一种大范围位移的精确测量方法、装置及其应用制造方法及图纸

本发明专利技术涉及位移的精确测量技术领域，尤其涉及沉降观测技术领域，公开了一种大范围位移的精确测量方法、装置及其应用，本发明专利技术通过将面阵CCD与位置导向器配合使用，通过两级位移测量相结合，极大地扩展了测距范围。本发明专利技术装置自动化程度高，测量精度高达微米级，具有精确、快速、位移测量范围广的特点。可广泛应用于大范围位移偏移量的测量过程中，如高速铁路路基沉降监测与隧道形变量测等方面。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及位移的精确测量
，尤其涉及沉降观测

技术介绍
随着国家高铁事业的迅猛发展，高铁总里程数与铁路运力不断提高。这些对铁路轨道路基沉降的控制提出了越来越高的要求，对路基沉降的监测也提出了更大的挑战。传统的土木监测技术有监测桩法、沉降板法、水管式沉降仪法、单点沉降计法等。这些方法均需要人工读数，耗费人力效率低下，且无法实现自动检测和远程监控。相比之下光学测量技术速度快，精度高，有利于采集数据进行数字信息化处理，提高工作效率。在光学测量技术中,面阵CCD是一系列排列成面阵的微小光敏器件组成的探测器阵列，可以检测到微米级的细微位移，是检测系统的位移检测核心。但其制作成本高，尺寸较小，只能实现小范围的位移测量，不利于其实际应用。例如，在铁路隧道的施工过程中，隧道的挖掘不可避免地会对土体产生不停程度的扰动和破坏。如果地层形变过大，极易诱发塌方等隧道事故。根据岩体完整程度和岩石强度等指标，我国对围岩进行等级划分，分为一到六级，数字越小围岩性质越好。对其进行沉降监控时一般情况下Ⅰ，Ⅱ级较为稳定，沉降程度低，Ⅲ级围岩每400m、Ⅳ级围岩每300m、Ⅴ级围岩每200m布设一个观测断面。该区间内沉降范围往往达到几十厘米，现有的面阵CCD测量方式难以实现如此大范围的精确测量。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种大范围位移的精确测量方法，能够精确测量待测目标的大范围位置偏移量，解决了面阵CCD元件因为尺寸限制造成的测量范围小的问题，极大的提高了测量的范围，且测量的范围可扩展，易于实现测量过程自动化与信息化，提高了工作效率且避免了人的观测误差。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种大范围位移的精确测量方法，包括：随待测目标移动的激光器，用于从所述待测目标的位置发射定向的光信号；在大的空间平面范围内捕捉所述光信号的位置导向器；以及在小的空间平面范围内捕捉所述光信号的面阵CCD元件；所述位置导向器和面阵CCD元件所捕捉所述光信号的空间平面平行；首先利用位置导向器在所述大的空间平面范围内确定所述光信号所在的所述小的空间平面范围，再利用所述面阵CCD元件在所述小的空间平面范围内确定所述光信号的精确位置；根据所述待测目标在移动前后所测定的所述光信号的精确位置，测算得到所述待测目标在所测空间平面上的位移。所述位置导向器包括光敏器件，布置在所述大的空间平面范围内，用以捕捉所述光信号，所述小的空间平面范围为单一光敏器件在所测空间平面内能够感知所述光信号的范围；所述面阵CCD元件能够按一定方式完全覆盖所述光敏器件，使得所述面阵CCD元件与所述光敏器件的相对位置在覆盖状态时保持不变；所述面阵CCD元件移动至按既定方式覆盖所述光敏器件时，由所述面阵CCD元件上的某感光点所感知到所述光信号的位置即为所述光信号的精确位置。进一步地，待测目标在前后两个不同精确位置之间的位移由所述面阵CCD元件位移和所述感光点变化位移相加计算得到；所述面阵CCD元件位移是指所述面阵CCD元件由测定前一精确位置处向测定后一精确位置处移动所产生的位移；所述感光点变化位移是指由前一感知到所述光信号的感光点在所述面阵CCD元件上的位置到后一感知到所述光信号的感光点在所述面阵CCD元件上的位置的位移。进一步地，所述位置导向器包括多个光敏器件，光敏器件作为光敏单元均匀排布构成光敏单元矩阵，所述光敏单元矩阵在所测空间平面内能够感知所述光信号的范围即为所述大的空间平面范围。具体地，所述光敏器件为方形的光敏电阻、光敏二极管或光敏三极管，相邻光敏器件紧密排布，并通过监测电路实现对所述光信号的感知。进一步地，所述光敏单元矩阵侧方设有由伺服电机驱动的传动机构，所述传动机构带动面阵CCD元件平行于所述光敏单元矩阵移动，以覆盖感知所述光信号的光敏器件；所述面阵CCD元件的平面位移通过所述伺服电机精确测算得到。进一步地，所测空间平面与所述光信号的发射方向垂直，所述待测目标的空间位移由以下方法测算得到：测定所述光信号在所述待测目标移动前后由激光器到达所述位置导向器的时间差值，根据光速，由位移-时间公式计算得到所述待测目标垂直于所测空间平面的位移，将其与所述待测目标在所测空间平面上的位移相加即得所述待测目标的空间位移。作为优选，所述大的空间平面范围包括所述待测目标的移动路径沿所述激光器发光方向在所述大的空间平面上的二维投影。本专利技术还提供了一种大范围位移的精确测量装置，解决了面阵CCD元件因为尺寸限制造成的测量范围小的问题，具有测量范围大、精度高的优点，且测量的范围易于扩展，实现了测量过程的自动化与信息化，提高了工作效率，避免了人的观测误差。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种大范围位移的精确测量装置，包括：半导体激光器、位置导向器和位于前两者之间的面阵CCD元件，以及驱动所述面阵CCD元件的动力传动机构和控制器；所述激光器与待测目标绑定，随待测目标移动，用于从所述待测目标的位置发射定向的光信号；所述位置导向器包括光敏单元矩阵，其由多个与监测电路相连的方形光敏器件均匀排列构成，所述光敏器件用于感知所述光信号，所述监测电路用于识别所述光敏单元矩阵中感知所述光信号的光敏器件，所述监测电路与所述控制器连接；所述动力传动机构为二维运动平台，由伺服电机驱动所述面阵CCD元件在运动平面内移动，所述伺服电机通过驱动电路与所述控制器连接；所述面阵CCD元件及其运动平面均与所述光敏单元矩阵平行，且所述面阵CCD元件的尺寸不小于所述光敏器件的尺寸，以使所述面阵CCD元件能够覆盖所述光敏器件；所述面阵CCD元件与所述控制器连接；所述控制器首先通过所述监测电路识别所述光敏单元矩阵中感知所述光信号的光敏器件，再通过所述驱动电路控制二维运动平台带动所述面阵CCD元件移动至覆盖所述光敏器件，所述面阵CCD元件上感知到所述光信号的感光点的位置由所述控制器获得，即为所述光信号的精确位置；根据所述待测目标在移动前后所测定的所述光信号的精确位置，测算得到所述待测目标在所测空间平面上的位移。本专利技术还提供了前述方法及装置在路基沉降监测或隧道形变量监测
中的应用。将前述的位置导向器和面阵CCD元件作为检测器，固定于观测点，观测点在施工过程中基本不会产生偏移，将激光发射器固定于路基或隧道的观测断面并使其激光束指向观测点的检测器，由此获取激光点精确位置，一段时间后当观测断面连同激光器发生沉降或形变时，再次检测出激光点位置。将不同时段位置坐标进行比对，即可获取精确沉降位移或形变量。将面阵CCD元件与观测断面平行布置时，即检测器所测空间平面与所述光信号的发射方向垂直，不仅能够精确获取路基或隧道的垂直方向偏移，而且由于使用了二维面阵检测方式，还可精确计算出路基或隧道的水平偏移量，实现了对沉降或形变的全方位测量。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本专利技术方法通过将面阵CCD与位置导向器相结合的方式，通过两级位移测量，即利用位置导向器确定光信号在大的空间平面范围内的位置变化和光信号在面阵CCD元件上不同感光点位置的变化，叠加得到待测目标的大范围位置偏移量，极大地扩展了测距范围，测量精确，解决了面阵CCD元件因为尺寸限制造成的测量范围小的问题，测量精度能够达到微米级。本专利技术方法的测量范围可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大范围位移的精确测量方法，其特征在于：包括：随待测目标移动的激光器，用于从所述待测目标的位置发射定向的光信号；在大的空间平面范围内捕捉所述光信号的位置导向器；以及,在小的空间平面范围内捕捉所述光信号的面阵CCD元件（3）；所述位置导向器和面阵CCD元件（3）所捕捉所述光信号的空间平面平行；首先利用位置导向器在所述大的空间平面范围内确定所述光信号所在的所述小的空间平面范围，再利用所述面阵CCD元件（3）在所述小的空间平面范围内确定所述光信号的精确位置；根据所述待测目标在移动前后所测定的所述光信号的精确位置，测算得到所述待测目标在所测空间平面上的位移。

【技术特征摘要】
1.一种大范围位移的精确测量方法，其特征在于：包括：随待测目标移动的激光器，用于从所述待测目标的位置发射定向的光信号；在大的空间平面范围内捕捉所述光信号的位置导向器；以及,在小的空间平面范围内捕捉所述光信号的面阵CCD元件（3）；所述位置导向器和面阵CCD元件（3）所捕捉所述光信号的空间平面平行；首先利用位置导向器在所述大的空间平面范围内确定所述光信号所在的所述小的空间平面范围，再利用所述面阵CCD元件（3）在所述小的空间平面范围内确定所述光信号的精确位置；根据所述待测目标在移动前后所测定的所述光信号的精确位置，测算得到所述待测目标在所测空间平面上的位移。2.根据权利要求1所述的大范围位移的精确测量方法，其特征在于：所述位置导向器包括光敏器件，布置在所述大的空间平面范围内，用以捕捉所述光信号，所述小的空间平面范围为单一光敏器件在所测空间平面内能够感知所述光信号的范围；所述面阵CCD元件（3）能够按一定方式完全覆盖所述光敏器件，使得所述面阵CCD元件（3）与所述光敏器件的相对位置在覆盖状态时保持不变；所述面阵CCD元件（3）移动至按既定方式覆盖所述光敏器件时，由所述面阵CCD元件（3）上的某感光点所感知到所述光信号的位置即为所述光信号的精确位置。3.根据权利要求2所述的大范围位移的精确测量方法，其特征在于：待测目标在前后两个不同精确位置之间的位移由所述面阵CCD元件位移和所述感光点变化位移相加计算得到；所述面阵CCD元件位移是指所述面阵CCD元件（3）由测定前一精确位置处向测定后一精确位置处移动所产生的位移；所述感光点变化位移是指由前一感知到所述光信号的感光点在所述面阵CCD元件（3）上的位置到后一感知到所述光信号的感光点在所述面阵CCD元件（3）上的位置的位移。4.根据权利要求1、2或3所述的大范围位移的精确测量方法，其特征在于：所述位置导向器包括多个光敏器件，光敏器件作为光敏单元均匀排布构成光敏单元矩阵（7），所述光敏单元矩阵（7）在所测空间平面内能够感知所述光信号的范围即为所述大的空间平面范围。5.根据权利要求4所述的大范围位移的精确测量方法，其特征在于：所述光敏器件为方形的光敏电阻、光敏二极管或光敏三极管，相邻光敏器件紧密排布，并通过监测电路实现对所述光信号的感知。6.根据权利要求4所述的大范围位移的精确测量方法，其特征在于：所述光敏单元矩阵（7）侧方设有由伺服电机驱动的传动机构，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：马月辉，于正航，赵慧俊，胡楠，王婵，刘宁宁，杨峰涛，冯晓琳，王娜，
申请(专利权)人：石家庄铁道大学，
类型：发明
国别省市：河北;13