專利名稱：激光位移測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種激光位移測(cè)量?jī)x。
背景技術(shù)：
變形位移量測(cè)無論在科學(xué)技術(shù)研究還是在工程建設(shè)方面都有著其重要作用大壩水平與垂直位移、隧道周邊位移、構(gòu)建物水平與垂直位移等。變形位移量測(cè)的方法有用激光距儀、全站儀、數(shù)字(傳統(tǒng))經(jīng)緯儀亦可完成?，F(xiàn)有的變形位移量存在測(cè)量裝置復(fù)雜以及誤差大等缺點(diǎn)，某些如全站儀、測(cè)距儀等在用于變形位移監(jiān)測(cè)時(shí)，設(shè)備本身的精度、尤其是使用過程中人為操作上的誤差是不可避免的；另外，現(xiàn)有的基于激光的位移檢測(cè)方法，采用直接測(cè)量?jī)纱挝灰浦怠⒃偾笃洳钪档姆椒?，由于在惡劣的環(huán)境中，要測(cè)量較為精確的兩次位移值難度很大，尤其容易引入設(shè)備的安裝誤差等誤差，從而總整體上導(dǎo)致誤差較大，一般單次誤差在士3mm左右，甚至測(cè)量誤差大于實(shí)際位移量。例如目前在隧道施工中，隧道周邊位移監(jiān)測(cè)大多采用帶鋼尺的收斂計(jì)和帶掛尺的水準(zhǔn)儀來完成，由于鋼尺材料受溫度變化影響較大，盡管使用時(shí)進(jìn)行溫度等進(jìn)行修正(補(bǔ)償)，仍存在較大偏差，此偏差隨環(huán)境不同有時(shí)大于實(shí)際變形位移量，這是其一；其二是這些數(shù)據(jù)是通過人工觀測(cè)讀取獲得，同一個(gè)人在不同時(shí)間的存在一定的讀取偏差，不同的人在同一時(shí)間也存在讀取偏差；其三也是由于鋼尺的存在，與隧道施工相互干擾，當(dāng)測(cè)點(diǎn)之間掛上鋼尺時(shí)是禁止車輛通行的，當(dāng)隧道施工有車輛通行亦無法進(jìn)行變形位移數(shù)據(jù)采集的。 當(dāng)采用其他方法如全站儀等亦存在相似的問題。因此，有必要提出一種更為簡(jiǎn)單且更為精確的測(cè)量方案。由于激光波長(zhǎng)單一測(cè)量精度高且智能激光變形位移計(jì)結(jié)構(gòu)小巧安裝調(diào)整方便，及遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，故智能激光變形位移計(jì)是目前高精度測(cè)量變形位移較理想的儀器之一。1、激光光源與普通光源有顯著的區(qū)別它利用受激發(fā)射原理和激光腔的濾波效應(yīng)使所發(fā)光束具有一系列新的特點(diǎn)①激光有小的光束發(fā)散角即所謂的方向性好或準(zhǔn)直性好；②激光的單色性好或者說相干性好，普通燈源或太陽光都是非相干光；③激光的輸出功率雖然有限度，但光束所以功率密度很高一般的激光亮度遠(yuǎn)比太陽表面的亮度大。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種激光位移測(cè)量?jī)x，該激光位移測(cè)量?jī)x易于實(shí)施，且精度高。實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下[0014]一種位移測(cè)量?jī)x，包括正弦波發(fā)生器、激光調(diào)制器、激光發(fā)射頭、激光接收器、激光解調(diào)器、相位比較器、相位差-距離換算單元和數(shù)據(jù)處理單元；正弦波發(fā)生器發(fā)出的正弦信號(hào)分兩路分別輸出到相位比較器的第一輸入端和激光調(diào)制器，激光發(fā)射頭接激光調(diào)制器的輸出端；激光解調(diào)器的輸入端接激光接收頭，激光解調(diào)器的輸出端接相位比較器的第二輸入端；相位比較器的輸出端接相位差-距離換算單元，相位差-距離換算單元的輸出端接數(shù)據(jù)處理單元。在數(shù)據(jù)處理單元中通過對(duì)本次(Tn時(shí)刻)相位差與前次(Tlri時(shí)刻)相位差比較獲得Tlri至Tn時(shí)間段的變形位移量ALn_n ；通過對(duì)本次(Tn時(shí)刻)相位差與初次(Ttl時(shí)刻)相位比較獲得Ttl至Tn時(shí)間段的最終的變形位移量Δ L。所述的位移測(cè)量?jī)x還包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示單元；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示單元與數(shù)據(jù)處理單元連接。所述的位移測(cè)量?jī)x還包括通信單元；通信單元與數(shù)據(jù)處理單元連接。所述的位移測(cè)量?jī)x還包括與數(shù)據(jù)處理單元連接的元件編碼與識(shí)別單元。基于該激光位移測(cè)量?jī)x的檢測(cè)方法，包括以下步驟步驟1 準(zhǔn)備工作在被測(cè)目標(biāo)物上安裝一面反射鏡，設(shè)定激光的調(diào)制頻率；步驟2 獲取2個(gè)相位差值根據(jù)相位差獲取步驟獲取Ttl時(shí)刻的相位差J卿以及T1 時(shí)刻的相位差^VnTtl時(shí)刻和T1時(shí)刻均指接收到反射激光的時(shí)間；步驟3 計(jì)算變形位移量Δ L Δ L 計(jì)算公式為ZlL= 廠Z^0入其中 K = cA4 π f)；所述的相位差獲取步驟為由位移測(cè)量?jī)x的激光發(fā)射頭發(fā)出一束具有該調(diào)制頻率的激光即入射激光；激發(fā)該入射激光的電信號(hào)為第一正弦信號(hào)；該束激光經(jīng)所述的反射鏡反射后形成反射激光被位移測(cè)量?jī)x上的激光接收頭獲取，通過激光解調(diào)器獲得反射激光對(duì)應(yīng)的電信號(hào)為第二正弦信號(hào)；比較第一正弦信號(hào)與第二正弦信號(hào)，獲得相位差對(duì)應(yīng)激光信號(hào)往返一次產(chǎn)生相位延遲不足η部分的相位差。所述的調(diào)制頻率范圍為50ΜΗζ-300ΜΗζ。(調(diào)制頻率范圍為50MHz_300MHz 對(duì)應(yīng) 50MHz時(shí)變形范圍為0-1500mm，對(duì)應(yīng)IOOMHz時(shí)變形范圍為0_750mm，對(duì)應(yīng)300MHz時(shí)變形范圍為0-250mm，使用時(shí)按預(yù)估變形量選用相應(yīng)的調(diào)制頻率。)本實(shí)用新型采用激光測(cè)量變形位移的原理智能激光變形位移計(jì)的測(cè)距原理是由激光器對(duì)被測(cè)目標(biāo)發(fā)射一個(gè)光信號(hào)，然后接受目標(biāo)反射回來的光信號(hào)，通過量測(cè)光信號(hào)往返經(jīng)過的時(shí)間，計(jì)算出目標(biāo)的距離。設(shè)目標(biāo)A、B的距離為L(zhǎng)，光信號(hào)往返所走過的距離即為2L，則t= 2L/c (1-1)即L = ct/2 (1-2)式中c——光在空氣中的傳播速度，c 3 XlOVs ；t——光信號(hào)往返所經(jīng)過的時(shí)間，s ；L——檢測(cè)目標(biāo)的距離，m。由上式可知，要量測(cè)A、B兩點(diǎn)距離實(shí)際上是要量測(cè)光傳播的時(shí)間t，因光速太高，直接測(cè)量光傳播的時(shí)間t比較困難，通常采用間接測(cè)量光傳播的時(shí)間t方法。根據(jù)量測(cè)時(shí)間方法的不同，通常又可分為脈沖式和相位式兩種量測(cè)形式。智能激光變形位移計(jì)采用相位式量測(cè)形式。為了保證其高精度，并有效地反射信號(hào)，且使測(cè)定的目標(biāo)限制在與儀器精度相稱的某一特定點(diǎn)上，智能激光變形位移計(jì)應(yīng)配置反射鏡。若調(diào)制光角頻率為ω，在待量測(cè)距離L上往返一次產(chǎn)生的相位延遲為ρ，則對(duì)應(yīng)時(shí)間t可表示為
(1-3)
=φ/ω將此關(guān)系代入(1-2)式距離L可表示為
L=l/2 ct=l/2 ·φ/ω= /(4πβ (Νπ+Αφ) =c/4f (N+AN)=U(N+AN) (1-4)式中:φ—信號(hào)往返測(cè)線一次產(chǎn)生的總的相位延遲；ω——調(diào)制信號(hào)的角頻率，ω = 2 Ji f ；U——單位長(zhǎng)度，數(shù)值等于1/4調(diào)制波長(zhǎng)；N——測(cè)線所包含調(diào)制半波長(zhǎng)個(gè)數(shù)；Αφ—信號(hào)往返測(cè)線一次產(chǎn)生相位延遲不足π部分；Δ N——測(cè)線所包含調(diào)制波不足半波長(zhǎng)的小數(shù)部分，JiV=識(shí)/ω。在給定調(diào)制和標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，頻率c/ (4 π f)是一個(gè)常數(shù)，此時(shí)距離的量測(cè)變成了測(cè)線所包含半波長(zhǎng)個(gè)數(shù)的量測(cè)和不足半波長(zhǎng)的小數(shù)部分的量測(cè)即測(cè)N和ρ。為了測(cè)得不足η的相角P，可以通過不同的方法來進(jìn)行量測(cè)，通常應(yīng)用最多的是延遲測(cè)相和數(shù)字測(cè)相， 目前本智能激光變形位移計(jì)采用數(shù)字測(cè)相原理來求得F由于變形位移只須量測(cè)相對(duì)位移量，設(shè)Ttl時(shí)刻測(cè)得A、B兩點(diǎn)距離為L(zhǎng)tl，設(shè)T1時(shí)刻測(cè)得A、B兩點(diǎn)距離為L(zhǎng)1,則Ttl至T1時(shí)間段A、B兩點(diǎn)間相對(duì)位移為
AL= L「L0=c/(4nfl (Njn+Afj) - c/(4nf) (Ν0π+Δφ0)或Δ L = L1-L0 = c/4f (N1+ Δ N1) -c/4f (N0+ Δ N0) (1-6)或AL = Li_L。= υ(Νι+ΔΝι)_υ(Ν。+ΔΝ。)(1-7)
)
5
-
1
/Iv
-個(gè)常數(shù)K，且使N。、Ν?！ぁ?N…亦為常數(shù)，U的
)
8
-
1
/Iv
(1-9) (1-10)若使用時(shí)設(shè)定調(diào)制頻率cA4 π f)為-值大于Δ L變化范圍，則
AL= L「Lo= Κ(Αφι~Αφο)或Δ L = L1-L0 = c/4f ( Δ N1- Δ N0)或Δ L = L1-L0 = U ( Δ N1- Δ N0)由激光器發(fā)出按某一頻率變化的正弦調(diào)制光波，光波的強(qiáng)度變化規(guī)律與光源的驅(qū)
動(dòng)電源的幅度變化完全相同，光波的頻率變化規(guī)律與光源的驅(qū)動(dòng)電源的頻率變化完全相
同，發(fā)出的光波到達(dá)被測(cè)目標(biāo)，智能激光變形位移計(jì)一般配置了被稱為合作目標(biāo)的反射鏡，
這塊反射鏡能把入射光束反射回去，而且保證反射光的方向與入射光方向完全一致。在儀
器的接收端獲得調(diào)制光波的回波，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和解調(diào)后，得到與接受到的光波調(diào)制頻率完
全相同的電信號(hào)，此電信號(hào)放大后與光源的驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行比較，測(cè)得兩個(gè)正弦電信號(hào)的相位差(^廠」一，根據(jù)調(diào)制光的波長(zhǎng)和所測(cè)相位差(^廠」一就可算得所測(cè)距離(不足半波長(zhǎng)的長(zhǎng)度)。有益效果本實(shí)用新型的激光位移測(cè)量?jī)x，巧妙地基于激光的相位差與變形位移的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系這一核心構(gòu)思，形成一種既簡(jiǎn)單由精確的測(cè)量方案。激光位移測(cè)量?jī)x具有結(jié)構(gòu)小巧安裝調(diào)整方便、精度高、遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)ο本位移測(cè)量?jī)x與一般數(shù)顯收斂?jī)x(隧道內(nèi)使用)相比有以下特點(diǎn)①激光變形位移計(jì)不使用一般數(shù)顯收斂?jī)x的鋼尺，屬無尺量測(cè)，對(duì)隧道施工和營(yíng)運(yùn)無干擾；②激光變形位移計(jì)不使用一般數(shù)顯收斂?jī)x的鋼尺，沒有鋼尺本身材料不同長(zhǎng)度和溫度下的變形；本實(shí)用新型的激光位移測(cè)量?jī)x與一般其他變形位移監(jiān)測(cè)儀器相比，有以下特點(diǎn)①由于設(shè)備的用途使某些如全站儀、測(cè)距儀等在用于變形位移監(jiān)測(cè)時(shí)，設(shè)備本身的精度、尤其是使用過程中人為操作上的誤差是不可避免的，本激光變形位移計(jì)在操作過程中不存在人為操作誤差；②單獨(dú)使用時(shí)，與一般其他變形位移監(jiān)測(cè)方式相比具有數(shù)據(jù)采集快，勞動(dòng)強(qiáng)度低。③激光變形位移計(jì)通過組網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)時(shí)間和連續(xù)監(jiān)測(cè)，可根據(jù)不同使用環(huán)境設(shè)置相應(yīng)的報(bào)警方式。變形位移累計(jì)值(Ttl至Tn時(shí)間段的最終的變形位移量AL)超過設(shè)定值時(shí)或Tlri 至Tn時(shí)間段的的變形位移量ALlriI超過設(shè)定值時(shí)可以以聲、光發(fā)出警報(bào)。

圖1是位移測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)框圖。圖2為多點(diǎn)檢測(cè)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說明實(shí)施例1 如圖1所示，位移測(cè)量?jī)x包括正弦波發(fā)生器、激光調(diào)制器、激光發(fā)射頭、激光接收器、激光解調(diào)器、相位比較器、相位差-距離換算單元和數(shù)據(jù)處理單元；正弦波發(fā)生器發(fā)出的正弦信號(hào)分兩路分別輸出到相位比較器的第一輸入端和激光調(diào)制器，激光發(fā)射頭接激光調(diào)制器的輸出端；激光解調(diào)器的輸入端接激光接收頭，激光解調(diào)器的輸出端接相位比較器的第二輸入端；相位比較器的輸出端接相位差-距離換算單元，相位差-距離換算單元的輸出端接數(shù)據(jù)處理單元。在數(shù)據(jù)處理單元中獲得最終的變形位移量AL。在數(shù)據(jù)處理單元中通過對(duì)本次(Tn時(shí)刻)相位差與前次(Tlri時(shí)刻)相位差比較獲得Tlri至Tn時(shí)間段的變形位移量ALn_n ；通過對(duì)本次(Tn時(shí)刻)相位差與初次(T0時(shí)刻)相位比較獲得T0至Tn時(shí)間段的最終的變形位移量Δι。所述的位移測(cè)量?jī)x還包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示單元；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示單元與數(shù)據(jù)處理單元連接。所述的位移測(cè)量?jī)x還包括通信單元；通信單元與數(shù)據(jù)處理單元連接。例如只進(jìn)行某一方向位移監(jiān)測(cè)，預(yù)計(jì)變形位移不超過250mm。首先設(shè)定變形位移范圍0 250mm，調(diào)制頻率300MHz。第一次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(第1時(shí)刻)
AL0= Κ(ΔφΓΔφο) = 13%9Χ(19-10ι)=12.500\η\η其中K = c/GJI f) = 1. 389，(下同)若第二次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(第一次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后M小時(shí)(第2時(shí)刻))
AL1 = Κ(ΔφΓΔφ0) = 1.3 89 X (22-11)/180=15.278mm則M小時(shí)內(nèi)這一方向位移為AL= Δ L1- Δ L0 = 15. 278-12. 500 = 2. 778mm，說明這一測(cè)點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)之間相背
方向遠(yuǎn)離。若第二次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(第一次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后M小時(shí)(第2時(shí)刻))
AL1= Κ(ΔφΓΔφ0) = 13%9Χ(η-6)=9.122mm則M小時(shí)內(nèi)這一方向位移為AL= AL1-AL0 = 9. 722-12. 500 = -2. 978mm，說明這一測(cè)點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)之間相向
方向靠近。二次數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔范圍0. 01秒至若干小時(shí)，可根據(jù)相關(guān)要求人工確定，亦可通過系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定。調(diào)制頻率300MHz時(shí)分辯率約為0. Olmm,調(diào)制頻率150MHz時(shí)分辯率約為0. 02mm, 調(diào)制頻率50MHz時(shí)分辯率約為0. 05mm。這里的分辨率即對(duì)應(yīng)了測(cè)量精度。采用本實(shí)用新型的注意事項(xiàng)(1)氣象條件對(duì)光電測(cè)距影響較大，微風(fēng)的陰天是觀測(cè)的良好時(shí)機(jī)。(2)測(cè)線應(yīng)盡量離開地面障礙物1. 3m以上，避免通過發(fā)熱體和較寬水面的上空。(3)測(cè)線應(yīng)避開強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾的地方，例如測(cè)線不宜接近變壓器、高壓線等。(4)鏡站的后面不應(yīng)有反光鏡和其他強(qiáng)光源等背景的干擾。(5)要嚴(yán)防陽光及其他強(qiáng)光直射接收物鏡，避免光線經(jīng)鏡頭聚焦進(jìn)入機(jī)內(nèi)，將部分元件燒壞，陽光下作業(yè)應(yīng)撐傘保護(hù)儀器。為了降低設(shè)備成本和不同使用條件，曾考慮過三個(gè)方案方案一是將激光發(fā)射與接收單元獨(dú)立封裝對(duì)其進(jìn)行編碼，在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)只安裝此單元，其他部分共用，此方案為最簡(jiǎn)方案，應(yīng)用于各測(cè)點(diǎn)獨(dú)立使用條件下；方案二是將激光調(diào)制、激光發(fā)射、接收、激光解調(diào)、相位比較等單元獨(dú)立封裝對(duì)其進(jìn)行編碼，在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)只安裝此單元，其他部分共用，此方案為推薦方案，應(yīng)用于各測(cè)點(diǎn)組網(wǎng)使用條件下，如圖2所示；方案三是將激光調(diào)制、激光發(fā)射、 接收、激光解調(diào)、相位比較、通訊等單元獨(dú)立封裝對(duì)其進(jìn)行編碼，在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)只安裝此單元，其他部分共用，此方案為高級(jí)方案，應(yīng)用于各測(cè)點(diǎn)組網(wǎng)遠(yuǎn)程使用條件下，故有元件編碼與識(shí)別。測(cè)量距離選擇是為了保證調(diào)制波的激光發(fā)射功率，以保證被測(cè)對(duì)象反射波至激光接收端的強(qiáng)度。頻率選擇是為了保證調(diào)制波的半波長(zhǎng)度總是大于變形值或位移值。
權(quán)利要求1.一種激光位移測(cè)量?jī)x，其特征在于，包括正弦波發(fā)生器、激光調(diào)制器、激光發(fā)射頭、激光接收器、激光解調(diào)器、相位比較器、相位差-距離換算單元和數(shù)據(jù)處理單元；正弦波發(fā)生器發(fā)出的正弦信號(hào)分兩路分別輸出到相位比較器的第一輸入端和激光調(diào)制器，激光發(fā)射頭接激光調(diào)制器的輸出端；激光解調(diào)器的輸入端接激光接收頭，激光解調(diào)器的輸出端接相位比較器的第二輸入端；相位比較器的輸出端接相位差-距離換算單元，相位差-距離換算單元的輸出端接數(shù)據(jù)處理單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光位移測(cè)量?jī)x，其特征在于，還包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示單元； 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示單元與數(shù)據(jù)處理單元連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光位移測(cè)量?jī)x，其特征在于，還包括通信單元；通信單元與數(shù)據(jù)處理單元連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的激光位移測(cè)量?jī)x，其特征在于，還包括與數(shù)據(jù)處理單元連接的元件編碼與識(shí)別單元。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種激光位移測(cè)量?jī)x，包括正弦波發(fā)生器、激光調(diào)制器、激光發(fā)射頭、激光接收器、激光解調(diào)器、相位比較器、相位差-距離換算單元和數(shù)據(jù)處理單元；正弦波發(fā)生器發(fā)出的正弦信號(hào)分兩路分別輸出到相位比較器的第一輸入端和激光調(diào)制器，激光發(fā)射頭接激光調(diào)制器的輸出端；激光解調(diào)器的輸入端接激光接收頭，激光解調(diào)器的輸出端接相位比較器的第二輸入端；相位比較器的輸出端接相位差-距離換算單元，相位差-距離換算單元的輸出端接數(shù)據(jù)處理單元。本實(shí)用新型的激光位移測(cè)量?jī)x易于實(shí)施，且精度高。
文檔編號(hào)G01B11/02GK202329554SQ20112043583
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月7日
發(fā)明者邱業(yè)建 申請(qǐng)人:邱業(yè)建