CN204154265U - 线阵cmos垂线坐标仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种线阵CMOS垂线坐标仪，包括壳体，还包括均设置于壳体内部的控制电路板、两个平行光源装置和两个线阵CMOS图像传感器，两个平行光源装置相互垂直照射被测垂线钢丝，两个线阵CMOS图像传感器相互垂直且与所述平行光源装置一一对应设置并接收被测垂线钢丝平行光投影，两个线阵CMOS图像传感器均连接控制电路板，控制电路板的输出与壳体外侧设置的显示器相连接。本实用新型提供的线阵CMOS垂线坐标仪结构简洁，工作可靠性和稳定性高，在扩展了有效测量量程的同时，减小了垂线坐标仪的体积，降低了生产成本，更有利于垂线坐标仪的广泛推广应用。

Description

线阵CMOS垂线坐标仪

技术领域

本实用新型涉及光电式垂线坐标仪，特别是一种光电图像式线阵CMOS垂线坐标仪。

背景技术

岩土工程结构的位移以及变形监测是岩土工程安全监测中的重要监测项目之一。随着科学技术的发展，特别是传感器、单片机以及通讯技术的发展，为光电式垂线坐标仪在岩土工程安全监测中的应用奠定了基础。光电式垂线坐标仪的测量原理是：垂线钢丝在光源的照射下，在图像传感器上留下阴影；通过对图像传感器采集到的图像信号进行分析找出阴影位置，进而解算出垂线钢丝的坐标位置。光电式垂线坐标仪测量时与垂线钢丝无接触，不影响垂线钢丝的状态，其传感器没有传统传感器的电学漂移，已被广泛应用于水电大坝、滑坡、大型建筑物等岩土工程结构的水平位移和倾斜变形监测。

目前的光电式垂线坐标仪中通常是采用CCD图像传感器采集图像，其缺点是：CCD图像传感器价格昂贵、整体结构特别是驱动电路结构复杂、功耗大，特别地，CCD图像传感器的有效量程小，很难实现较大量程的测量，这也在一定程度上限制了光电式CCD垂线坐标仪的进一步推广应用。

实用新型内容

本实用新型针对现有的CCD垂线坐标仪价格昂贵、结构复杂、功耗大和有效量程小的问题，提供一种新型的线阵CMOS垂线坐标仪，该线阵CMOS垂线坐标仪具有价格低廉、结构简洁、体积较小、性能更加稳定可靠、大幅度降低故障率和维护、维修工作更加容易等优点，不但可以大大节约仪器设备成本，并且可以很方便地实现超大量程监测功能。

本实用新型的技术方案如下：

一种线阵CMOS垂线坐标仪，包括壳体，所述壳体一侧设置有使被测垂线钢丝进入壳体的过线缝隙，所述壳体外侧设置有显示器，其特征在于，还包括均设置于壳体内部的控制电路板、两个平行光源装置和两个线阵CMOS图像传感器，所述两个平行光源装置相互垂直照射被测垂线钢丝，所述两个线阵CMOS图像传感器相互垂直且与所述平行光源装置一一对应设置并接收被测垂线钢丝平行光投影，所述两个线阵CMOS图像传感器均连接控制电路板，所述控制电路板的输出与显示器相连接。

所述控制电路板包括相互连接的高速图像采集电路和微控制器，所述线阵CMOS图像传感器接收所述平行光源装置照射被测垂线钢丝后的投影并转换为电压信号输出至所述高速图像采集电路，所述微控制器分别与两个线阵CMOS图像传感器以及显示器相连接。

所述两个平行光源装置和两个线阵CMOS图像传感器分别设置在四个密封盒中，所述控制电路板设置在其中一个线阵CMOS图像传感器所在的密封盒中，所述两个平行光源装置和两个线阵CMOS图像传感器相对应照射被测垂线钢丝和接收投影的各密封盒相应位置设置有透明玻璃孔。

所述控制电路板还包括实时时钟电路，所述实时时钟电路与微控制器相连接。

所述控制电路板还包括数据存储器，所述数据存储器与微控制器相连接。

所述控制电路板上还设置有数字通讯接口，所述数字通讯接口与微控制器相连接；和/或，所述控制电路板上还设置有模拟输出接口，所述模拟输出接口与微控制器相连接。

所述高速图像采集电路为高速AD采集电路。

所述平行光源装置包括点光源、反射镜和凸透镜，所述点光源经所述反射镜反射再经所述凸透镜折射后输出平行光。

所述平行光源装置包括高亮度LED发光二极管、反射镜、双胶合透镜和光学玻璃片，所述高亮度LED发光二极管的点光源经所述反射镜反射再经所述双胶合透镜折射后通过所述光学玻璃片输出平行光。

所述壳体的顶部设置有供被测垂线钢丝进入壳体后具有活动空间的缺口，所述缺口的四周设置有向上凸起的结构。

本实用新型的技术效果如下：

本实用新型涉及的线阵CMOS垂线坐标仪，通过在壳体内设置两个相互垂直照射被测垂线钢丝的平行光源装置，以及在壳体内设置的两个相互垂直且与所述平行光源装置一一对应设置并接收被测垂线钢丝平行光投影的线阵CMOS图像传感器，通过两个线阵CMOS图像传感器分别接收对应的平行光源装置照射被测垂线钢丝后的投影图像并转换为电压信号输出至控制电路板，控制电路板得到被测垂线钢丝的位置坐标并输出至显示器显示。由于采用线阵CMOS图像传感器作为图像传感单元，代替了传统垂线坐标仪中的CCD传感器，线阵CMOS图像传感器的有效量程最长可以做到200mm以上，故可以方便地实现大量程的垂线变形测量，同时由于线阵CMOS图像传感器的驱动简单、成像对比度高，使得整个线阵CMOS垂线坐标仪的电路构成更加简洁，提高了垂线坐标仪的工作可靠性和稳定性，避免了现有的CCD垂线坐标仪整体价格昂贵、驱动电路复杂、功耗大，很难实现大量程的测量的问题，本实用新型可以使得仪器工作更加稳定，大幅度降低仪器故障率，也使得仪器维护、维修工作变得更容易。同时本实用新型的线阵CMOS垂线坐标仪中的线阵CMOS图像传感器和控制电路板形成了进行CMOS图像检测的独特结构使得线阵CMOS垂线坐标仪自身构成了一个完整的测量控制单元，使得该线阵CMOS垂线坐标仪除了具备测量功能外还具有监控功能，进一步提高了被测垂线钢丝位置测量的准确性和可靠性；并且由于线阵CMOS图像传感器的价格低廉，有效地降低了垂线坐标仪的生产成本，且可以很方便地实现超大量程垂线坐标仪，故更有利于垂线坐标仪的广泛地推广应用，使得垂线变形监测可以在国家大型工程建设中发挥更大的效用。

本实用新型的线阵CMOS垂线坐标仪设置的控制电路板包括相互连接的高速图像采集电路和微控制器，线阵CMOS图像传感器接收平行光源装置照射被测垂线钢丝后的投影并转换为电压信号输出至高速图像采集电路，该高速图像采集电路进行信号采集后生成阴影图像输出至微控制器，微控制器根据阴影图像进行处理得到被测垂线钢丝的位置坐标，被测垂线钢丝的位置坐标通过显示器显示。这种设置受外界干扰小，对环境光线适应能力强，可以更精确地计算被测垂线钢丝的位置坐标。

本实用新型的线阵CMOS垂线坐标仪通过设置实时时钟电路和数据存储器以便于对微控制器输出的数据进行实时的采集和存储；设置数字通讯接口以便于将该线阵CMOS垂线坐标仪的监测结果上传至上位机以及对线阵CMOS垂线坐标仪进行工作方式配置和更优化的初始参数设置；设置模拟输出接口，将监测结果转换为模拟信号以便作为后续的现场采集系统的输入。

本实用新型线阵CMOS垂线坐标仪的平行光源装置包括点光源、反射镜和凸透镜，点光源经反射镜反射后再经凸透镜折射后生成平行光输出；或者平行光源装置包括高亮度LED发光二极管、反射镜、双胶合透镜和光学玻璃片，高亮度LED发光二极管的点光源经反射镜反射后再经双胶合透镜折射后生成平行光输出，这两种优选的平行光源装置的独特全反射结构使得点光源能够转换为平行光源，并且设置反射镜能够使得平行光源的轴向距离减少，使得密封封装的平行光源装置的体积减小，进一步使得整个线阵CMOS垂线坐标仪的体积大大减小，更加方便现场使用，同时节约了生产和使用成本。

附图说明

图1为本实用新型线阵CMOS垂线坐标仪的外部优选结构示意图。

图2为本实用新型线阵CMOS垂线坐标仪的内部优选结构示意图。

图3为本实用新型线阵CMOS垂线坐标仪的平行光源装置结构示意图。

图4为本实用新型线阵CMOS垂线坐标仪的工作原理结构图。

图中各标号列示如下：

1－壳体；1a－壳体外罩；1b－壳体底板；2－凸透镜；3－点光源；4－反射镜；5－线阵CMOS图像传感器；6－控制电路板；7－电源板；8－X方向平行光源装置密封盒；9－Y方向平行光源装置密封盒；10－X方向线阵CMOS图像传感器密封盒；11－Y方向线阵CMOS图像传感器密封盒；12－显示器；13－垂线钢丝；14－过线缝隙；15－固定连接器件。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行说明。

本实用新型涉及一种线阵CMOS垂线坐标仪，图1和图2分别为其外部和内部的优选结构示意图，该CMOS垂线坐标仪包括壳体1，该壳体1优选为内部中空的方形机壳，壳体1包括壳体底板1b以及在壳体底板1b上设置的壳体外罩1a，壳体外罩1a的一侧设置有使被测的垂线钢丝13进入壳体1内部的过线缝隙14，过线缝隙14的外侧可以采用固定连接器件15连接，以保证CMOS垂线坐标仪的壳体1的整体刚度。壳体1内部设置有控制电路板6、两个平行光源装置和两个线阵CMOS图像传感器5，两个平行光源装置相互垂直照射被测垂线钢丝13，如形成X方向平行光源装置和Y方向平行光源装置，两个线阵CMOS图像传感器5相互垂直且与平行光源装置一一对应设置并接收被测垂线钢丝13平行光投影，两个线阵CMOS图像传感器5即为X方向线阵CMOS图像传感器和Y方向线阵CMOS图像传感器，两个线阵CMOS图像传感器均连接控制电路板6。两个平行光源装置和两个线阵CMOS图像传感器设置于同一被测平面，优选地均设置在线阵CMOS垂线坐标仪的壳体底板1b上并且依次用电缆连接在一起，壳体外罩1a将壳体底板1b上设置的所有装置进行物理保护。

为进一步保护各器件，可将两个平行光源装置和两个线阵CMOS图像传感器分别设置在四个密封盒中，具体可采用不透光的塑料防水密封盒，各密封盒均设置在壳体底板1b上，如图2所示，X方向平行光源装置设置于X方向平行光源装置密封盒8中，Y方向平行光源装置设置于Y方向平行光源装置密封盒9中，X方向线阵CMOS图像传感器设置于X方向线阵CMOS图像传感器密封盒10中，Y方向线阵CMOS图像传感器设置于Y方向线阵CMOS图像传感器密封盒11中。两个平行光源装置和两个线阵CMOS图像传感器相对应照射被测垂线钢丝和接收投影的各密封盒相应位置设置有透明玻璃孔。

本实用新型的线阵CMOS垂线坐标仪中的平行光源装置为输出平行光的装置，可采用的优选结构如图3所示，包括点光源3、反射镜4和凸透镜2，点光源3可以采用高亮度LED发光二极管点光源，该平行光源装置通过塑料防水密封盒单独密封各组成部件，且各密封盒上均设置有水平的透明玻璃孔，点光源3(例如高亮度LED发光二极管点光源)经反射镜4以一定角度反射再经凸透镜2折射后通过透明玻璃孔输出平行光，该平行光源装置的独特全反射结构使得高亮度LED发光二极管点光源能够转换为平行光源，并且设置反射镜4能够使得平行光源的轴向距离减少，进而使得密封封装的平行光源装置的体积减小。当然，平行光源装置也可以采用其它结构，如包括高亮度LED发光二极管、反射镜、双胶合透镜和光学玻璃片，高亮度LED发光二极管的点光源经反射镜反射再经双胶合透镜折射后通过光学玻璃片输出平行光。此外，还可以在两个平行光源装置密封盒内均设置加热装置以防止透明玻璃孔的玻璃雾化和结露。

本实用新型的线阵CMOS垂线坐标仪中的控制电路板6包括相互连接的高速图像采集电路和微控制器，线阵CMOS图像传感器接收所述平行光源装置照射被测垂线钢丝后的投影并转换为电压信号输出至所述高速图像采集电路，微控制器分别与两个线阵CMOS图像传感器相连接。优选地，高速图像采集电路采用高速AD采集电路，将高速AD采集电路和微控制器焊接在控制电路板6上，控制电路板6可以设置在X方向线阵CMOS图像传感器密封盒10或Y方向线阵CMOS图像传感器密封盒11中，图2所示实施例是将控制电路板6设置在X方向线阵CMOS图像传感器密封盒10中，控制电路板6控制整个线阵CMOS垂线坐标仪工作，配置供电电源模块的电源板7设置在Y方向CMOS图像传感器密封盒11中，给整个线阵CMOS垂线坐标仪供电，此外，还可以在两个线阵CMOS图像传感器密封盒内均设置加热装置以防止透明玻璃孔的玻璃雾化和结露。

图4为本实用新型的线阵CMOS垂线坐标仪的工作原理图，X方向平行光源装置和Y方向平行光源装置照射被测的垂线钢丝(黑圆点即为垂线钢丝)，分别投影到与其一一对应的X方向线阵CMOS图像传感器和Y方向线阵CMOS图像传感器上，控制电路板6中的微控制器控制驱动线阵CMOS图像传感器生成光学图像并转换为反映亮度的像元电压信号输出至高速图像采集电路(即高速AD采集电路)，高速图像采集电路(即高速AD采集电路)将接收的像元电压信号进行数值化处理并生成阴影图像输出至微控制器，微控制器根据该阴影图像经一定的阴影识别法进行分析计算，采用的阴影识别法是根据阴影区间的亮度与其它待分析区间的亮度的不同找到该阴影区间，得到被测垂线钢丝阴影位置和被测垂线钢丝的位置坐标，并将被测垂线钢丝的位置坐标输出至显示器显示。特别说明的是，控制电路板6可直接购买已有的集成电路硬件设备，无需再设置软件程序，即可直接进行简单的数据处理并且输出被测垂线钢丝的位置坐标值。如图1所示，该显示器12设置在壳体1的壳体外罩1a一侧的外侧，由于本实用新型具有两套相互垂直设置的平行光源装置和线阵CMOS图像传感器，故能够得到两个垂直方向上的垂线钢丝13的位置坐标，显示器12上可设置有两个显示窗口，分别显示垂线钢丝13在X轴和Y轴上的位置坐标，该位置坐标为相对坐标，将本次测量结果与前次线阵CMOS垂线坐标仪的测量结果进行比较，能够得到岩土工程的水平位移变化或倾斜变形量，完成岩土工程安全监测。本实用新型公开的线阵CMOS垂线坐标仪，在简化设计结构、减小垂线坐标仪体积和降低成本的同时，可以实现较大量程的测量，量程最大可以扩展到200mm。

优选地，控制电路板6还包括实时时钟电路、数据存储器、数字通讯接口和模拟输出接口等组件中的一种或多种，实时时钟电路、数据存储器、数字通讯接口和模拟输出接口分别同时与微控制器相连接，使得控制电路板具有采集数据的计算、存储、显示输出和通讯等功能。如图4所示，高速图像采集电路(即高速AD采集电路)、显示器、实时时钟电路、数据存储器、数字通讯接口和模拟输出接口均为微控制器的外围电路，通过微控制器及其外围电路控制驱动线阵CMOS图像传感器、进行高速AD图像实时采集以及读取阴影图像，并根据阴影图像分析计算阴影位置和垂线丝位置坐标实时显示输出结果，具有工程现场实时采集、监测和显示功能，并可按预先配置的工作方式自动记录监测数据。实时时钟电路、数据存储器、数字通讯接口和模拟输出接口焊接在控制电路板6上，进而设置在X方向线阵CMOS图像传感器密封盒10中，如图2所示，实时时钟电路和数据存储器可以对微控制器输出的数据进行实时的采集和存储，数字通讯接口可采用RS-485接口，可以与上位机(即监测中心)进行数据通讯，将该线阵CMOS垂线坐标仪实时采集和存储的监测结果上传至上位机(即监测中心)，以及对线阵CMOS垂线坐标仪进行工作方式配置和更优化的初始参数设置，设置模拟输出接口将数据以4-20mA模拟信号输出，以作为后续的现场采集系统的输入，或以便于工程现场以各种工作方式组成自动化监测系统。

本实用新型的线阵CMOS垂线坐标仪可以在壳体1的壳体底板1b四角和中间预留安装螺孔，并可以采用平面支架方式或万向支架方式安装。此外，如图1所示，本实用新型的线阵CMOS垂线坐标仪还在壳体1的顶部设置有缺口，该缺口供被测垂线钢丝13进入壳体后具有活动空间，如垂线钢丝13进行位置调整、水平变形和倾斜活动。为避免壳体内部的各器件被日光照射或雨水侵蚀，还优选在缺口的四周设置有向上凸起的结构进行阻挡保护。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种线阵CMOS垂线坐标仪，包括壳体，所述壳体一侧设置有使被测垂线钢丝进入壳体的过线缝隙，所述壳体外侧设置有显示器，其特征在于，还包括均设置于壳体内部的控制电路板、两个平行光源装置和两个线阵CMOS图像传感器，所述两个平行光源装置相互垂直照射被测垂线钢丝，所述两个线阵CMOS图像传感器相互垂直且与所述平行光源装置一一对应设置并接收被测垂线钢丝平行光投影，所述两个线阵CMOS图像传感器均连接控制电路板，所述控制电路板的输出与显示器相连接。 

2.根据权利要求1所述的线阵CMOS垂线坐标仪，其特征在于，所述控制电路板包括相互连接的高速图像采集电路和微控制器，所述线阵CMOS图像传感器接收所述平行光源装置照射被测垂线钢丝后的投影并转换为电压信号输出至所述高速图像采集电路，所述微控制器分别与两个线阵CMOS图像传感器以及显示器相连接。 

3.根据权利要求1或2所述的线阵CMOS垂线坐标仪，其特征在于，所述两个平行光源装置和两个线阵CMOS图像传感器分别设置在四个密封盒中，所述控制电路板设置在其中一个线阵CMOS图像传感器所在的密封盒中，所述两个平行光源装置和两个线阵CMOS图像传感器相对应照射被测垂线钢丝和接收投影的各密封盒相应位置设置有透明玻璃孔。 

4.根据权利要求2所述的线阵CMOS垂线坐标仪，其特征在于，所述控制电路板还包括实时时钟电路，所述实时时钟电路与微控制器相连接。 

5.根据权利要求2所述的线阵CMOS垂线坐标仪，其特征在于，所述控制电路板还包括数据存储器，所述数据存储器与微控制器相连接。 

6.根据权利要求2所述的线阵CMOS垂线坐标仪，其特征在于，所述控制电路板上还设置有数字通讯接口，所述数字通讯接口与微控制器相连接；和/或，所述控制电路板上还设置有模拟输出接口，所述模拟输出接口与微控制器相连接。 

7.根据权利要求2所述的线阵CMOS垂线坐标仪，其特征在于，所述高速图像采集电路为高速AD采集电路。 

8.根据权利要求3所述的线阵CMOS垂线坐标仪，其特征在于，所述平行光源装置包括点光源、反射镜和凸透镜，所述点光源经所述反射镜反射再经所述凸透镜折射后输出平行光。 

9.根据权利要求3所述的线阵CMOS垂线坐标仪，其特征在于，所述平行光源装置包括高亮度LED发光二极管、反射镜、双胶合透镜和光学玻璃片，所述高亮度LED发光二极管的点光源经所述反射镜反射再经所述双胶合透镜折射后通过所述光学玻璃片输出平行光。 

10.根据权利要求3所述的线阵CMOS垂线坐标仪，其特征在于，所述壳体的顶部设置 有供被测垂线钢丝进入壳体后具有活动空间的缺口，所述缺口的四周设置有向上凸起的结构。