CN1439863A - 可变精度激光电子二维倾角测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变精度激光电子二维倾角测量方法及其装置，该方法是通过在液体水平面或其漂浮物表面的上方设置一反射镜，利用液体表面多次光反射，将倾角变化进行放大，从而实现倾角和倾角变化的高精度和可变精度的测量；利用本发明实现的可变精度激光电子二维倾角测量的仪器，可以调整反射次数、放大系数，系统结构简单、体积小、稳定可靠、成本低。还可以采用无线专用设备、无线公共网、有线专用设备、有线公共网进行远程数据传输和信号通讯。可广泛应用于建筑工程、军事、工业生产、各种建筑和检测领域的倾角监测等领域。

Description

可变精度激光电子二维倾角测量方法及其装置

一、所属领域：

本发明涉及一种倾角测量装置，进一步涉及一种可变精度光电倾角测量方法及其装置。

二、背景技术

目前倾斜角传感器多采用重力摆的结构。通过物体重力方向始终指向地心的基本原理，将倾角变化转换成位置变化来实现对倾角的测量。倾角变化信号提取主要采用激光位移测量利用PSD光电转换器件来实现。也有利用新型SMR敏感元件，将倾斜角度的变化转换成电信号输出。另外一种倾角测量采用电感测量传感器，用于确定可以相对于固定外壳移动的物体的位置，从而实现倾角测量。德国霍斯特塞德尔两合公司的发明特征在于，移动体包括测量传感器，该传感器产生在限制区域上延伸的交变磁场；还在于所说交变磁场穿过至少一个与外壳连接的导体回路并沿测量长度延伸。通过电路对正向和反向线路之间的电压差值求平均值并将其馈送到输出。将所说电感传感器用于测量固定外壳和轴之间角度的系统。但这类倾角测量方法其测量精度均低于30″。满足不了高精度倾角测量的要求。

三、发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于，提供一种利用液体表面或者其漂浮物多次光反射，将倾角变化进行放大，从而实现倾角和倾角变化的可变精度测量方法机器装置。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种可变精度激光电子二维倾角测量方法，其特点是，按以下方式进行：

1)在液体水平面或其漂浮物表面的上方设置一反射镜，光源发出的光经过光学系统准直后入射到液体表面上，液体表面与反射镜构成多次反射的光学系统，光电传感器将倾角信号传送给单片机进行数据信号处理、数据存储、数据输出和显示；

2)该系统将角度变化转换成光点的位置变化，通过一次或多次反射折射进行光学位移放大，利用该位移进行二维倾角测量，能够同时测量与水平面X-Y两个方向的二维倾角，通过光电器件上光点的位置变化信号输出，从而解调出倾角变化；

3)如图1所示，光点在光电传感器上的位移(D)与倾角(β)的关系为： $D=\underset{j=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}2\mathrm{Htg}(\mathrm{\θ}+2\mathrm{j\β})+\mathrm{Htg}(\mathrm{\θ}+2\mathrm{n\β})-2(n-1)\mathrm{Htg}\left(\mathrm{\θ}\right).....\left(1\right)$

激光入射光点至光电器件接收光点的位置距离为：

                 L＝2nHtg(θ)............        (2)

上式中n表示下表面反射光反射次数，H为上下反射表面的间距，θ为入射光源与重力方向间的夹角，β位倾角。

所述光电器件可以是PSD或CCD或CMOS摄像机。

所述液体水平面所在空间抽真空或充惰性气体，防止液面发生物理或化学变化。

所述光学系统还可以有多功能通讯接口，该接口既可进行有线通讯，也可实现无线通讯。

所述多功能通讯接口上可以连接无线专用设备或无线公共网或有线专用设备或有线公共网，进行远程数据传输和信号通讯。

所述液体是水银或其它可以反光的液态物质，或能承载反射面的液态物质。

实现上述高精度激光电子二维倾角测量方法的仪器，其特点是，该仪器包括：

一架体，该架体的底部设有由内坯、玻璃台和玻璃板所构成的密封空腔，在密封空腔内装有液体，液体的上方的玻璃板的下表面设置有反射膜，架体密封空腔的液体上方设置有一穿过架体并且用于给密封空腔抽真空或充惰性气体的无氧铜管；

在架体上部的一端设置有倾斜角度的激光器支架，激光器支架上通过螺钉固定安装有激光器，激光器穿过盖板上的孔进入架体的内腔，并靠近密封空腔；架体内腔的另一端安装有感光器件，感光器件通过一带有倾斜角度的支架固定在架体上；盖板的下表面设置有电路板，电路板由铜柱固定在盖板上；电路板与感光器通过插头座实现连接。

本发明是一种可变精度激光电子二维倾角测量的仪器，可以调整反射次数、放大系数，系统结构简单、稳定可靠、成本低。还可以采用无线专用设备、无线公共网、有线专用设备、有线公共网进行远程数据传输和信号通讯。

四、附图说明

图1 可变精度激光电子二维倾角测量仪原理示意图；

图2 H＝50mm θ＝8度β-D关系曲线；

图3 H＝100mm θ＝8度β-D关系曲线；

图4 倾角测量仪数据处理与传输原理示意图；

图5 可变精度激光电子二维倾角测量仪实施示例原理示意图；图中符号所表示：1、架体，2、内坯，3、玻璃台，4、玻璃板，5、PSD支架，6、盖板，7、PSD激光器，8、电路板，9、感光器，10、插头座，11、无氧铜管，12、螺钉，13、铜柱，14、激光器支架，15反射膜。16水银。

五、具体实施方式

以下结合附图和发明人依本发明的技术方案所完成的实施例对本发明作进一步的详细描述。

5.1可变精度激光电子二维倾角测量方法

参见图1～3；图1、可变精度激光电子二维倾角测量仪原理示意图；图2H＝50mm θ＝8度β-D关系曲线；图3  H＝100mm θ＝8度β-D关系曲线。

可变精度激光电子二维倾角测量方法，按以下方式进行：

1)在液体水平面或其漂浮物表面的上方设置光电器件，液体表面上设置一反射镜，光源发出的光经过光学系统准直后入射到液体或漂浮物表面上，液体表面与反射镜构成多次反射的光学系统，该光学系统配置有单片机进行控制、数据存储、数据输出和显示；

2)该光学系统对反射面的角度变化形成多次反射放大，并将角度变化转换成光点的位置变化，通过光电器件测量光点位移，进行一次或多次反射折射并进行光学位移放大，利用该光斑位移进行二维倾角测量，能够同时测量与水平面X-Y两个方向的二维倾角，通过光电器件上光点的位置变化信号输出，从而解调出反射面的角度变化；

本发明的基本原理是利用液体表面在重力作用下平衡时可形成绝对水平面，利用该水平面或其漂浮物表面一次或多次反射折射来实现光学位移放大，从而实现高精度倾角测量，再调整仪器内部液面和反射面的距离，即可实现可变精度测量。方法的原理示意图如图1所示，光源发出的光经过光学系统准直后入射到液体表面上，液体表面与一反射镜构成多次反射光学系统，该光学系统对反射面的角度变化形成多次反射放大，并将角度变化转换成光点的位置变化，通过PSD上光点的位置变化信号输出，从而解调出反射面的角度变化。上反射面相对固定，由于下反射面是液体，利用其重力原理就可测量其倾角。

利用反射定律、三角关系可得到光点在光电传感器(如PSD、CCD等)上的位移D与倾角β的关系为： $D=\underset{j=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}2\mathrm{Htg}(\mathrm{\θ}+2\mathrm{j\β})+\mathrm{Htg}(\mathrm{\θ}+2\mathrm{n\β})-2(n-1)\mathrm{Htg}\left(\mathrm{\θ}\right)......\left(1\right)$

激光入射光点至PSD接收光点的位置距离为：

 L＝2nHtg(θ).........          ...(2)

(1)式决定测量系统的分辨率，(2)式决定了测量仪器的尺寸大小。

如图1所示，上式中n表示下表面反射光反射次数。H为上下反射表面的间距。θ为入射光源与重力方向间的夹角。

图2为公式(1)在H＝50mm，θ＝8度，n＝6时的θ-D关系曲线。由曲线可知，当D的分辨率为6微米时，倾角β的分辨率为0.34秒。

图3为H＝100mm，θ＝8度，n＝6时β-D关系曲线，当D的分辨率为6微米时，倾角β的分辨率为0.17秒。5.2可变精度激光电子二维倾角测量方法的仪器

参见图4，该仪器包括：

一架体1，该架体1的底部设有由内坯2、玻璃台3和玻璃板4所构成的密封空腔，在密封空腔内装有液体16，液体16上方的玻璃板4的下表面设置有反射膜15，架体1密封空腔的液体上方设置有一穿过架体1并且用于给密封空腔抽真空或充惰性气体的无氧铜管11；

在架体1上部的一端设置有倾斜角度的激光器支架14，激光器支架14上通过螺钉12固定安装有D激光器7，D激光器7穿过盖板6上的孔进入架体1的内腔，并靠近密封空腔；架体1内腔的另一端安装有感光器9，感光器9通过一带有倾斜角度的支架5固定在架体1上；盖板6的下表面设置有电路板8，电路板8由铜柱13固定在盖板6上；电路板8与感光器9通过插头座10实现连接。

如图4所示，激光器支架14固定在架体1上，其倾斜角为8度，激光器7固定激光器支架5上，且通过盖板6的通孔。给激光器7通电后，激光就以8度的入射角斜照在水银16面上，反射光照在玻璃板4上……，经过玻璃板4的下表面设置的反射膜15多次(本例中在水银面上是6次)反射后，激光照在感光器9上。感光器9固定在倾斜8度的PSD支架5上，在稳定的情况下，反射光照在感光器9的中心。

在稳定的重力场中，水银面总是保持水平。若所测的平面倾斜，则此平面带动架体1使水银面与玻璃板4面产生一个夹角β，光路经过多次反射后，此夹角被放大，从而感光器9中心的光斑产生位移D，D与β的关系如式(1)所述。这就把测量角度的问题转化为测量位移的问题。

在图4的结构中，腔体是用来盛装具有反射作用或支撑反射面的液体，这样可以把被测结构的倾角变化通过入射光相对腔体不变，可是液体的表面相对腔体发生变化，通过出射角度的变化可以测量出液体表面的倾斜度，进而得出被测物体的倾斜角。玻璃板的作用是封闭反射用的液体，而且在上面装有一反射作用的薄膜，其作用就是为了反射经过液体表面反射的光线，形成多次反射，达到放大被测倾角的作用。激光器为这个装置提供光源，要求和水平液体表面有一合适的夹角。光电器件是用来接收经过反射膜和反射液体表面的出射光线，把光线变化的角度转换为可以通过计算机或者其他数据处理仪器可以接收的信号，它的接收面应该和激光器的出射面有一定的夹角。激光器支架和传感器支架的主要作用就是为了固定这两者的位置，保证一定的角度。盖板的下方有电路板，它对光电器件收集到的信号进行初步处理放大等。5.3显示及通讯接口

参见图5，图5是倾角测量仪数据处理与传输原理示意图；本发明倾角测量仪充分考虑到产品的实用性和使用方便性，系统自身拥有单片机进行控制、数据输入和输出和显示，同时拥有RS485通讯接口，与远程通讯计算机进行通讯，利用公用数据网进行远程数据传输和通讯。

光电传感器PSD的输出信号通过AD713进行了放大和隔离，通过AD7888进行模数转换，将数据送入单片机AT89C52。数据进入单片机后由其进行必要的数学模型运算处理得到相关的倾角或倾角变化值。

在现场是通过液晶模块TM12864A进行倾角和倾角变化显示，也可以用单片机进行数据存储并驱动打印机输出数据。

数据的远程传输通过SN75176接口实现485通讯，与监测计算机进行数据交换，监测计算机与远程计算机通过公用网络(Internet)或专用网络实现数据传输。

具体实施示例：

设计倾角测量精度为3秒的测量系统。上下反射面间距H＝50mm，PSD大小为12mm，此时θ＝8度时系统的体积小，在n＝6时的θ-D关系曲线如图3所示。由曲线可知，当D的分辨率为6微米时，公式(1)倾角β的分辨率为0.34秒，此时倾角测量精度能够达到3秒。实施实例的结构图如图4所示，液面采用水银实现。激光器发出的激光经过液体表面和上反射面多次反射后，到达光电转换器件，倾角的变化就转换为激光点在光电器件上的位移，通过测量出光电的位移就可得到倾角或倾角的变化。为了保障水银表面长时间不被氧化，系统采用抽真空，然后充氦气约1.2个大气压。从而实施对液体表面的保护。

本发明采用高频开关电源为系统供电，从而减小了系统的体积和重量，使电源的效率提高。同时采用附加充电电池供电，提高了系统的可靠性。

Claims (8)

1.一种可变精度激光电子二维倾角测量方法，其特征在于，按以下方式进行：

1)在液面或其漂浮物表面的上方设置一反射镜，光源发出的光经过光学系统准直后入射到液体表面上，液体表面与反射镜构成多次反射的光学系统，激光经多次反射后进入光电器件，光电器件将信号送给单片机进行处理、控制、数据存储、数据输出和显示；

2)该光学系统对反射面的角度变化形成多次反射放大，并将角度变化转换成光点的位置变化，通过光电器件测量光点位移，通过一次或多次反射折射进行光学位移放大，利用该光斑位移进行二维倾角测量，能够同时测量与水平面X-Y两个方向的二维倾角，通过光电器件上光点的位置变化信号输出，从而解调出反射面的角度变化；

3)光点在光电传感器上的位移(D)与倾角(β)的关系为： $D=\underset{j=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}2\mathrm{Htg}(\mathrm{\θ}+2\mathrm{j\β})+\mathrm{Htg}(\mathrm{\θ}+2\mathrm{n\β})-2(n-1)\mathrm{Htg}\left(\mathrm{\θ}\right)....\left(1\right)$

激光入射光点至光电器件接收光点的位置距离为：

                 L＝2nHtg(θ)............            (2)

上式中n表示下表面反射光反射次数，H为上下反射表面的间距，θ为入射光源与重力方向间的夹角。

2.根据权利要求1所述的可变精度激光电子二维倾角测量方法，其特征在于，所述光电器件可以是PSD或CCD或CMOS摄像机，测量精度可通过改变反射次数人为设定。

3.根据权利要求1所述的可变精度激光电子二维倾角测量方法，其特征在于，所述液面所在空间抽真空或充惰性气体，防止液面发生物理或化学变化。

4.根据权利要求1所述的可变精度激光电子二维倾角测量方法，其特征在于，所述光学系统还可以有多功能通讯接口，该接口既可进行有线通讯，也可实现无线通讯。

5.根据权利要求4所述的可变精度激光电子二维倾角测量方法，其特征在于，所述多功能通讯接口上可以连接无线专用设备或无线公共网或有线专用设备或有线公共网，进行远程数据传输和信号通讯。

6.根据权利要求1所述的可变精度激光电子二维倾角测量方法，其特征在于，所述液体是水银或其它可以反光的液态物质。

7.实现权利要求1所述的可变精度激光电子二维倾角测量方法的仪器，其特征在于，该仪器包括：

一架体【1】，该架体【1】的底部设有由内坯【2】、玻璃台【3】和玻璃板【4】所构成的密封空腔，在密封空腔内装有液体【16】，液体【16】的上方的玻璃板【4】的下表面设置有反射膜【15】，架体【1】密封空腔的液体上方设置有一穿过架体【1】并且用于给密封空腔抽真空或充惰性气体的无氧铜管【11】；

在架体【1】上部的一端设置有倾斜角度的激光器支架【14】，激光器支架【14】上通过螺钉【12】固定安装有激光器【7】，激光器【7】穿过盖板【6】上的孔进入架体【1】的内腔，并靠近密封空腔；架体【1】内腔的另一端安装有感光器【9】，感光器【9】通过一带有倾斜角度的支架【5】固定在盖板【6】上；盖板【6】的下表面设置有电路板【8】，电路板【8】由铜柱【13】固定在盖板【6】上；电路板【8】与感光器【9】通过插头座【10】实现连接。

8.根据权利要求7所述的高精度激光电子二维倾角测量仪，其特征在于，所述的激光器【7】为PSD激光器。

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