CN109612399A - 基于psd和激光测距的位移形变测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于PSD和激光测距的位移形变测量装置及方法，包括激光发射端和激光接收端；激光发射端设置有激光测距机、半导体激光器和控制盒；激光接收端设置有安装于被测物的PSD位置传感器；激光测距机、半导体激光器和PSD位置传感器均通过线缆接入控制盒的数据传输接口；激光测距机和半导体激光器的两路激光光束照射在PSD位置传感器，形成两个光斑，当被测物发生位移变化时，通过PSD位置传感器测量横向位置变化数据，通过激光测距机测量纵向位置变化数据。本发明可以实现长时间、实时的、不间断连续监测，测量精度高，速度快，不需人工去现场进行测试，数据可通过无线网络传输。

Description

基于PSD和激光测距的位移形变测量装置及方法

技术领域

本发明属于隧道、桥梁监测技术领域，具体涉及一种基于PSD和 激光测距的位移形变测量装置及方法。

背景技术

综合隧道、桥梁监测的应用现状可以看出，目前采用的隧道、桥 梁结构体及所处环境监测技术大都是采用定期测试，测试传感器主要 采用电类和光学类传感器。例如采用全站仪或近景摄影测量进行隧 道、桥梁的位移监测，其测试手段是基于定期的离线测量。这样的测 量方式需要人工定期对隧道、桥梁等结构体进行测量，间断性测量的 数据不连续，对后期数据分析有一定的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于PSD和激光测距的位移形变测量 装置及方法，实现隧道、桥梁位移的实时连续监测，解决了现有技术 中存在的问题。

本发明所采用的技术方案为：

基于PSD和激光测距的位移形变测量装置，其特征在于：

包括激光发射端和激光接收端；激光发射端设置有激光测距机、 半导体激光器和控制盒；激光接收端设置有安装于被测物的PSD位 置传感器；激光测距机、半导体激光器和PSD位置传感器均通过线 缆接入控制盒的数据传输接口；

激光测距机和半导体激光器的两路激光光束照射在PSD位置传 感器，形成两个光斑，当被测物发生位移变化时，通过PSD位置传 感器测量横向位置变化数据，通过激光测距机测量纵向位置变化数 据。

激光测距机和半导体激光器的发射端处于同一竖直平面内。

激光测距机、半导体激光器和控制盒安装于激光发射端设置的固 定座上，固定座上设置有水平的安装平板，激光测距机位于安装平板 上方，半导体激光器和控制盒位于安装平板下方。

控制盒内存放有DC/DC电源板、SPC板、信号处理板、FPGA 电路以及串口通信模块，用于将激光测距数据和PSD测位数据进行 处理，并通过RS485接口进行通讯。

激光测距机为高精度相位式激光测距机。

半导体激光器为980nm波长的连续波激光器。

PSD位置传感器为二维两面型PSD位置传感器。

激光测距机和半导体激光器的两路激光光束照射在PSD位置传 感器，形成两个光斑，光斑中心距小于20mm。

基于PSD和激光测距的位移形变测量方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

利用激光测距技术和PSD测位技术对目标建筑物三维位移形变 进行测量，在被测量的目标建筑物上安装PSD位置传感器，利用激 光测距机和半导体激光器发射激光光波同时照射到PSD位置传感器 上，当目标建筑物相对于发射端发生位移形变时，激光测距机对目标 建筑物的纵向位移变形进行测量，PSD位置传感器对目标建筑物的横 向位移变形进行测量。

本发明具有以下优点：

1、长时间、实时的、不间断连续监测；

2、高速高精度测量：监测速度可达25Hz；

3、自动监测，不需人工去现场进行测试，数据可通过无线网络 传输，可通过RS485通信将处理过的数据通过无线通信模块，经过移 动网络传输到终端显示设备上。

4、具有较高的测量精度。目前设计测量精度为：X、Y轴方向± 0.5mm，Z轴(测距)方向±1.5mm。此装置在人力成本，测量精度上 相比同类型产品都有很大优势。

附图说明

图1是PSD位置传感器工作系统框图；

图2是激光发射端侧面结构图。

图3是激光发射端正面结构图。

图4是激光接收端的PSD位置传感器结构图。

图5是装置安装后的结构原理图。

图6是相位式测距原理图。

图7为X、Y轴方向测试实验数据图。

图8为Z轴方向测试实验数据图。

图中，1、激光测距机；2、半导体激光器；3、数据传输接口；4、 控制盒；5、固定座；6、控制开光；7、PSD位置传感器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及一种基于PSD和激光测距的位移形变测量装置，结合 激光测距和PSD激光测位技术，直接将建筑物的三维形变测量出来。 结构包括激光发射端和激光接收端；激光发射端设置有激光测距机1、 半导体激光器2和控制盒4；激光接收端设置有通过螺栓安装于被测 物的PSD位置传感器7，即接收靶标；激光测距机1、半导体激光器 2和PSD位置传感器7均通过线缆接入控制盒4的数据传输接口。

激光测距机1和半导体激光器2的两路激光光束照射在PSD位 置传感器7，形成两个光斑，光斑中心距小于20mm。两个光斑照射 到PSD靶面上，靶面面积有限，当被测目标大范围摆动时，可能出 现某一个光斑没有照射到靶面上，所以两个光斑的中心距尽可能小甚至重合。当被测物发生位移变化时，通过PSD位置传感器7测量横 向位置变化数据，通过激光测距机1测量纵向位置变化数据。数据传 输到控制盒内进行处理，再通过RS485通信传到无线通信模块上， 传到终端设备上。

激光测距机1和半导体激光器2的发射端处于同一竖直平面内。 激光测距机1、半导体激光器2和控制盒4通过螺栓安装于激光发射 端设置的固定座5上，固定座5上设置有水平的安装平板，激光测距 机1位于安装平板上方，半导体激光器2和控制盒4位于安装平板下 方。安装时调整激光测距机1和半导体激光器2两个激光器激光照射 在PSD位置传感器7上。

控制盒4内存放有DC/DC电源板、SPC板、信号处理板、FPGA 电路以及串口通信模块，依次通过接口或导线连接。主要是将激光测 距数据和PSD测位数据进行处理，并通过RS485接口进行通讯。

本系统要求PSD传感信号具有极强的实时性，否则由于相位滞 后,控制效果将会受到严重影响。FPGA即现场可编程门阵列，属于纯 硬件电路的设计，是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态 的，对片内RAM编写不同的程序，实现不同的配置模式。

对于FPGA提取的脱靶量数据，在外同步的每个上升沿，通过异 步串行模式发送给伺服控制器，发送采用异步串行方式。本设计采用 RS485接口实现通讯，采用全双工通信模式，探测系统将经过FPGA 计算得到的位置信息由TXD端输出，发送给外部系统(无线通信模块)。

激光测距机1为高精度相位式激光测距机，主要由光学系统、激 光器及其控制、雪崩管探测器、探测放大电路、信息处理/编码/通讯 电路及接口控制电路等组成。

为保证测距精度，又不使测量结果产生不定解，设置几种不同的 测尺频率，用不同的测尺频率测量某段距离，将得到的结果组合起来 就可以得到单一的、精确的距离值。

相位式测距原理如图6所示。一般测距公式是：

由上式可知所谓相位式测距，就是间接地测定调制光波经过时间t后所产生的相位移以代替测定时间t，从而求得光波所走过的路 程R。在图6中，A表示调制光波的发射点，B表示安置反射器的地点， A′表示所发出的调制光波经反射器反射后的接收地点(实际上，A点就 是测距仪中光波发射点，A′点就是测距仪中光波的接收点)。A-A′两 点间的距离就是光波所走过的路程，它等于待测距离R的两倍。所以 图6中的相位移实际代表了光波走过往返距离时所需的时间t_2D。由 图6可知，当用较短波长的光波测量时(图中实线波)，则得

式中N₁——零或正整数；

ΔN₁——小数，

——不足整周期(2π)的相位尾数。

将式10代入式9得：

因为令称为单位长度(也称为测尺长度)，则上式可 变为：

R＝L_S1·N₁+L_S1·ΔN₁

该式说明，测量距离R的问题就变成了求调制波在往返距离上所经过 的半波个数N₁及不足半波长L_S1的尾数(L_S1·ΔN₁)的问题。但是实际 上，调制信号在往返距离上的半波个数是无法知道的，即N₁无法确定， 因而被测距离不能被唯一确定，这就产生了不定解。然而，我们又发 现，如果将测尺长度增长，使得距离R小于测尺长度L_S2时，式11中N₁将等于零，于是式11将变为：

此时，由L_S2总是小于2π，相位测量装置能给出确定值。故距离R又变 为单位解。

由此使我们得到启示，当待测的距离较长时，为了既保证必需的 测距精度，又不使距离测量结果产生不定解，考虑到无论那种测相系 统都有测相误差，我们可以在测距仪中设置几种不同的测尺频率，即 相当于设置了几把长度不同、最小分划值也不相同的尺子，用它们同 测某段距离，然后将各自所测的结果组合起来就可得到单一的、精确 的距离值。

半导体激光器2出于人眼安全方面考虑，选用980nm波长的连 续波激光器。

PSD位置传感器7为二维两面型PSD位置传感器，主要由光学 系统、PSD位置传感器、(I/V)/AD/FPGA电路等组成，基于二维测 位技术，具有非常优越的位置分辨率，它的位置分辨率主要取决于三 维激光测位设备系统的信噪比，由于PSD输出的是模拟的光电流信号，要得到光斑的位置信息，需要后续的处理和计算，包括前置放大、 加法、减法、乘法、除法的运算等。电路中的加法、减法和除法功能 可以通过直接的数学运算来实现，而测量系统采用软件来实现原PSD 处理电路中的加法器、减法器、乘法器和除法器的模拟运算。采用软 件法,由于计算机的有效位数可达几十位，其处理精度只与前置放大 电路有关,随检测精度的不同要求,取不同的有效位数，可以使测量 精度达到更高。

激光测距工作过程：系统开机上电后，控制电路控制半导体激光 器发射一束调制光波，经目标反射的回波激光脉冲信号被雪崩管前放 组件接收，输出的电脉冲信号一路经高阈值脉冲整形电路后作为测距 计时停止信号，另一路至低阈值整形电路，作为控制雪崩管的工作电 压的信号，通过对信号的滤波、放大、整形处理，将信号送给FPGA 测相，并把测得的计数脉冲数进行处理得到距离数据。

PSD工作过程：系统开机上电后，从目标反射回来的激光光斑通 过光学系统后照射到PSD传感器的靶面上，工作在反向偏置下的PSD 传感器将光斑的位置信号转化为电流信号，分别从PSD的4个电极 输出，经过前置反相放大电路将输出的4路电流信号经放大器放大转 换为4路适合于模数转换器输入的4路电压信号,经过A/D后，最终 转换为4路数字信号被FPGA接收,FPGA将接收到的4路数据依次进 行加减乘除运算得到X和Y方向的位置信息输出到伺服控制器。

将激光测距和PSD测位技术应用到对目标建筑物三维位移形变 的测量，需要对被测量的目标建筑物安装PSD位置传感器，激光测 距光学系统和PSD光学系统发射激光光波同时照射到PSD传感器 上，当目标建筑物相对于发射端发生位移形变时，测距系统对目标物 的纵向测量，PSD系统对建筑物横向位移变形测量。

经过试验，监测到的数据如图7、图8所示，该测量方法能长时 间、实时的、高精度的对目标建筑物进行连续监测。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅 读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本 发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.基于PSD和激光测距的位移形变测量装置，其特征在于：

包括激光发射端和激光接收端；激光发射端设置有激光测距机（1）、半导体激光器（2）和控制盒（4）；激光接收端设置有安装于被测物的PSD位置传感器（7）；激光测距机（1）、半导体激光器（2）和PSD位置传感器（7）均通过线缆接入控制盒（4）的数据传输接口；

激光测距机（1）和半导体激光器（2）的两路激光光束照射在PSD位置传感器（7），形成两个光斑，当被测物发生位移变化时，通过PSD位置传感器（7）测量横向位置变化数据，通过激光测距机（1）测量纵向位置变化数据。

2.根据权利要求1所述的基于PSD和激光测距的位移形变测量装置，其特征在于：

激光测距机（1）和半导体激光器（2）的发射端处于同一竖直平面内。

3.根据权利要求2所述的基于PSD和激光测距的位移形变测量装置，其特征在于：

激光测距机（1）、半导体激光器（2）和控制盒（4）安装于激光发射端设置的固定座（5）上，固定座（5）上设置有水平的安装平板，激光测距机（1）位于安装平板上方，半导体激光器（2）和控制盒（4）位于安装平板下方。

4.根据权利要求1所述的基于PSD和激光测距的位移形变测量装置，其特征在于：

控制盒（4）内存放有DC/DC电源板、SPC板、信号处理板、FPGA电路以及串口通信模块，用于将激光测距数据和PSD测位数据进行处理，并通过RS485接口进行通讯。

5.根据权利要求1所述的基于PSD和激光测距的位移形变测量装置，其特征在于：

激光测距机（1）为高精度相位式激光测距机。

6.根据权利要求1所述的基于PSD和激光测距的位移形变测量装置，其特征在于：

半导体激光器（2）为980nm波长的连续波激光器。

7.根据权利要求1所述的基于PSD和激光测距的位移形变测量装置，其特征在于：

PSD位置传感器（7）为二维两面型PSD位置传感器。

8.根据权利要求1所述的基于PSD和激光测距的位移形变测量装置，其特征在于：

激光测距机（1）和半导体激光器（2）的两路激光光束照射在PSD位置传感器（7），形成两个光斑，光斑中心距小于20mm。

9.基于PSD和激光测距的位移形变测量方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

利用激光测距技术和PSD测位技术对目标建筑物三维位移形变进行测量，在被测量的目标建筑物上安装PSD位置传感器（7），利用激光测距机（1）和半导体激光器（2）发射激光光波同时照射到PSD位置传感器（7）上，当目标建筑物相对于发射端发生位移形变时，激光测距机（1）对目标建筑物的纵向位移变形进行测量，PSD位置传感器（7）对目标建筑物的横向位移变形进行测量。