发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题,提供一种基于激光基准面的自动化测量装置,本发明能够精确测量位移,并能对目标实现大范围大量同步采集数据。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种基于激光基准面的自动化测量装置,其特征在于:包括设于基准点的激光发射端和设于待测点的激光接收端,所述激光发射端在基准点发射面激光信号,所述激光接收端在待测点与面激光信号相交,所述激光接收端用于解析激光信号,并将解析结果发送给激光发射端。
所述激光发射端发射的面激光信号为横向平面信号、倾斜平面信号或竖向平面信号。
所述激光发射端包括主控制器、通信模块和激光发生器,激光发生器和通信模块均与主控制器连接,主控制器通过通信模块与激光接收端连接。
所述激光发生器为点激光发生器,面激光信号由点激光发生器旋转发射形成。
所述激光发生器为线激光发生器,面激光信号由线激光发生器发射形成。
所述面激光信号为扇形形状。
所述通讯模块包括均与主控制器连接的无线模块和主Lora模块,主控制器通过主Lora模块与激光接收端连接。
所述激光接收端的数量至少为一个,所述激光接收端包括从控制器、供电稳压模块、AD采集滤波模块、激光接收器、姿态环境感知模块、驱动模块和从Lora模块,从控制器、AD采集滤波模块、激光接收器、姿态环境感知模块、驱动模块和从Lora模块均与供电稳压模块连接,姿态环境感知模块和从Lora模块均与从控制器连接,从控制器通过从Lora模块与激光发射端连接;激光接收器包括控制端和输出端,从控制器通过驱动模块与控制端连接,从控制器通过AD采集滤波模块与输出端连接。
所述激光接收器为CCD传感器、PSD位置传感器、CMOS传感器或光敏元件阵列,光敏元件阵列包括多个纵向排布的光敏元件列,多个光敏元件列的高度依次递减或递增,每个光敏元件列中包括多个均匀设置的光敏元件。
所述光敏元件阵列中任意相邻两光敏元件列之间的间距为2mm,所述光敏元件阵列中任意相邻两光敏元件列之间的高度差为N/10mm (N为光敏元件列的数量,且N<10),所述光敏元件列中任意相邻两个光敏元件之间的间距大于或等于0.4mm。
所述驱动模块包括多路PMOS开关管,每一路PMOS开关管对应控制一个光敏元件列。
采用本发明的优点在于:
1、本发明将设于待测点的激光接收端与设于基准点的激光发射端所发射的面激光信号相交,使得激光接收端能够任意布设在面激光信号所覆盖区域内,且在面激光信号所覆盖区域内,激光发射端不论是固定的,还是移动的均能够实现待测目标的准确监测。激光接收端与面激光信号相交,激光接收端能够准确识别其与相交部分的面激光信号的中心位置,当待测目标发生移动时,固定在待测点的激光接收器所接收到的面激光信号的中心位置就会发生变化,激光接收器能够准确识别面激光信号的中心位置变化量,并将其发送给激光发射端,从而达到准确测量物体变形或位移的目的。另外,由于激光发射端发射的是面激光信号,因此在面激光信号内,可设置一个或多个激光接收端,每个激光接收端均能够独立、实时采集、分析处理、并将数据成果发送给激光接收端统一处理,也就是说,本发明既能够精确测量位移,又能对目标实现大范围大量同步采集数据,采集数据后还可通过上位机或远端对激光发射端同步采集的数据进行综合分析,从而得出更加准确的测量结果。
2、本发明中激光发射端发射的面激光信号为横向平面信号、倾斜平面信号或竖向平面信号,当面激光信号为横向平面信号时,适合对水平方向高度相差不大的目标进行测量;当面激光信号为倾斜平面信号时,适合对高度依次递增或递减的目标进行测量;当面激光信号为竖向平面信号时,适合对竖向方向的目标进行测量。三者相配合,就能够用于测量各种目标,适用范围广。
3、本发明中激光发射端包括主控制器、通信模块和激光发生器,激光发生器和通信模块均与主控制器连接,主控制器通过通信模块与激光接收端连接。该结构实现了测量数据的自动传输与控制。智能化程度更高。
4、本发明中激光发生器为用于仅发射一根光线的点激光发生器,面激光信号由点激光发生器旋转发射形成,该结构形成的面激光信号具有能量大、光平面覆盖范围广的优点,但其光平面有可能会存在一定的波动,可根据需要应用于不同场合。
5、本发明中激光发生器为线激光发生器,面激光信号由线激光发生器发射形成。采用线激光发生器能够形成稳定的面激光信号,有利于提高测量精度。
6、本发明中面激光信号为扇形形状,具有覆盖范围广的特点,能够与多个激光接收端配合使用,从而对待测目标实现大范围测量。
7、本发明的通讯模块包括均与主控制器连接的无线模块和主Lora模块,主控制器通过主Lora模块与激光接收端连接。通过Lora模块便于激光发射端与激光接收端的远程通信。通过无线模块便于组网,能够快速地将数据信息上传至上位机等,有利于实现远程通信和智能控制。
8、本发明中的激光接收端包括从控制器、供电稳压模块、AD采集滤波模块、激光接收器、姿态环境感知模块、驱动模块和从Lora模块,采用该结构的激光接收端能够快速而准确地对接收到的面激光信号进行解析,有利于提高测量结果的准确性。而通过姿态环境感知模块则能够实时检测激光接收器的自身状况和所处环境状态。在使用过程中,姿态和环境数据实时反馈,可实时检测激光接收器工况,并进行相应的修正或报错处理。
9、本发明中的激光接收器为CCD传感器、PSD位置传感器、CMOS传感器或光敏元件阵列,激光接收器的种类多种多样,便于制造,使用更方便。另外,将光敏器件阵列中的多个光敏器件列按高度依次递减或递增的方式进行排列,采用该特定的排列方式,能够在远距离的条件下快速而精确地实现被测目标的精确定位与测量。
10、本发明中光敏元件阵列中任意相邻两光敏元件列之间的间距为2mm,光敏元件阵列中任意相邻两光敏元件列之间的高度差为N/10mm (N为光敏元件列的数量,且N<10),光敏元件列中任意相邻两个光敏元件之间的间距大于或等于0.4mm。这样的设置方式能够将测量精度提高到N/10mm级别,还能够进一步通过重复测量次数提升精度。
11、本发明中驱动模块的每一路PMOS开关管对应控制一个光敏元件列中的多只光敏元件,能够非常方便的扩展出多路多通道的阵列驱动电路。
12、本发明中激光接收器的可选择空间大,种类多,既支持定点采集,也支持移动采集;其量程、精度可根据需求灵活定制。
13、本发明采用激光发射端发射的面激光信号,能够形成激光基准面,激光基准面的建立成本低、且长期稳定可靠;激光基准面的覆盖范围广;可以建立任意倾角的激光基准面,多个激光基准面可以相互共存。
14、本发明整套装置放在一起约5公斤重,重量非常轻,具有体积小、结构简单、易携带、低功耗及低成本的优点。且最远能够实现300m距离的准确测量。同时还具有高可靠性、高精度、高频采集、同步采集及实时在线测量等多种功能,应用场合极为广阔,市场价值庞大,可有效应对大数据采集和同步采集等高标准的技术应用场合。
具体实施方式
实施例1
本实施例公开了一种基于激光基准面的自动化测量装置,如图1所示,包括设于基准点1的激光发射端3和设于待测点2的激光接收端4,所述激光发射端3在基准点1发射面激光信号6,所述激光接收端4在待测点2与面激光信号6相交,所述激光接收端4与激光发射端3通信连接;工作时,激光接收端4用于解析接收到的激光信号,并将解析结果发送给激光发射端3。
本实施例中,所述激光发射端3的数量为一个,所述激光接收端4的数量至少为一个,即一个激光发射端3可同时对应多个激光接收端4,多个激光接收端4配合对待测目标进行测量。多个激光接收端4可独立、实时采集、分析处理,并将数据发送给激光发射端3。对待测目标实现了大范围大量同步采集数据,且激光发射端3采集到数据后可通过上位机或远端对同步采集的数据进行综合分析,从而得出更加准确的测量结果。在实际使用过程中,在面激光信号6的覆盖范围内,激光接收端4既可固定在待测目标上进行测量,也可在待测目标上移动测量。
进一步的,如图2所示,所述激光发射端3和激光接收端4的结构分别如下:
所述激光发射端3包括主控制器7、通信模块和激光发生器8,激光发生器8和通信模块均与主控制器7连接,主控制器7通过通信模块与激光接收端4连接。通讯模块包括均与主控制器7连接的无线模块9和主Lora模块10,主控制器7通过主Lora模块10与激光接收端4连接,主控制器7通过无线模块9与上位机或远端连接。其中,主控制器7采用目前市面上大部分的单片机来控制,比如STM32芯片等。
所述激光接收端4包括从控制器11、供电稳压模块18、AD采集滤波模块12、激光接收器13、姿态环境感知模块14、驱动模块15和从Lora模块16,从控制器11、AD采集滤波模块12、激光接收器13、姿态环境感知模块14、驱动模块15和从Lora模块16均与供电稳压模块18连接(图中供电稳压模块18与其余模块的连线省略),姿态环境感知模块14和从Lora模块16均与从控制器11连接,从控制器11通过从Lora模块16与激光发射端3的主Lora模块10连接;激光接收器13包括控制端和输出端,从控制器11通过驱动模块15与控制端连接,从控制器11通过AD采集滤波模块12与输出端连接。
本实施例中,所述激光接收器13可为CCD传感器、PSD位置传感器、CMOS传感器或光敏元件阵列,优选激光接收器13为由多个光敏元件组成的光敏元件阵列,如图3所示,光敏元件阵列的结构优选为:包括多个纵向排布的光敏元件列17,多个光敏元件列17的高度依次递减或递增,每个光敏元件列17中包括多个均匀设置的光敏元件。光敏元件阵列中任意相邻两光敏元件列17之间的间距为2mm,光敏元件阵列中任意相邻两光敏元件列17之间的高度差为N/10mm (N为光敏元件列17的数量,且N<10),光敏元件列17中任意相邻两个光敏元件之间的间距大于或等于0.4mm。光敏元件之间的间距根据需要的测量精度和光敏元件的规格来确定,若需要较高的测量精度,就采用较小规格的光敏元件,并辅以较小的间距即可。在实际使用时,为每只光敏元件分配唯一的物理位置,以便于快速准确地检测并计算出面激光信号6与激光接收器13相交部分在激光接收器13上的中心坐标5。
本实施例中,所述激光接收端4的从控制器11采用STM32芯片进行主控,如图4所示,该主控程序控制光敏元件分时进行数据采集、数据处理及传输。依次控制GROUP1~GROUP3端口打开,以GROUP1为例,在STM32的GROUP1对应IO端口置高能够驱动三极管Q2导通,将其集电极下拉到低电位,也同时将MOS管Q1的栅极下拉到地从而使其导通,能够为阵列式光敏元件提供集电极VCC电压,待光敏元件完全打开,再依次进行ADC采样转换,得到电压值,完成第一组光强采集,然后分时控制打开GROUP1~ GROUP3对应的光敏元件阵列进行多路AD采集,然后将采集的数据暂存在STM32的flash空间中进行计算,主控根据采集到的光源元件光强程度确定光斑的轮廓,再根据光斑的轮廓采用算法计算出光斑中心。
本实施例中,所述AD采集滤波模块12的采集原理是依托阵列的光敏元件,用光敏元件的阵列序号作为可靠的定位依据。通过前端光敏元件将光强转化为对应比例的电流,AD采集滤波模块12获取集射电流,据此完整记录面激光信号6的相关信息,最终通过从控制器11计算确定面激光信号6与光敏元件阵列相关部分的中心坐标5。如图4所示。以1#阵列为例,当Q1导通后,3.3V供电电压能够连接到组成阵列排布的光敏元件S1、S2…Sx的集电极端,其发射极经过电阻R10/R11/R12等分压,并分别对应各自的AD采集端口连接到STM32主控电路的AD采集IO端口进行AD采集。
本实施例中,所述驱动模块15包括多路PMOS开关管,每一路PMOS开关管对应控制一个光敏元件列17。如图5所示,采用多路PMOS开关管作为每个光敏元件列17是否选通的电子开关,每一只PMOS开关管控制光敏元件阵列中的一列M只光敏元件,控制其是否与+3.3V_A电源接通。每个光敏元件列17中的M只光敏元件共同连接至同一只分压电阻后再连接到GND。每个光敏元件列17与分压电阻连接的节点即是所要采集的与+3.3V_A接通的光敏元件的所受辐照度相关的电压参数值,经微处理器3计算、分析,即可得到此光敏元件的当前辐照度值。
本实施例中,如图6所示,所述激光接收端4通过光敏元件阵列来接收面激光信号6,而面激光信号6与激光接收端4的光敏元件阵列相交部分必然存在着一个光斑中心,根据指定位置激光光斑能量不变的原则,激光接收端4接收到面激光信号6后,能够准确地计算出激光光斑中心的坐标。当面激光信号6投射到激光接收端4的光敏元件阵列上时,如图7所示,其基极根据感应到不同的红外激光强度产生不同的基极驱动电流,使CE极之间电流就会发生变化,串联电阻R,其两端的电压就会发生改变,测量ADC_INx处的电压,即得到不同红外激光强度对应的比例电压。
本实施例中,所述姿态环境感知模块14用以实时检测激光接收端4当前所处的姿态情况和温湿度环境状况,其电路图如图8所示,姿态环境感知模块14通过I2C接口与从控制器11连接。具体的,可将姿态、温湿度数据与位移监测结果一同作为数组存储,将数组进行综合分析可辨识不同要素的影响程度,从而提升位移监测结果的趋势判断准确率。
本实施例中,所述供电稳压模块18的电路如图9所示,外部VCC电压首先经过FB1滤除高频干扰,再通过电容C1储能滤波,二极管D1整流送到电池管理芯片TP4056,该芯片是一款完整的单节锂离子电池采用恒定电压线性充电器将VCC电压转化为4.2V左右为锂电池充电,同时可通过稳压芯片TPS73633将电压转化为稳定的3.3V,该电压能够为STM32从控制器11、光敏元件供电,还能为通信模块供电。
本实施例中,所述无线模块9通过TXD/RXD接口与主控电路实现通信,其3.3V供电来自于主控电路。通过无线数据传输可实现发射端与接收端的通信,以及发射端与集中控制器实现的远端通信及测量数据上传,进行终端的显示以及大数据分析。
本实施例的实施原理为:
激光发射端3通过无线模块9发送采集指令或相应命令,控制激光发生器开启发射面激光信号6,激光接收器13接收到面激光信号6后,对该信号进行解析,根据光强计算光斑的边缘轮廓坐标点,并根据轮廓计算光斑中心在激光接收器13的光敏元件阵列的中心坐标5,然后通过从Lora模块16和主Lora模块10将中心坐标5发送给主控制器7,主控制器7再通过无线模块9将采集到的数据和结果发送到上位机或集中控制器。
实施例2
本实施例公开了一种基于激光基准面的自动化测量装置,如图1所示,包括设于基准点1的激光发射端3和设于待测点2的激光接收端4,所述激光发射端3在基准点1发射面激光信号6,所述激光接收端4在待测点2与面激光信号6相交,所述激光接收端4与激光发射端3通信连接;工作时,激光接收端4用于解析接收到的激光信号,并将解析结果发送给激光发射端3。
本实施例中,所述激光发射端3的数量为一个,所述激光接收端4的数量至少为一个,即一个激光发射端3可同时对应多个激光接收端4,多个激光接收端4配合对待测目标进行测量。多个激光接收端4可独立、实时采集、分析处理,并将数据发送给激光发射端3。对待测目标实现了大范围大量同步采集数据,且激光发射端3采集到数据后可通过上位机或远端对同步采集的数据进行综合分析,从而得出更加准确的测量结果。在实际使用过程中,在面激光信号6的覆盖范围内,激光接收端4既可固定在待测目标上进行测量,也可在待测目标上移动测量。
进一步的,如图2所示,所述激光发射端3和激光接收端4的结构分别如下:
所述激光发射端3包括主控制器7、通信模块和激光发生器8,激光发生器8和通信模块均与主控制器7连接,主控制器7通过通信模块与激光接收端4连接。通讯模块包括均与主控制器7连接的无线模块9和主Lora模块10,主控制器7通过主Lora模块10与激光接收端4连接,主控制器7通过无线模块9与上位机或远端连接。
所述激光接收端4包括从控制器11、供电稳压模块18、AD采集滤波模块12、激光接收器13、姿态环境感知模块14、驱动模块15和从Lora模块16,从控制器11、AD采集滤波模块12、激光接收器13、姿态环境感知模块14、驱动模块15和从Lora模块16均与供电稳压模块18连接,姿态环境感知模块14和从Lora模块16均与从控制器11连接,从控制器11通过从Lora模块16与激光发射端3的主Lora模块10连接;激光接收器13包括控制端和输出端,从控制器11通过驱动模块15与控制端连接,从控制器11通过AD采集滤波模块12与输出端连接。
本实施例中,所述激光接收器13可为CCD传感器、PSD位置传感器、CMOS传感器或光敏元件阵列,优选激光接收器13为由多个光敏元件组成的光敏元件阵列,如图3所示,光敏元件阵列的结构优选为:包括多个纵向排布的光敏元件列17,多个光敏元件列17的高度依次递减或递增,每个光敏元件列17中包括多个均匀设置的光敏元件。光敏元件阵列中任意相邻两光敏元件列17之间的间距为2mm,光敏元件阵列中任意相邻两光敏元件列17之间的高度差为N/10mm (N为光敏元件列17的数量,且N<10),光敏元件列17中任意相邻两个光敏元件之间的间距大于或等于0.4mm。在实际使用时,为每只光敏元件分配唯一的物理位置,以便于快速准确地检测并计算出面激光信号6与激光接收器13相交部分在激光接收器13上的中心坐标5。
本实施例中,所述激光发生器8为点激光发生器,仅发射一条激光光线,面激光信号6由点激光发生器旋转发射形成。具体的,可在基准点1上安装由电机等控制的旋转机构,再将点激光发生器安装在旋转机构上,旋转机构快速转动,即可带动点激光发生器快速转动,点激光发生器发射的激光光线在转动的状态下,即可构成面激光信号6。
实施例3
本实施例公开了一种基于激光基准面的自动化测量装置,如图1所示,包括设于基准点1的激光发射端3和设于待测点2的激光接收端4,所述激光发射端3在基准点1发射面激光信号6,所述激光接收端4在待测点2与面激光信号6相交,所述激光接收端4与激光发射端3通信连接;工作时,激光接收端4用于解析接收到的激光信号,并将解析结果发送给激光发射端3。
本实施例中,所述激光发射端3的数量为一个,所述激光接收端4的数量至少为一个,即一个激光发射端3可同时对应多个激光接收端4,多个激光接收端4配合对待测目标进行测量。多个激光接收端4可独立、实时采集、分析处理,并将数据发送给激光发射端3。对待测目标实现了大范围大量同步采集数据,且激光发射端3采集到数据后可通过上位机或远端对同步采集的数据进行综合分析,从而得出更加准确的测量结果。在实际使用过程中,在面激光信号6的覆盖范围内,激光接收端4既可固定在待测目标上进行测量,也可在待测目标上移动测量。
进一步的,如图2所示,所述激光发射端3和激光接收端4的结构分别如下:
所述激光发射端3包括主控制器7、通信模块和激光发生器8,激光发生器8和通信模块均与主控制器7连接,主控制器7通过通信模块与激光接收端4连接。通讯模块包括均与主控制器7连接的无线模块9和主Lora模块10,主控制器7通过主Lora模块10与激光接收端4连接,主控制器7通过无线模块9与上位机或远端连接。
所述激光接收端4包括从控制器11、供电稳压模块18、AD采集滤波模块12、激光接收器13、姿态环境感知模块14、驱动模块15和从Lora模块16,从控制器11、AD采集滤波模块12、激光接收器13、姿态环境感知模块14、驱动模块15和从Lora模块16均与供电稳压模块18连接,姿态环境感知模块14和从Lora模块16均与从控制器11连接,从控制器11通过从Lora模块16与激光发射端3的主Lora模块10连接;激光接收器13包括控制端和输出端,从控制器11通过驱动模块15与控制端连接,从控制器11通过AD采集滤波模块12与输出端连接。
本实施例中,所述激光接收器13可为CCD传感器、PSD位置传感器、CMOS传感器或光敏元件阵列,优选激光接收器13为由多个光敏元件组成的光敏元件阵列,如图3所示,光敏元件阵列的结构优选为:包括多个纵向排布的光敏元件列17,多个光敏元件列17的高度依次递减或递增,每个光敏元件列17中包括多个均匀设置的光敏元件。光敏元件阵列中任意相邻两光敏元件列17之间的间距为2mm,光敏元件阵列中任意相邻两光敏元件列17之间的高度差为N/10mm (N为光敏元件列17的数量,且N<10),光敏元件列17中任意相邻两个光敏元件之间的间距大于或等于0.4mm。在实际使用时,为每只光敏元件分配唯一的物理位置,以便于快速准确地检测并计算出面激光信号6与激光接收器13相交部分在激光接收器13上的中心坐标5。
本实施例中,所述激光发生器8为线激光发生器,线激光发生器用于发射具有一定夹角的激光光幕,面激光信号6由线激光发生器发射形成。具体的,在实际使用过程中,还可采用多个不同扩散角的线激光发生器其共光平面,具有一定重叠叠加即可,从而投射出具有一定夹角、呈现扇形分布,且具有一定厚度的面激光信号6。
实施例4
在实施例1-实施例3中任一实施例的基础上,所述激光发射端3发射的面激光信号6为横向平面信号、倾斜平面信号或竖向平面信号。当面激光信号6为横向平面信号时,适合对水平方向高度相差不大的目标进行测量;当面激光信号6为倾斜平面信号时,适合对高度依次递增或递减的目标进行测量;当面激光信号6为竖向平面信号时,适合对竖向方向的目标进行测量。三者相配合,能够用于测量各种目标,适用范围广。