CN109751967B - 基于光纤和gnss的高精度大量程三维形变监测装置 - Google Patents
基于光纤和gnss的高精度大量程三维形变监测装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109751967B CN109751967B CN201910106129.3A CN201910106129A CN109751967B CN 109751967 B CN109751967 B CN 109751967B CN 201910106129 A CN201910106129 A CN 201910106129A CN 109751967 B CN109751967 B CN 109751967B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- optical fiber
- gnss
- measuring instrument
- length
- interference measuring
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 101
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims abstract description 37
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 9
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 6
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 14
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 13
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000002789 length control Methods 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
一种基于光纤和GNSS的高精度大量程三维形变监测装置，其特征在于：包括一个GNSS参考站、一个上位机、一个基板、四个GNSS接收机、一个光纤干涉测量仪，基板上设有一个中心引接点以及环绕在中心引接点四周的三个外围引接点，三个外围引接点均与中心引接点通过光纤和光栅传感器连接成Y型，基板上还设有用于调节Y型光纤各边长度的长度自动调节装置，四个GNSS接收机分别设置在中心引接点和三个外围引接点处，三个外围引接点均与光纤干涉测量仪的三个接口连接，中心引接点处设有反射装置。该基于光纤和GNSS的高精度大量程三维形变监测装置既可进行三维测定，且测量精度高、量程大。
Description
技术领域
本发明涉及形变监测技术领域，具体涉及一种基于光纤和GNSS的高精度大量程三维形变监测装置。
背景技术
当前对缓慢形变对象的形变监测手段主要有包含GPS北斗卫星导航定位系统在内的全球卫星导航定位系统(GNSS)、以及光栅光纤技术。而对监测对象进行形变监测能达到的精度是评价监测装置的主要性能指标。
但是GNSS监测技术和光栅光纤技术在监测形变时分别存在如下缺陷：
GNSS技术：利用L波段的GNSS技术可以对监测对像进行全天时、全天候自动化的形变监测。形变监测精度理论上可以达到2mm，但是在实际的应用场景中，GNSS接收机的天线受到多路径影响，这大大降低了观测值的精度。此外，在边坡等应用场景中，监测对象往往遮挡卫星信号，从而造成卫星几何结构不佳导致形变解算精度降低，严重情况下，可视卫星不足，无法实现形变结果的解算。
光栅光纤技术：可以对监测对象实现纳米级的形变信息的提取，监测精度较高。但是光栅光纤技术适用的最大形变量是由其引接点之间的光纤长度决定的，最大量程Δl＝0.01L，L为引接点之间的光纤长度。当形变量大于最大量程时，引接点之间的光纤会断裂，造成监测失败。在一些应用场景中形变量往往有几个厘米甚至几个分米。过度地增加引接点之间的光纤长度会造成传感器的尺寸变大，往往不利于传感器的布设。此外，利用光栅光纤技术还有另外一个缺点，即光栅光纤技术只能监测两个引接点之间的光纤长度的相对形变量，当两个引接点在向同一个方向变化相同距离时，光栅光纤技术无法监测出这一类形变。最后，光栅光纤技术只能获得光纤布设方向的形变量，无法像GNSS技术一样获得三维方向的形变量。
因此GNSS监测技术存在精度不高的问题，而光栅光纤监控技术存在形变量程受限且不能获得三维形变监测结果的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种既可进行三维测定，且测量精度高、量程大的基于光纤和GNSS的高精度大量程三维形变监测装置。
本发明的技术解决方案是：一种基于光纤和GNSS的高精度大量程三维形变监测装置，其特征在于：包括一个GNSS参考站、一个上位机、一个基板、四个GNSS接收机、一个光纤干涉测量仪，所述基板上设有一个中心引接点以及环绕在中心引接点四周的三个外围引接点，所述中心引接点和三个外围引接点处均设有用于与被测对象相固定的紧固装置，所述三个外围引接点均与中心引接点通过光纤和光栅传感器连接成Y型，所述基板上还设有用于调节Y型光纤各边长度的长度自动调节装置，所述四个GNSS接收机分别设置在中心引接点和三个外围引接点处，所述三个外围引接点均与光纤干涉测量仪的三个接口连接用于输入光路信号并返回光路信号，所述中心引接点处设有反射装置用于将各外围引接点处输入到中心引接点处的光路信号按原路反射回去，所述光纤干涉测量仪、各GNSS接收机、各长度自动调节装置均与上位机通信连接，所述上位机还与GNSS参考站通信连接。
本发明工作过程如下：
将基板的中心引接点和外围引接点均通过紧固装置安装在被测对象上，三个外围引接点均与中心引接点均通过光纤和光栅传感器连接成Y型，且Y型光纤的各边还能通过长度自动调节装置来调节各边的长度；工作时，各GNSS接收机实时接收各引接点处的位置信号并上传上位机，同时GNSS参考站也实时向上位机发送参考站的位置信息，上位机根据各GNSS接收机和GNSS参考站发送的位置信息，精确获得各外围引接点与中心引接点之间的位置变化，从而得到被测对象在三维空间内的位置与姿态变化；同时通过Y型光纤各边的光栅传感器与光纤干涉测量仪可以获得被测对象在光纤布设方向上的形变，由光纤获取的光纤布设方向上的形变相比GNSS获取的光纤布设方向上的形变精度更高；此外在Y型光纤相应边的形变超过最大量程时，由上位机控制长度自动调节装置来调节相应边的光纤长度以防止光纤断裂，相应边的光纤长度调节实际上也调节了相应外围引接点与中心引接点的相对位置，在调节过程中利用GNSS接收机来检测外围引接点与中心引接点的相对位置变化，从而使得相应边的光纤长度能够获得准确的调整，因此可以克服光纤检测受量程限制的问题，并且可以准确调整光纤的长度以满足使用需求。
采用上述结构后，本发明具有以下优点：
本发明基于光纤和GNSS的高精度大量程三维形变监测装置既可利用GNSS接收机和GNSS参考站发送的位置信息获得被测对象在三维空间上的位置与姿态变化；又可通过Y型光纤各边的光栅传感器与光纤干涉测量仪获得被测对象在光纤布设方向上的形变，从而可以在光纤布设方向上获得精度较高的形变检测结果；此外在Y型光纤相应边的形变超过最大量程时，由上位机控制长度自动调节装置来调节相应边的光纤长度以防止光纤断裂，并且在调节过程中利用GNSS接收机来检测外围引接点与中心引接点的相对位置变化，从而可以精确调整光纤长度并克服光纤检测受量程限制的问题，可测量程较大。
作为优选，所述GNSS参考站距离被测对象不超过20km。该设置可使各引接点处接收的位置信号更稳定、可靠、精确。
作为优选，所述三个外围引接点均匀分布在以中心引接点为圆心的同一圆上。该设置不仅使得整体设计简化，而且能获得较佳方向上的形变结果，形变信息参考价值更高。
作为优选，Y型光纤的各边靠近中心引接点的一端固定，所述长度自动调节装置包括设置在靠近各外围引接点处的两个相对设置的齿轮，所述两个齿轮之间设有用于夹持靠近相应外围引接点处的光纤的缝隙，还包括设置在基板上的用于驱动两个齿轮旋转以收紧或拉长Y型光纤相应边长度的驱动装置，各长度自动调节装置与上位机通信连接，是指各长度自动调节装置的驱动装置与上位机通信连接。该长度自动调节装置结构简单、易于操作，且长度控制精确可靠。
附图说明：
图1为本发明基于光纤和GNSS的高精度大量程三维形变监测装置的结构示意图；
图2为本发明基板上各元件的分布示意图；
图3为本发明齿轮与光纤的配合示意图；
图中：1-GNSS参考站，2-上位机，3-基板，4-GNSS接收机，5-光纤干涉测量仪，6-中心引接点，7-外围引接点，8-紧固装置，9-光纤，10-光栅传感器，11-长度自动调节装置，12-反射装置，13-齿轮。
具体实施方式
下面结合附图，并结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例：
如图1、图2、图3所示，一种基于光纤和GNSS的高精度大量程三维形变监测装置，包括一个GNSS参考站1、一个上位机2、一个基板3、四个GNSS接收机4、一个光纤干涉测量仪5，所述基板3上设有一个中心引接点6以及环绕在中心引接点6四周的三个外围引接点7，所述中心引接点6和三个外围引接点7处均设有用于与被测对象相固定的紧固装置8，紧固装置8例如铆钉，所述三个外围引接点7均与中心引接点6通过光纤9和光栅传感器10连接成Y型，所述基板3上还设有用于调节Y型光纤9各边长度的长度自动调节装置11，所述四个GNSS接收机4分别设置在中心引接点6和三个外围引接点7处，图1中为使图片整洁，将四个GNSS接收机4移动到旁边，实际物理位置如图2所示，各GNSS接收机4的位置是与中心引接点6和三个外围引接点7的位置相对应的，所述三个外围引接点7均与光纤干涉测量仪5的三个接口连接用于输入光路信号并返回光路信号，所述中心引接点6处设有反射装置12用于将各外围引接点7处输入到中心引接点6处的光路信号按原路反射回去，所述光纤干涉测量仪5、各GNSS接收机4、各长度自动调节装置11均与上位机2通信连接，例如通过串口通信连接，所述上位机2还与GNSS参考站1通信连接，例如通过无线网桥实现通信连接。
本发明基于光纤和GNSS的高精度大量程三维形变监测装置既可利用GNSS接收机4和GNSS参考站1发送的位置信息获得被测对象在三维空间上的位置与姿态变化；又可通过Y型光纤9各边的光栅传感器10与光纤干涉测量仪5获得被测对象在光纤9布设方向上的形变，从而可以在光纤9布设方向上获得精度较高的形变检测结果；此外在Y型光纤9相应边的形变超过最大量程时，由上位机2控制长度自动调节装置11来调节相应边的光纤9长度以防止光纤9断裂，并且在调节过程中利用GNSS接收机4来检测外围引接点7与中心引接点6的相对位置变化，从而可以精确调整光纤长度并克服光纤9检测受量程限制的问题，可测量程较大。
作为优选，所述GNSS参考站1距离被测对象不超过20km。该设置可使各引接点处接收的位置信号更稳定、可靠、精确。
作为优选，所述三个外围引接点7均匀分布在以中心引接点6为圆心的同一圆上。该设置不仅使得整体设计简化，而且能获得更多方向上的形变结果，形变信息参考价值更高。
作为优选，Y型光纤9的各边靠近中心引接点6的一端固定，所述长度自动调节装置11包括设置在靠近各外围引接点7处的两个相对设置的齿轮13，所述两个齿轮13之间设有用于夹持靠近相应外围引接点7处的光纤9的缝隙，还包括设置在基板3上的用于驱动两个齿轮13旋转以收紧或拉长Y型光纤9相应边长度的驱动装置，各长度自动调节装置11与上位机2通信连接，是指各长度自动调节装置11的驱动装置与上位机2通信连接，驱动装置例如电机，两个齿轮13可以由两个电机分别驱动，也可由一个电机通过传动机构驱动两个齿轮13，电机与齿轮13的连接结构采用现有技术即可，这里不再赘述。该长度自动调节装置11结构简单、易于操作，且长度控制精确可靠。
Claims (4)
1.一种基于光纤和GNSS的高精度大量程三维形变监测装置，其特征在于：包括一个GNSS参考站(1)、一个上位机(2)、一个基板(3)、四个GNSS接收机(4)、一个光纤干涉测量仪(5)，所述基板(3)上设有一个中心引接点(6)以及环绕在中心引接点(6)四周的三个外围引接点(7)，所述中心引接点(6)和三个外围引接点(7)处均设有用于与被测对象相固定的紧固装置(8)，所述三个外围引接点(7)均与中心引接点(6)通过光纤(9)和光栅传感器(10)连接成Y型，所述基板(3)上还设有用于调节Y型光纤(9)各边长度的长度自动调节装置(11)，所述四个GNSS接收机(4)分别设置在中心引接点(6)和三个外围引接点(7)处，所述三个外围引接点(7)均与光纤干涉测量仪(5)的三个接口连接用于输入光路信号并返回光路信号，所述中心引接点(6)处设有反射装置(12)用于将各外围引接点(7)处输入到中心引接点(6)处的光路信号按原路反射回去，所述光纤干涉测量仪(5)、各GNSS接收机(4)、各长度自动调节装置(11)均与上位机(2)通过串口通信连接，所述上位机(2)还与GNSS参考站(1)通过无线网桥实现通信连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤和GNSS的高精度大量程三维形变监测装置，其特征在于：所述GNSS参考站(1)距离被测对象不超过20km。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤和GNSS的高精度大量程三维形变监测装置，其特征在于：所述三个外围引接点(7)均匀分布在以中心引接点(6)为圆心的同一圆上。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤和GNSS的高精度大量程三维形变监测装置，其特征在于：Y型光纤(9)的各边靠近中心引接点(6)的一端固定，所述长度自动调节装置(11)包括设置在各外围引接点(7)处的两个相对设置的齿轮(13)，所述两个齿轮(13)之间设有用于夹持靠近相应外围引接点(7)处的光纤(9)的缝隙，还包括设置在基板(3)上的用于驱动两个齿轮(13)旋转以收紧或拉长Y型光纤(9)相应边长度的驱动装置，各长度自动调节装置(11)与上位机(2)通信连接，是指各长度自动调节装置(11)的驱动装置与上位机(2)通信连接。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910106129.3A CN109751967B (zh) | 2019-02-02 | 2019-02-02 | 基于光纤和gnss的高精度大量程三维形变监测装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910106129.3A CN109751967B (zh) | 2019-02-02 | 2019-02-02 | 基于光纤和gnss的高精度大量程三维形变监测装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109751967A CN109751967A (zh) | 2019-05-14 |
| CN109751967B true CN109751967B (zh) | 2023-11-21 |
Family
ID=66407307
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910106129.3A Active CN109751967B (zh) | 2019-02-02 | 2019-02-02 | 基于光纤和gnss的高精度大量程三维形变监测装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109751967B (zh) |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB9828469D0 (en) * | 1998-12-24 | 1999-02-17 | British Aerospace | A modulated fibre bragg grating strain gauge assembly for absolute gauging of strain |
| WO2001009565A1 (en) * | 1999-08-03 | 2001-02-08 | Korea Advanced Institute Of Science And Technology | System for sensing strain in optical fiber structure |
| JP2004061112A (ja) * | 2002-07-24 | 2004-02-26 | Ntt Infranet Co Ltd | 光ファイバ歪みセンサによる変位測定方法 |
| JP2006266992A (ja) * | 2005-03-25 | 2006-10-05 | Public Works Research Institute | 地すべり計測装置および方式 |
| CN101874194A (zh) * | 2007-09-17 | 2010-10-27 | 纽伦堡应用技术大学格奥尔格西蒙欧姆大学 | 用于测量风力发电设备形变的光纤传感器 |
| WO2016000034A1 (en) * | 2014-06-30 | 2016-01-07 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation | Deformation measurement method and apparatus |
| WO2016080415A1 (ja) * | 2014-11-17 | 2016-05-26 | 国立大学法人東京農工大学 | 測定装置およびセンサシステム |
| CN205537523U (zh) * | 2016-03-18 | 2016-08-31 | 沈阳建筑大学 | 一种可调量程和精度的大量程光纤光栅位移传感器 |
| WO2016209099A1 (en) * | 2015-06-24 | 2016-12-29 | SHM System Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością | Method for measuring the displacement profile of buildings and sensor therefor |
| CN108768506A (zh) * | 2018-04-08 | 2018-11-06 | 四川泰富地面北斗科技股份有限公司 | 一种基于共同门限的多元多频共视比对授时方法 |
| CN209355873U (zh) * | 2019-02-02 | 2019-09-06 | 宁波诺丁汉大学 | 基于光纤和gnss的高精度大量程三维形变监测装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7646946B2 (en) * | 2008-04-03 | 2010-01-12 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Intensity modulated fiber optic strain sensor |
-
2019
- 2019-02-02 CN CN201910106129.3A patent/CN109751967B/zh active Active
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB9828469D0 (en) * | 1998-12-24 | 1999-02-17 | British Aerospace | A modulated fibre bragg grating strain gauge assembly for absolute gauging of strain |
| WO2001009565A1 (en) * | 1999-08-03 | 2001-02-08 | Korea Advanced Institute Of Science And Technology | System for sensing strain in optical fiber structure |
| JP2004061112A (ja) * | 2002-07-24 | 2004-02-26 | Ntt Infranet Co Ltd | 光ファイバ歪みセンサによる変位測定方法 |
| JP2006266992A (ja) * | 2005-03-25 | 2006-10-05 | Public Works Research Institute | 地すべり計測装置および方式 |
| CN101874194A (zh) * | 2007-09-17 | 2010-10-27 | 纽伦堡应用技术大学格奥尔格西蒙欧姆大学 | 用于测量风力发电设备形变的光纤传感器 |
| WO2016000034A1 (en) * | 2014-06-30 | 2016-01-07 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation | Deformation measurement method and apparatus |
| WO2016080415A1 (ja) * | 2014-11-17 | 2016-05-26 | 国立大学法人東京農工大学 | 測定装置およびセンサシステム |
| WO2016209099A1 (en) * | 2015-06-24 | 2016-12-29 | SHM System Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością | Method for measuring the displacement profile of buildings and sensor therefor |
| CN205537523U (zh) * | 2016-03-18 | 2016-08-31 | 沈阳建筑大学 | 一种可调量程和精度的大量程光纤光栅位移传感器 |
| CN108768506A (zh) * | 2018-04-08 | 2018-11-06 | 四川泰富地面北斗科技股份有限公司 | 一种基于共同门限的多元多频共视比对授时方法 |
| CN209355873U (zh) * | 2019-02-02 | 2019-09-06 | 宁波诺丁汉大学 | 基于光纤和gnss的高精度大量程三维形变监测装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109751967A (zh) | 2019-05-14 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101339003B (zh) | 大结构水平二维位移自动测量装置及方法 | |
| CN100410642C (zh) | 光学系统光轴与其安装基面垂直度的检测方法 | |
| CN106091946B (zh) | 用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量装置及方法 | |
| CN101915986B (zh) | 主动式二维跟踪瞄准仪 | |
| CN110542417B (zh) | 基于静态和和动态倾角仪校正的陀螺仪线形测量方法与系统 | |
| CN101504272B (zh) | 一种大型结构体姿态及位移变形的像机网络摄像测量方法及装置 | |
| CN106197287B (zh) | 用于大型结构物变形或位移参数的自校准式测量装置及方法 | |
| CN103344185A (zh) | 一种非接触式位移自动监测装置 | |
| CN105509702A (zh) | 光电惯性校靶系统三维空间角度测量仪 | |
| CN105716593A (zh) | 一种用于光电侦察系统定向定位精度测试的测试装置及测试方法 | |
| CN107727118B (zh) | 大型飞行器中的gnc分系统设备姿态测量系统标定方法 | |
| CN103033170B (zh) | 一种利用录像法监测危岩体崩塌的装置与方法 | |
| CN102353520B (zh) | 一种用于光纤延迟线测量系统的延迟量测量方法及其实现装置 | |
| CN111736170A (zh) | 一种监测路堑边坡变形度的装置和方法 | |
| CN109751967B (zh) | 基于光纤和gnss的高精度大量程三维形变监测装置 | |
| CN100590382C (zh) | 大型平台变形量的光电测量方法 | |
| CN112557768A (zh) | 片上天线测试系统及测试方法 | |
| CN209355873U (zh) | 基于光纤和gnss的高精度大量程三维形变监测装置 | |
| CN108363072B (zh) | 一种激光雷达及其制造方法 | |
| CN110806573A (zh) | 一种针对激光测距机的室内测距精度实时测量的装置 | |
| CN109443211A (zh) | 一种空间三维位置测量装置 | |
| CN105846039A (zh) | 天线及其姿态数据获取装置、监控系统和方法 | |
| CN113364545B (zh) | 卫星激光通信终端跟踪精度的地面测试装置及测试方法 | |
| CN102494665B (zh) | 基于激光通信测量经纬仪设备扭转角的方法 | |
| CN206339488U (zh) | 无需gps的无人机的地面定位装置及气体遥测系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |