CN216385480U - 一种全天时、全自动光电式垂线坐标仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全天时、全自动光电式垂线坐标仪，包括：光源模块、垂线、视场角控制窗口、核心电路和外围电路；其中，核心电路分别与外围电路和光源模块连接，用于控制光源模块的光源亮度；外围电路用于提供电压；垂线固定在被测建构筑上；光源模块与视场角控制窗口分别布置在垂线相对两侧，光源模块产生平行光照向垂线与视场角控制窗口的方向；垂线在平行光照射下产生阴影，通过视场角控制窗口投影在核心电路上，并被核心电路检测计算。该坐标仪采用视场角控制窗口，可有效抑制平行光中的环境背景光，提高了检测精度及全天时环境的适应能力。

Description

一种全天时、全自动光电式垂线坐标仪

技术领域

本实用新型涉及土木工程结构监测领域，具体涉及一种全天时、全自动光电式垂线坐标仪，适用于大型土木工程结构，如大坝、核电站反应堆安全壳、楼房、桥梁、隧道等大型建构筑物的不同高程水平位移和倾斜变形监测。

背景技术

由于受工程地质、外界条件等因素的影响，大型土木工程结构在施工和运营过程中都会产生一定的变形。通常表现为工程结构整体或局部发生倾斜、沉陷、扭曲、裂缝等，如果超出一定的限度，就会影响建构筑物的正常使用，严重的甚至威胁人的生命财产安全。因此，需要一定的技术手段对土木工程结构的变形、位移进行长时间、周期性地观测。而结构变形监测是通过技术手段对结构在各种荷载及自然力的作用下对变形体的变形大小和空间位置随时间的变化进行监测，是掌握土木工程结构工作性态的基本手段，对于保证工程项目顺利实施及安全运营具有重要意义。

结构变形监测要求观测技术满足周期性重复观测、精度要求高、非接触式测量等需求，而传统的接触式测量方式无法满足结构变形监测的要求。由于光电传感技术具备非接触测量的优势，相比传统的测量手段，还具有高分辨率与宽带宽的优点，因此，在高精度和超精密定位测量中具有广泛应用。其中，线阵CCD(电荷耦合元件)是一种广泛应用于工业监测、光谱测量等领域的重要光电传感元器件，具有光谱范围宽、体积小、重量轻、功耗低、寿命长、可靠性高等优点，已经成为目前应用最广泛的光电传感器件之一。

目前应用较为广泛的垂线坐标仪是一种基于线阵CCD光电传感技术用于测量大型建构筑物位移以及变形的测量装置。其原理是通过线阵CCD测量平行光(记为信号光)经过垂线在CCD上产生阴影的位置计算垂线的位移量。

由于线阵CCD对光信号较为敏感，因此信号光的强度需与CCD本身的光电特性进行匹配。同时，线阵CCD不仅对与测量有关的信号光敏感，同样，也容易受到与测量无关甚至对测量产生干扰的杂散光(如环境背景光)的干扰，具体表现为测量设备对环境光要求较高，需要人工调整光源亮度，通常无法满足全天时的测量需求，影响测量装置的适用性与鲁棒性。

为解决上述问题，在实际工程应用中有的采用滤光片的方式减小环境背景光的干扰，在一定程度上可以提高测量装置的适用性，但是当环境背景较强时，测量装置会出现测量误差较大的问题，依然无法满足全天时的测量需求。

因此，如何提供能够满足全天时测量需求的垂线坐标仪是本领域技术人员员亟需解决的问题。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型提供一种全天时、全自动光电式垂线坐标仪，可解决环境背景光对测量装置影响的问题。

本实用新型实施例提供一种全天时、全自动光电式垂线坐标仪，包括：光源模块、垂线、视场角控制窗口、核心电路和外围电路；

其中，所述核心电路分别与所述外围电路和光源模块连接；所述核心电路用于控制所述光源模块的光源亮度，所述外围电路用于为所述核心电路、光源模块提供电压；

所述垂线固定在被测建构筑上；

所述光源模块与视场角控制窗口分别布置在垂线相对两侧，所述光源模块产生平行光照向所述垂线与视场角控制窗口的方向；所述垂线在平行光照射下产生阴影，通过所述视场角控制窗口投影在所述核心电路上，并被所述核心电路检测计算。

在一个实施例中，所述核心电路包括依次连接的主控电路、驱动电路和线阵CCD；

所述主控电路分别与所述光源模块和外围电路连接；

所述垂线在平行光照射下产生阴影，通过所述视场角控制窗口投影在所述线阵CCD上；

所述主控电路通过驱动电路读取所述线阵CCD上各个像素单元的电信号，并计算出线阵CCD上阴影的位置。

在一个实施例中，所述视场角控制窗口的宽度大于所述平行光的宽度；所述视场角控制窗口的高度等于所述平行光的高度。

在一个实施例中，所述视场角控制窗口包括：沿入射光路方向设置的光学窗口和光学玻璃；

所述光学窗口的大小与所述线阵CCD的尺寸以及视场角相关；

所述光学玻璃与所述线阵CCD间隔预设距离；所述预设距离保证环境背景光不能直射到所述线阵CCD。

在一个实施例中，所述光源模块由点光源、反射镜、透镜组组成；所述反射镜位于所述透镜组焦点附近；所述点光源发出的光经所述反射镜反射，入射到所述透镜组，输出平行光。

在一个实施例中，所述点光源为LED点光源。

在一个实施例中，所述外围电路包括：电源模块与数据显示模块；所述电源模块与所述数据显示模块连接；

所述电源模块和数据显示模块分别与所述主控电路连接；

所述电源模块用于提供电压；所述数据显示模块用于显示计算出的线阵CCD上阴影的位置。

在一个实施例中，所述外围电路还包括：通信模块；所述通信模块分别与所述电源模块和主控电路连接；

所述通信模块为4-20mA模拟量输出端口。

本实用新型实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

本实用新型实施例提供的一种全天时、全自动光电式垂线坐标仪，包括：光源模块、垂线、视场角控制窗口、核心电路和外围电路；核心电路分别与外围电路和光源模块连接；核心电路用于控制光源模块的光源亮度，外围电路用于为核心电路、光源模块提供电压。垂线固定在被测建构筑上；光源模块与视场角控制窗口分别布置在垂线相对两侧，光源模块产生平行光照向垂线与视场角控制窗口的方向；垂线在平行光照射下产生阴影，通过视场角控制窗口投影在核心电路上，并被核心电路检测计算。该坐标仪采用视场角控制窗口，可有效抑制平行光中的环境背景光，提高了检测精度及全天时环境的适应能力。

另外，核心电路对光源模块的亮度控制功能，实现了平行光中的信号光对核心电路中线阵CCD的匹配，增加了测量信号的信噪比，进一步提高坐标仪的测量精度与鲁棒性，进一步具备了全天时环境下的全自动工作能力。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型实施例提供的全天时、全自动光电式垂线坐标仪原理图；

图2a为本实用新型实施例提供的全天时、全自动光电式垂线坐标仪俯视结构图；

图2b为图2a的左侧视图；

图2c为图2a的前方视图；

图3为本实用新型实施例提供的视场角控制窗口的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的光源模块的结构示意图；

图中，1-光源模块；2-垂线；3-视场角控制窗口；4-核心电路；5-外围电路；11-第一光源模块；12-第二光源模块；31-第一视场角控制窗口；32-第二视场角控制窗口；6-底板；101-点光源；102-反射镜；103-透镜组。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

参照图1、2a、2b、2c所示，本实用新型实施例提供的一种全天时、全自动光电式垂线坐标仪，包括：壳体和位于壳体内部的光源模块1、视场角控制窗口3、核心电路4和外围电路5；在壳体上开设有供垂线2穿过的垂向通道。

其中，核心电路4分别与外围电路5和光源模块1连接，核心电路4用于控制光源模块的光源亮度，外围电路用于为核心电路、光源模块提供电压；

该垂线2固定悬吊在被测建构筑物上，垂线的位移会随着建构筑物的变形与位移而发生变换；光源模块1与视场角控制窗口3分别布置在垂线2相对两侧。在具体实施时，光源模块1、视场角控制窗口3、核心电路4与外围电路5在水平面的两个垂直方向。光源模块1可产生平行光照向垂线2与视场角控制窗口3的方向；该垂线2会经平行光进行调制，在平行光照射下产生阴影，通过视场角控制窗口3投影在核心电路4上，并被核心电路4检测计算。

光源模块1产生的平行光经过垂线2，会包含信号光与环境背景光，该信号光是与测量有关的光信号；而环境背景光为非信号光，是与测量无光的杂散光，该杂散光会影响测量结果的准确性，需要进行抑制或消除。本实施例中的视场角控制窗口3在能够抑制全部直射的环境背景光的同时，也不影响信号光的光学效率，具有非常强的抗干扰能力，提高了坐标仪检测精度及全天时环境的适应能力。

如图2a所示，不带壳体内部结构的俯视图；在一块底板6上设置了两组光源模块分别为第一光源模块11和第二光源模块12、第一视场角控制窗口31和第一视场角控制窗口32；垂线2位于垂向通道内，可用于检测两个方向上的垂线的位移。

图2b为图2a的左侧视图，图2c为图2a的前视图。

在一个实施例中，如图1所示，上述核心电路4包括：依次连接的主控电路、驱动电路和线阵CCD；该主控电路分别与光源模块1和外围电路连接；该垂线在平行光照射下产生阴影，通过视场角控制窗口投影在线阵CCD上；主控电路通过驱动电路读取线阵CCD上各个像素单元的电信号，并计算出线阵CCD上阴影的位置。其中，线阵CCD接收到的光信号经过视场角控制窗口3后，环境背景光已经被抑制。

主控电路可采用单片机或FPGA电路，其控制引脚具备输出高低电平的能力；驱动电路完成主控电路与线阵CCD的电压转换功能，增强主控电路输出信号对线阵CCD的驱动能力；主动电路通过驱动电路控制线阵CCD的驱动脉冲控制引脚，且驱动脉冲信号时序的逻辑关系严格按照线阵CCD产品说明书中驱动脉冲波形图的参数要求。该线阵CCD为光电传感器件，可将信号光的光信号转换成电压信号，电压信号的大小与光强有关。

主控电路作为整个坐标仪系统的电路工作时序，该主控电路可直接控制光源模块的亮度，使得光源亮度与线阵CCD的光电特性匹配，具备较强的自适应能力，达到最佳的曝光效果，使得坐标仪正常工作时的信噪比达到最优状态；可进一步提高检测结果的准确性与鲁棒性，使得该坐标仪进一步具备全天时工作的能力。

在一个实施例中，如图3所示，视场角控制窗口3结构简单、易实现，其包括：沿入射光路方向设置的光学窗口和光学玻璃；光学窗口的作用是接受信号光并抑制环境背景光，提高核心电路模块检测信号的信噪比；该光学窗口的大小与线阵CCD的尺寸以及视场角相关；光学玻璃选用高透过率的镜片，在具体实施时，该镜片与核心电路、外围电路可固定在同一盒子内，达到防水密封的效果。

本实施例中，视场角控制窗口3的宽度要稍大于平行光的宽度，保证平行光全部投射进视场角控制窗口3；视场角控制窗口3的高度于平行光的高度相当，不能太大也不能太小，太大会降低视场角控制窗口3对环境背景光的抑制效果，而太小会使得调试过程中很难将平行光投射在核心电路4中的线阵CCD上；视场角控制窗口3要与核心电路4中的线阵CCD保持一定距离，该距离的数值大小与视场角控制窗口3的高度以及设备外壳的高度有关，保证环境背景光不能直射到核心电路4中的CCD即可，可通过目视、示波器观测CCD输出引脚波形等多种方法进行确定。

在一个实施例中，如图4所示，光源模块1由点光源101、反射镜102、透镜组103组成；反射镜102位于透镜组103焦点附近；点光源101发出的光经反射镜102反射，入射到透镜组103，输出平行光；平行光的光强均匀。该点光源可优选LED点光源，其发光面积较小并在各个方向上发射的光强均匀，正常工作时电流大小均匀，且工作电流不大于额定工作电流，具有寿命高的优点。该反射镜为表面金属膜式反射镜；该透镜组将点光源产生并经过反射镜的光变成光强均匀的平行光。

在一个实施例中，如图1所示，外围电路5包括：电源模块、数据显示单元和通信单元；电源模块主要是将供电电压转换成其它电路部分正常工作所需的电压，并降低输入电压的电压纹波，减小电压纹波给核心电路4引入的测量误差。并且，该电源模块可具备短路保护功能，还具备输入保护功能，即输入电压超过一定的安全范围时，电源模块自动断路。

数据显示单元实时显示核心电路测量的垂线位移值，即：核心电路4计算出的线阵CCD上阴影的位置，包括水平面的两个垂直方向。通信单元为4-20mA模拟量输出端口，可与任何具有标准信号测量功能的测量系统兼容，具有较强的抗干扰能力。在数据显示单元刷新显示当前值后，将输出符合数据通信对应的恒定电流值，量程的最小值对应4mA，满量程值对应20mA，其它测量值对应4mA至20mA的线性变化关系。

本实用新型实施例提供的坐标仪，其中核心电路与外围电路可分别进行模块化设计。如图1所示，光源模块1输出的平行光要与视场角控制窗口3和核心电路4中的线阵CCD垂直，保证光源模块1输出的平行光经过视场角控制窗口3后信号光要完全覆盖核心电路4中的线阵CCD上的感光单元；光源模块1输出的平行光经过垂线2后，垂线的阴影同样会投影在线阵CCD上；光源模块1输出的平行光光强受核心电路4控制，并与核心电路4中的CCD进行匹配。本实用新型在数据处理过程中，采用AD转换的方法读取线阵CCD输出的电压值，并实时动态调整阴影判定的电压阈值，以适应系统差异及不同环境条件下的自适应能力。

另外，本实用新型在所述核心电路模块4中的主控电路读取线阵CCD中各个像素单元的电压信号，并通过嵌入的数据处理算法分析计算线阵CCD上阴影的位置。在数据处理过程中分析每个阴影的宽度，综合判断该阴影是垂线阴影还是外部环境干扰产生的阴影，如光学玻璃或光学镜片上的灰尘产生的阴影，从而达到有效去除干扰信号的目的，使得系统具备较强的抗干扰能力。

一方面，通过采用视场角控制窗口的方法抑制环境背景光，可以完全消除直射的环境背景光，彻底解决了直射的环境背景光影响测量结果的问题。该视场角控制窗口易于加工实现，提高测量信号的信噪比与测量精度。

另一方面，通过采用自动控制光源模块亮度的方法以匹配信号光与线阵CCD，使得线阵CCD获得最好的曝光效果，进一步增加输出测量信号值的信噪比，增强了坐标仪测量精度与鲁棒性，使得坐标仪具备了在全天时条件下全自动工作能力。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种全天时、全自动光电式垂线坐标仪，其特征在于，包括：光源模块、垂线、视场角控制窗口、核心电路和外围电路；

其中，所述核心电路分别与所述外围电路和光源模块连接；所述核心电路用于控制所述光源模块的光源亮度，所述外围电路用于为所述核心电路、光源模块提供电压；

所述垂线固定在被测建构筑上；

所述光源模块与视场角控制窗口分别布置在垂线相对两侧，所述光源模块产生平行光照向所述垂线与视场角控制窗口的方向；所述垂线在平行光照射下产生阴影，通过所述视场角控制窗口投影在所述核心电路上，并被所述核心电路检测计算。

2.根据权利要求1所述的一种全天时、全自动光电式垂线坐标仪，其特征在于，所述核心电路包括依次连接的主控电路、驱动电路和线阵CCD；

所述主控电路分别与所述光源模块和外围电路连接；

所述垂线在平行光照射下产生阴影，通过所述视场角控制窗口投影在所述线阵CCD上；

所述主控电路通过驱动电路读取所述线阵CCD上各个像素单元的电信号，并计算出线阵CCD上阴影的位置。

3.根据权利要求2所述的一种全天时、全自动光电式垂线坐标仪，其特征在于，所述视场角控制窗口的宽度大于所述平行光的宽度；所述视场角控制窗口的高度等于所述平行光的高度。

4.根据权利要求3所述的一种全天时、全自动光电式垂线坐标仪，其特征在于，所述视场角控制窗口包括：沿入射光路方向设置的光学窗口和光学玻璃；

所述光学窗口的大小与所述线阵CCD的尺寸以及视场角相关；

所述光学玻璃与所述线阵CCD间隔预设距离；所述预设距离保证环境背景光不能直射到所述线阵CCD。

5.根据权利要求1所述的一种全天时、全自动光电式垂线坐标仪，其特征在于，所述光源模块由点光源、反射镜、透镜组组成；所述反射镜位于所述透镜组焦点附近；所述点光源发出的光经所述反射镜反射，入射到所述透镜组，输出平行光。

6.根据权利要求5所述的一种全天时、全自动光电式垂线坐标仪，其特征在于，所述点光源为LED点光源。

7.根据权利要求3所述的一种全天时、全自动光电式垂线坐标仪，其特征在于，所述外围电路包括：电源模块与数据显示模块；所述电源模块与所述数据显示模块连接；

所述电源模块和数据显示模块分别与所述主控电路连接；

所述电源模块用于提供电压；所述数据显示模块用于显示计算出的线阵CCD上阴影的位置。

8.根据权利要求7所述的一种全天时、全自动光电式垂线坐标仪，其特征在于，所述外围电路还包括：通信模块；所述通信模块分别与所述电源模块和主控电路连接；

所述通信模块为4-20mA模拟量输出端口。

Images