CN107806838B - 基于节结构导光管的曲率检测装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于节结构导光管的曲率检测装置及其应用，装置包括多节导光管和主控模块；每节导光管中均设置有光源和CCD检测模块，光源和CCD检测模块分别位于导光管的两端，与导光管形成密闭空间，光源发出的光线经导光管传输后由CCD检测模块接收；各节导光管依次同方向同轴紧密连接；主控模块，连接每节导光管中的光源和CCD检测模块，用于控制所有的光源和CCD检测模块的工作；工作时，CCD检测模块将接收到光信号转化为图像信息发送至主控模块，主控模块根据各节导光管中的光源的配光曲线和CCD检测模块发送的图像信息的亮度变化，计算多节导光管的曲率变化。利用本发明能够快速、准确的实现对深层土体位移进行检测。

Description

基于节结构导光管的曲率检测装置及其应用

技术领域

本发明涉及应变位移测量技术领域，特别涉及一种基于节结构导光管的曲率检测装置及其应用。

背景技术

光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光信号经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制的信号源，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数。

目前，用于应变测量的光纤传感器，一般采用光纤光栅、长周期光纤光栅的波长位移检测技术或光纤干涉技术。现有的用于应变测量的光纤传感器系统复杂，造价昂贵，同时受外界环境(如温度等)的影响较大，会出现交叉敏感的问题。

发明内容

为了克服现有的用于应变测量的光纤传感器，结构复杂、成本高、测量准确度低的缺陷，本申请通过结构的改进，提出了一种更为简易、便捷的基于节结构导光管的曲率检测装置及其应用，实现对轴向应变，特别是深层土体位移的准确测量。

本发明提供的基于节结构导光管的曲率检测装置，包括多节导光管和主控模块；

每节所述导光管中均设置有光源和CCD检测模块，所述光源和所述CCD检测模块分别位于所述导光管的两端，与所述导光管形成密闭空间，所述光源发出的光线经所述导光管传输后由所述CCD检测模块接收；

各节所述导光管依次同方向同轴紧密连接；

所述主控模块，连接每节所述导光管中的光源和所述CCD检测模块，用于控制所有的所述光源和所述CCD检测模块的工作；

工作时，所述CCD检测模块将接收到光信号转化为图像信息发送至所述主控模块，所述主控模块根据各节所述导光管中的所述光源的配光曲线和所述CCD检测模块发送的图像信息的亮度变化，计算所述多节导光管的曲率变化。

作为一种可实施方式，所述导光管呈封闭式圆柱体结构，其内表面镀有反射膜。

作为一种可实施方式，所述光源和所述CCD检测模块均固定在所述导光管的中轴线上。

作为一种可实施方式，所述光源为红外线光源、可见光光源、或近紫外线光源。

作为一种可实施方式，所述光源为单色光源。

作为一种可实施方式，所述光源为恒定光源。

作为一种可实施方式，所述光源包括LED灯和配光透镜；

所述LED灯连接所述主控模块；

所述LED灯发出的光线，经所述配光透镜后形成特定的配光曲线。

本法明还提供了一种如上所述的基于节结构导光管的曲率检测装置的应用，其应用在深层土体位移检测领域。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种基于节结构导光管的深层土体位移检测装置，包括上述任一项所述的节结构导光管的曲率检测装置；

所述主控模块，连接上位机，还用于根据计算得到的所述多节导光管的曲率变化，计算多节所述导光管所处地基中的深层土体位移，并将计算结果发送至上位机。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种基于节结构导光管的深层土体位移检测方法，包括以下步骤：

将上述基于节结构导光管的曲率检测装置以竖桩方式立于地基土层中；

点亮各节所述导光管中的光源；

获取各节导光管中的CCD检测模块检测到的光强信息；

根据各节所述导光管中的光源的配光曲线和CCD检测模块发送的图像信息的亮度变化，计算所述多节导光管的曲率变化；

根据得到的所述多节导光管的曲率变化，计算多节所述导光管所处地基中的深层土体位移，并将计算结果发送至上位机进行显示。

本发明相比于现有技术的有益效果在于：

本发明提供的基于节结构导光管的曲率检测装置，通过设置多节导光管和主控模块，每节所述导光管中均设置有光源和CCD检测模块，光源和CCD检测模块受主控模块控制。导光管的封闭暗腔作用能将外部的光线隔绝掉，使CCD检测模块所接收到光源发出并由导光管内表面反射过来的光，得到的测量数据不受干扰，有效降低了误差；多节导光管在外界环境下发生形变时，所造成的效果反映在曲率的变化上，再将这种影响传递到CCD检测模块所接收到光信息上，接收到的光强信息是连续变化的，同时可以在较短的距离内有明显的光强变化，保证了测量的精度；在光源不变而多节导光管的曲率发生改变时，由CCD检测模块所检测到的光强分布将发生改变，这种光强分布的改变与导光管曲率之间存在着良好的对应关系，因此利用CCD检测模块检测到的光强分布可以得到分节导光管的曲率；并由主控模块记录并换算出CCD检测模块偏移原导光管中轴的位移量，主控模块上的亮度信息会反映出偏移原导光管中轴的位移量，故即可方便地得出需要测量的物件的位移数据。光线通过导光管内表面反射传播，不会受到磁场的干扰，可在强磁场环境下使用。

本发明提供的基于节结构导光管的曲率检测装置，结构简单，成本低，使用方便，能够快速准确地实现对轴向应变位移的测量，而且适用于强电磁场环境，能够应用在深层土体位移检测领域。

本发明提供的基于节结构导光管的深层土体位移检测装置及方法，利用本发明提供的基于节结构导光管的曲率检测装置，能够快速、准确的实现对深层土体位移进行检测。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种基于节结构导光管的曲率检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的基于节结构导光管的曲率检测装置的电路连接关系图；

图3为本发明中光强分布的改变与导光管的曲率之间的对应关系示意图；

图4为本发明实施例一提供的基于节结构导光管的曲率检测装置的一节导光管的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。

请参考图1和图2，本发明实施例一提供了一种基于节结构导光管的曲率检测装置，包括多节导光管和主控模块1，每节导光管内均包含CCD检测模块2、导光管3和光源4。光源4、CCD检测模块2设置在各节导光管3中，导光管3的材料本身特性可以起到封闭暗腔的作用，将外界环境中的光线隔离开来；光源4所发出的光线经过导光管3内表面发射后由CCD检测模块2接收；CCD检测模块2、光源4都与主控模块1连接，并由主控模块1控制。CCD检测模块2接收到的图像信息发送给主控模块1，外界对导光管造成的形变以曲率的形式(轴向应变)反映到CCD检测模块2的图像信息中。

导光管3的封闭暗腔作用能将外部的光线隔绝掉，使CCD检测模块2所接收到光源4发出并由导光管3内表面反射过来的光，得到的测量数据不受干扰，有效降低了误差。导光管3在外界环境下发生形变时，所造成的效果反映在曲率的变化上，再将这种影响传递到CCD检测模块2所接收到光信息上，接收到的光强信息是连续变化的，同时可以在较短的距离内有明显的光强变化，保证了测量的精度。在光源4不变而导光管3的曲率发生改变时，由CCD检测模块2所检测到的光强分布将发生改变，这种光强分布的改变与导光管3的曲率之间存在着良好的对应关系，如图3所示，因此利用CCD检测模块3检测到的光强分布可以得到分节导光管的曲率。并由主控模块1记录并换算出CCD检测模块2偏移原导光管3的中轴的位移量。主控模块1获取的亮度信息立刻会反映出CCD检测模块2偏移原导光管3中轴的位移量，故即可方便地得出需要测量的物件的位移数据。光线通过导光管内表面反射传播，不会受到磁场的干扰，可在强磁场环境下使用。

参见图4，以单节导光管为例，之后需求的多节导光管的装置都是相同的。导光管3的形状为圆柱形导光管，光源4和CCD检测模块2设置在导光管3的两端不同侧，CCD检测模块2设置在光源4沿导光管3中轴的延长线上。CCD检测模块2能将光源4发出的光经过导光管3内表面发射后在CCD检测模块所在位置的亮度信息转化成图像和数据两部分，图像能作为导光管偏移中轴的位移区间的判定，数据则能表示光强刚被CCD检测模块2检测到时的初始位置，在数值上可以反映出导光管3发生形变后偏离原导光管3中轴的位移量。这里所说的端部，是指位于导光管3的内表面尽头的边缘部分。光源4设置在导光管3的端部，导光管3发生形变时，从导光管3另一端接收到的光都是从光源4射入并在导光管3的内表面反射后射出的，CCD检测模块2上所接收到的亮度信息即可反映偏离原导光管3的中轴的位移量。

本实施例中的光源4为恒定光源，具有稳定的光强分布，以保证当导光管3发生形变时，在同一个位置的光照强度是相同的，避免因为光源4发光强度变化使测量出现偏差。根据不同使用环境及设备情况，可以采用不同类型的光源4，例如红外线光源4、可见光光源4、或近紫外线光源4等。本实施例中的光源4优选为单色光源4。相比于复合光，单色光在进行折射时的出射角度相同，可以保证在整个导光管3内部的光线分布及亮度变化更加平顺。

进一步地，本实施例中的光源4还可以通过恒流驱动LED灯和配光透镜实现，LED灯连接主控模块1，由主控模块1控制点亮。LED灯发出的光线，经配光透镜的作用后，形成特定的配光曲线，并沿导光管3传输，被CCD检测模块2接收。导光管3通常为圆柱体结构，准直透镜可以使绝大部分光线沿直线传输至CCD检测模块2的光线接收面，使得测量结果更加精准。

本实施例中的导光管3用于提供一光学封闭暗腔，以将外界环境中的光线隔离开来，使CCD检测模块2所接收到光源4发出并由导光管3内表面反射过来的光，得到的测量数据不受干扰，有效降低了测量误差。导光管3可以为封闭式圆柱体结构，为了减少光传输损失，其内表面还可以镀反射膜。

导光管3在外力作用下发生弯曲时，所造成的效果反映在曲率的变化上，将这种变化传递到CCD检测模块2所接收到的光信息上。在较短的距离内，CCD检测模块2接收到的光强会有明显的光强变化。对于一个稳定光源4，光照强度和与光源4之间的距离是一一对应的关系，因此通过读取出光强或亮度的变化量，参照光源4的配光曲线，便可由主控模块1计算出CCD检测模块2的偏移位移量，从而得出导光管3偏移原导光管3中轴的位移量，即导光管3的曲率。本实施例中，光线通过导光管3内表面反射传播，不会受到磁场的干扰，可在强磁场环境下使用。

主控模块1控制光源4和CCD检测模块2的启停。由于光源4的持续性发光和CCD检测模块2的持续工作既浪费能源，同时也会加速零部件的老化。所以将CCD检测模块2和光源4通过主控模块1控制，可以根据设定的频率同时启动进行位移测量，在测量完毕后再由主控模块1控制关闭，以减少闲置运行时间，节约能源，延长设备使用寿命。

本实施例中光源4发出的光沿着导光管3传播，在导光管3的另一端形成一个光强分布，这个分布可以由CCD检测模块2所测得。在光源4不变而导光管3的曲率发生改变时，由CCD检测模块2所检测到的光强分布将发生改变，这种光强分布的改变与导光管3曲率之间存在着良好的对应关系，因此利用CCD检测模块2检测到的亮度信息和光源4的配光曲线，可以得到导光管3的曲率变化，进一步可以得到检测端的位移量。将导光管3发生弯曲前后的CCD检测模块2检测到的亮度变化信息，对应换算成导光管3弯曲后偏移初始中轴位置的距离，就可以计算出导光管3的曲率变化。

上述主控模块1放置在需求导光管3的末端，且主控模块1与各节导光管3尾部放置的CCD检测模块2相连，并由主控模块1控制。这样设计有以下两个优点：1、方便而且同步读出各节末尾处的CCD检测模块2检测到数据；2、也可以同步计算出各段曲率分布以及整体导光管的偏移量。

分节导光管的长度可以为2000mm，以此长度为单位去测量需求长度导光管的曲率分布情况，且各分节导光管之间保持同轴紧固连接，在连接处保持曲率变化的连续性，不产生曲率的突变。

由于本发明提供的基于节结构导光管的曲率检测装置，结构简单，成本低，使用方便，能够快速准确地实现对轴向应变位移的测量，而且适用于强电磁场环境，所以能够应用在深层土体位移检测领域。

本发明实施例还提供了一种基于节结构导光管的深层土体位移检测装置，包括上述任一项的节结构导光管的曲率检测装置。其中主控模块连接上位机，还用于根据计算得到的多节导光管的曲率变化，计算多节导光管所处地基中的深层土体位移，并将计算结果发送至上位机。主控模块获得所有分节导光管的曲率后，进一步可以计算出整个装置的曲率分布。当本装置以竖桩方式立于地基土层中则可以测出深层土体位移，并由主控模块处理后发送给上位机。

本发明实施例还提供了一种基于节结构导光管的深层土体位移检测方法，包括以下步骤：

S100、将上述基于节结构导光管的曲率检测装置以竖桩方式立于地基土层中。

S200、点亮各节导光管中的光源；开启光源，使其发出具有一定亮度的光线，经过导光管内部顺利被CCD检测模块目标面接收。

S300、获取各节导光管中的CCD检测模块检测到的光强信息；CCD检测模块设置在导光管与光源异侧的一端，导光管的弯曲也会导致CCD检测模块发生相应的位移，相应的位移反映在目标面的亮度信息里。

S400、根据各节导光管中的光源的配光曲线和CCD检测模块发送的图像信息的亮度变化，计算多节导光管的曲率变化；通过预先设定的函数关系，将主控模块所获取的数据进行收集与整理，计算出待测导光管的曲率分布，以及导光管的偏移量。

S500、根据得到的多节导光管的曲率变化，计算多节导光管所处地基中的深层土体位移，并将计算结果发送至上位机进行显示。

本发明提供的基于节结构导光管的深层土体位移检测装置及方法，利用本发明提供的基于节结构导光管的曲率检测装置，能够快速、准确的实现对深层土体位移进行检测。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于节结构导光管的曲率检测装置，其特征在于，包括多节导光管和主控模块；

每节所述导光管中均设置有光源和CCD检测模块，所述光源和所述CCD检测模块分别位于所述导光管的两端，与所述导光管形成密闭空间，所述光源发出的光线经所述导光管传输后由所述CCD检测模块接收；

各节所述导光管依次同方向同轴紧密连接；

所述主控模块，连接每节所述导光管中的光源和所述CCD检测模块，用于控制所有的所述光源和所述CCD检测模块的工作；

所述CCD检测模块能将所述光源发出的光经过所述导光管内表面发射后在所述CCD检测模块所在位置的亮度信息转化成图像和数据两部分，图像作为所述导光管偏移中轴的位移区间的判定，数据则能表示光强刚被所述CCD检测模块检测到时的初始位置，在数值上可以反映出所述导光管发生形变后偏离原导光管中轴的位移量；

工作时，所述CCD检测模块将接收到光信号转化为图像信息发送至所述主控模块，所述主控模块根据各节所述导光管中的所述光源的配光曲线和所述CCD检测模块发送的图像信息的亮度变化，计算所述多节导光管的曲率变化；

所述基于节结构导光管的曲率检测装置应用在深层土体位移检测领域。

2.根据权利要求1所述的基于节结构导光管的曲率检测装置，其特征在于，所述导光管呈封闭式圆柱体结构,其内表面镀有反射膜。

3.根据权利要求2所述的基于节结构导光管的曲率检测装置，其特征在于，所述光源和所述CCD检测模块均固定在所述导光管的中轴线上。

4.根据权利要求1至3任一项所述的基于节结构导光管的曲率检测装置，其特征在于，所述光源为红外线光源、可见光光源、或近紫外线光源。

5.根据权利要求1至3任一项所述的基于节结构导光管的曲率检测装置，其特征在于，所述光源为单色光源。

6.根据权利要求1至3任一项所述的基于节结构导光管的曲率检测装置，其特征在于，所述光源为恒定光源。

7.根据权利要求1至3任一项所述的基于节结构导光管的曲率检测装置，其特征在于，所述光源包括LED灯和配光透镜；

所述LED灯连接所述主控模块；

所述LED灯发出的光线，经所述配光透镜后形成特定的配光曲线。

8.一种基于节结构导光管的深层土体位移检测装置，其特征在于，包括上述权利要求1至7任一项所述的基于节结构导光管的曲率检测装置；

所述主控模块，连接上位机，还用于根据计算得到的所述多节导光管的曲率变化，计算多节所述导光管所处地基中的深层土体位移，并将计算结果发送至上位机。

9.一种基于节结构导光管的深层土体位移检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

将上述权利要求1至7任一项所述的基于节结构导光管的曲率检测装置以竖桩方式立于地基土层中；

点亮各节所述导光管中的光源；

获取各节导光管中的CCD检测模块检测到的光强信息；

根据各节所述导光管中的光源的配光曲线和CCD检测模块发送的图像信息的亮度变化，计算所述多节导光管的曲率变化；

根据得到的所述多节导光管的曲率变化，计算多节所述导光管所处地基中的深层土体位移，并将计算结果发送至上位机进行显示。