基于PSD和激光测距的位移形变测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及基于PSD和激光测距的位移形变测量装置及方法，包括激光发射端和激光接收端；激光发射端设置有激光测距机、半导体激光器和控制盒；激光接收端设置有安装于被测物的PSD位置传感器；激光测距机、半导体激光器和PSD位置传感器均通过线缆接入控制盒的数据传输接口；激光测距机和半导体激光器的两路激光光束照射在PSD位置传感器，形成两个光斑，当被测物发生位移变化时，通过PSD位置传感器测量横向位置变化数据，通过激光测距机测量纵向位置变化数据。本发明专利技术可以实现长时间、实时的、不间断连续监测，测量精度高，速度快，不需人工去现场进行测试，数据可通过无线网络传输。

【技术实现步骤摘要】
基于PSD和激光测距的位移形变测量装置及方法
本专利技术属于隧道、桥梁监测
，具体涉及一种基于PSD和激光测距的位移形变测量装置及方法。
技术介绍
综合隧道、桥梁监测的应用现状可以看出，目前采用的隧道、桥梁结构体及所处环境监测技术大都是采用定期测试，测试传感器主要采用电类和光学类传感器。例如采用全站仪或近景摄影测量进行隧道、桥梁的位移监测，其测试手段是基于定期的离线测量。这样的测量方式需要人工定期对隧道、桥梁等结构体进行测量，间断性测量的数据不连续，对后期数据分析有一定的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于PSD和激光测距的位移形变测量装置及方法，实现隧道、桥梁位移的实时连续监测，解决了现有技术中存在的问题。本专利技术所采用的技术方案为：基于PSD和激光测距的位移形变测量装置，其特征在于：包括激光发射端和激光接收端；激光发射端设置有激光测距机、半导体激光器和控制盒；激光接收端设置有安装于被测物的PSD位置传感器；激光测距机、半导体激光器和PSD位置传感器均通过线缆接入控制盒的数据传输接口；激光测距机和半导体激光器的两路激光光束照射在PSD位置传感器，形成两个光斑，当被测物发生位移变化时，通过PSD位置传感器测量横向位置变化数据，通过激光测距机测量纵向位置变化数据。激光测距机和半导体激光器的发射端处于同一竖直平面内。激光测距机、半导体激光器和控制盒安装于激光发射端设置的固定座上，固定座上设置有水平的安装平板，激光测距机位于安装平板上方，半导体激光器和控制盒位于安装平板下方。控制盒内存放有DC/DC电源板、SPC板、信号处理板、FPGA电路以及串口通信模块，用于将激光测距数据和PSD测位数据进行处理，并通过RS485接口进行通讯。激光测距机为高精度相位式激光测距机。半导体激光器为980nm波长的连续波激光器。PSD位置传感器为二维两面型PSD位置传感器。激光测距机和半导体激光器的两路激光光束照射在PSD位置传感器，形成两个光斑，光斑中心距小于20mm。基于PSD和激光测距的位移形变测量方法，其特征在于：由以下步骤实现：利用激光测距技术和PSD测位技术对目标建筑物三维位移形变进行测量，在被测量的目标建筑物上安装PSD位置传感器，利用激光测距机和半导体激光器发射激光光波同时照射到PSD位置传感器上，当目标建筑物相对于发射端发生位移形变时，激光测距机对目标建筑物的纵向位移变形进行测量，PSD位置传感器对目标建筑物的横向位移变形进行测量。本专利技术具有以下优点：1、长时间、实时的、不间断连续监测；2、高速高精度测量：监测速度可达25Hz；3、自动监测，不需人工去现场进行测试，数据可通过无线网络传输，可通过RS485通信将处理过的数据通过无线通信模块，经过移动网络传输到终端显示设备上。4、具有较高的测量精度。目前设计测量精度为：X、Y轴方向±0.5mm，Z轴(测距)方向±1.5mm。此装置在人力成本，测量精度上相比同类型产品都有很大优势。附图说明图1是PSD位置传感器工作系统框图；图2是激光发射端侧面结构图。图3是激光发射端正面结构图。图4是激光接收端的PSD位置传感器结构图。图5是装置安装后的结构原理图。图6是相位式测距原理图。图7为X、Y轴方向测试实验数据图。图8为Z轴方向测试实验数据图。图中，1、激光测距机；2、半导体激光器；3、数据传输接口；4、控制盒；5、固定座；6、控制开光；7、PSD位置传感器。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术进行详细的说明。本专利技术涉及一种基于PSD和激光测距的位移形变测量装置，结合激光测距和PSD激光测位技术，直接将建筑物的三维形变测量出来。结构包括激光发射端和激光接收端；激光发射端设置有激光测距机1、半导体激光器2和控制盒4；激光接收端设置有通过螺栓安装于被测物的PSD位置传感器7，即接收靶标；激光测距机1、半导体激光器2和PSD位置传感器7均通过线缆接入控制盒4的数据传输接口。激光测距机1和半导体激光器2的两路激光光束照射在PSD位置传感器7，形成两个光斑，光斑中心距小于20mm。两个光斑照射到PSD靶面上，靶面面积有限，当被测目标大范围摆动时，可能出现某一个光斑没有照射到靶面上，所以两个光斑的中心距尽可能小甚至重合。当被测物发生位移变化时，通过PSD位置传感器7测量横向位置变化数据，通过激光测距机1测量纵向位置变化数据。数据传输到控制盒内进行处理，再通过RS485通信传到无线通信模块上，传到终端设备上。激光测距机1和半导体激光器2的发射端处于同一竖直平面内。激光测距机1、半导体激光器2和控制盒4通过螺栓安装于激光发射端设置的固定座5上，固定座5上设置有水平的安装平板，激光测距机1位于安装平板上方，半导体激光器2和控制盒4位于安装平板下方。安装时调整激光测距机1和半导体激光器2两个激光器激光照射在PSD位置传感器7上。控制盒4内存放有DC/DC电源板、SPC板、信号处理板、FPGA电路以及串口通信模块，依次通过接口或导线连接。主要是将激光测距数据和PSD测位数据进行处理，并通过RS485接口进行通讯。本系统要求PSD传感信号具有极强的实时性，否则由于相位滞后,控制效果将会受到严重影响。FPGA即现场可编程门阵列，属于纯硬件电路的设计，是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，对片内RAM编写不同的程序，实现不同的配置模式。对于FPGA提取的脱靶量数据，在外同步的每个上升沿，通过异步串行模式发送给伺服控制器，发送采用异步串行方式。本设计采用RS485接口实现通讯，采用全双工通信模式，探测系统将经过FPGA计算得到的位置信息由TXD端输出，发送给外部系统(无线通信模块)。激光测距机1为高精度相位式激光测距机，主要由光学系统、激光器及其控制、雪崩管探测器、探测放大电路、信息处理/编码/通讯电路及接口控制电路等组成。为保证测距精度，又不使测量结果产生不定解，设置几种不同的测尺频率，用不同的测尺频率测量某段距离，将得到的结果组合起来就可以得到单一的、精确的距离值。相位式测距原理如图6所示。一般测距公式是：由上式可知所谓相位式测距，就是间接地测定调制光波经过时间t后所产生的相位移以代替测定时间t，从而求得光波所走过的路程R。在图6中，A表示调制光波的发射点，B表示安置反射器的地点，A′表示所发出的调制光波经反射器反射后的接收地点(实际上，A点就是测距仪中光波发射点，A′点就是测距仪中光波的接收点)。A-A′两点间的距离就是光波所走过的路程，它等于待测距离R的两倍。所以图6中的相位移实际代表了光波走过往返距离时所需的时间t2D。由图6可知，当用较短波长的光波测量时(图中实线波)，则得式中N1——零或正整数；ΔN1——小数，——不足整周期(2π)的相位尾数。将式10代入式9得：因为令称为单位长度(也称为测尺长度)，则上式可变为：R＝LS1·N1+LS1·ΔN1该式说明，测量距离R的问题就变成了求调制波在往返距离上所经过的半波个数N1及不足半波长LS1的尾数(LS1·ΔN1)的问题。但是实际上，调制信号在往返距离上的半波个数是无法知道的，即N1无法确定，因而被测距离不能被唯一确定，这就产生了不定解。然而，我们又发现，如果将测尺长度增长，使得距离R小于测尺长度LS2时，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于PSD和激光测距的位移形变测量装置，其特征在于：包括激光发射端和激光接收端；激光发射端设置有激光测距机（1）、半导体激光器（2）和控制盒（4）；激光接收端设置有安装于被测物的PSD位置传感器（7）；激光测距机（1）、半导体激光器（2）和PSD位置传感器（7）均通过线缆接入控制盒（4）的数据传输接口；激光测距机（1）和半导体激光器（2）的两路激光光束照射在PSD位置传感器（7），形成两个光斑，当被测物发生位移变化时，通过PSD位置传感器（7）测量横向位置变化数据，通过激光测距机（1）测量纵向位置变化数据。

【技术特征摘要】
1.基于PSD和激光测距的位移形变测量装置，其特征在于：包括激光发射端和激光接收端；激光发射端设置有激光测距机（1）、半导体激光器（2）和控制盒（4）；激光接收端设置有安装于被测物的PSD位置传感器（7）；激光测距机（1）、半导体激光器（2）和PSD位置传感器（7）均通过线缆接入控制盒（4）的数据传输接口；激光测距机（1）和半导体激光器（2）的两路激光光束照射在PSD位置传感器（7），形成两个光斑，当被测物发生位移变化时，通过PSD位置传感器（7）测量横向位置变化数据，通过激光测距机（1）测量纵向位置变化数据。2.根据权利要求1所述的基于PSD和激光测距的位移形变测量装置，其特征在于：激光测距机（1）和半导体激光器（2）的发射端处于同一竖直平面内。3.根据权利要求2所述的基于PSD和激光测距的位移形变测量装置，其特征在于：激光测距机（1）、半导体激光器（2）和控制盒（4）安装于激光发射端设置的固定座（5）上，固定座（5）上设置有水平的安装平板，激光测距机（1）位于安装平板上方，半导体激光器（2）和控制盒（4）位于安装平板下方。4.根据权利要求1所述的基于PSD和激光测距的位移形变测量装置，其特征在于：控制盒（4）内存放有DC/DC电源板、SPC板、信号处理板、FPGA电...

【专利技术属性】
技术研发人员：任晓春，唐利孬，武瑞宏，叶茂，王俊清，田社权，袁永信，
申请(专利权)人：中铁第一勘察设计院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61