目的。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上位机软件负责采集的数据包括激光收发端到位移传感器的空间距离、激光收发端平面倾斜角度、竖直倾斜角度、现场温度T、以及光斑在位移传感器中的位置。