本實用新型涉及一種激光二維位移測量裝置。

背景技術：

隨著我國綜合國力的日益增強，交通運輸業(yè)發(fā)展迅速，各類橋梁涵洞及隧道等大型基礎設施在鐵路和公路交通工程中的重要性日益突出，其安全檢測必不可少。橋梁的位移能直接反映結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、承載能力和健康狀況。隨著橋梁健康監(jiān)測研究工作的進行，出現(xiàn)了許多用于位移及撓度測量的方法和儀器。目前在橋梁長期健康監(jiān)測技術中，基于光電測量法的橋梁撓度測量技術得到了較快的方法。光電測量法主要有兩大類：基于光電成像原理和基于激光準直原理。

前者是將光靶標固定在橋面或其他被測點上，在橋墩或者地面固定光電成像裝置，光靶標通過光電成像系統(tǒng)上的透鏡在光敏探測器上成像，其中光敏探測器一般采用面陣CCD或者CMOS。當光靶標隨著被測點產(chǎn)生位移時，光靶標在光敏探測器上的像點會產(chǎn)生成比例的相對位移。像點在光敏探測器上的位移乘以一個放大倍率即是被測點的位移。

后者是將激光發(fā)生器固定在橋面或者其他被測點上，在橋墩或者地面固定光斑接收裝置，激光光斑直接垂直打在光斑接收屏上。當被測點產(chǎn)生位移時，激光發(fā)生器與被測點產(chǎn)生同步位移，并且被測點的位移與光斑在光斑接收屏上的位移相同。

對于基于光電成像原理的光電測量裝置，實際測量時需要知道準確的物距才能知道像點的位移與被測點位移的準確關系。該類儀器一般是在經(jīng)緯儀的基礎上改造的，體積大，不能離開人進行長期自動監(jiān)測。若是在橋梁運營期進行橋梁撓度測量，往往還需要臨時封路。

對于基于激光準直原理的光電測量裝置，實際測量時去掉了透鏡的影響。當裝置使用線陣CCD識別光斑位置時，只能測量一維位移，不能進行二維位移測量；當采用圖像識別光斑位置時，其響應頻率一般在25Hz內(nèi)，不足以滿足橋梁動撓度監(jiān)測。

以上這些缺點都制約了橋梁撓度儀在全天候、實時、自動橋梁動撓度監(jiān)測中的應用。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是改進目前的光電測量法，結(jié)合現(xiàn)有橋梁撓度檢測儀的優(yōu)點，設計出一種基于激光準直原理的二維位移測量裝置，實現(xiàn)全天候、實時、自動監(jiān)測橋梁的位移。

為了達到上述目的，本實用新型提供了一種基于激光準直原理的二維位移測量裝置，包括光學基準模塊、位移測量模塊，所述光學基準模塊固定在基準面上，所述位移測量模塊安裝于被測物上，所述光學基準模塊包括調(diào)節(jié)支座和固定在其上的激光發(fā)生器，所述位移測量模塊為二維位移測量盒，包括光擴散板、光電晶體管陣列、掃描電路、AD采集電路、MCU處理器和4G網(wǎng)絡模塊，所述光擴散板置于光電晶體管陣列前方，所述光電晶體管陣列、掃描電路、AD采集電路、MCU處理器、4G網(wǎng)絡模塊依次連接。

所述的二維位移測量裝置還包括工程監(jiān)測機，所述二維位移測量盒通過4G網(wǎng)絡模塊與工程監(jiān)測機之間通過無線網(wǎng)絡連接。所述工程監(jiān)測機可為固定式或移動式數(shù)據(jù)終端。

本實用新型利用了激光單色性好、相干性好、方向性好和亮度高的特性，保證了當被測物產(chǎn)生位移變化時，激光投射在光電晶體管陣列上的光斑位移變化與被測物位移變化相等。

同時，與現(xiàn)有的基于光電測量法的橋梁撓度儀不同，所述測量裝置采用光電晶體管陣列作為光敏傳感器。當激光光斑打在光電晶體管間的間隙時，光電晶體管陣列沒有電信號產(chǎn)生，因此使用光擴散板來擴大光斑大小，使光斑至少覆蓋兩個光電晶體管。

當激光經(jīng)過光擴散板放大以后，光斑的光強沿半徑方向呈正態(tài)分布。不同光強的光打在光電晶體管上會產(chǎn)生成正比的電壓，根據(jù)電壓的大小來計算光斑中心的位置。因此，當激光的光斑投射在光電晶體管陣列上時，接收到激光的光電晶體管產(chǎn)生電壓信號，通過掃描電路和AD采集電路將該電壓信號傳遞給MCU處理器，MCU處理器對電流強度進行分析后輸出激光光斑在光電晶體管陣列上的坐標。

本裝置的優(yōu)點如下：

1、現(xiàn)有的基于光電成像原理的橋梁撓度儀采用CCD面陣作為光敏傳感器，一般是在經(jīng)緯儀的基礎上改造而成，體積較大，使用麻煩，在測量橋梁動撓度時，往往需要占道或者封路。本裝置采用光電晶體管陣列作為光敏傳感器后，體積變的很小，適合將二維位移測量盒固定在被測物上，并做長期監(jiān)測；

2、本實用新型在實際測量中，采樣頻率可以達到100Hz，足夠滿足對橋梁動撓度的監(jiān)測，可以完整監(jiān)測出橋梁的振動過程；

3、現(xiàn)有的基于光電測量法的橋梁撓度儀都需要使用電腦做數(shù)據(jù)處理，那么在野外作業(yè)時，電腦的續(xù)航能力將大大限制該類橋梁撓度儀的使用范圍。本實用新型使用的光電晶體管陣列的晶體管密度小，數(shù)據(jù)處理簡單，因此在二維位移測量盒中內(nèi)置低功耗的MCU處理器，即可實現(xiàn)全天候監(jiān)測；

4、光電晶體管陣列的面積可以隨意擴展，因此本裝置的量程也可以隨著光電晶體管陣列的面積隨意擴展，并且不會影響到精度；

5、考慮到橋梁位移監(jiān)測時，安裝條件有很大的不確定性，特別是野外作業(yè)，因此本實用新型使用4G網(wǎng)絡模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫耍O(jiān)測人員可通過手機、電腦、平板等從云端下載監(jiān)測數(shù)據(jù)，以此做到遠距離實時監(jiān)測，節(jié)省人力。

附圖說明

圖1為本實用新型提供的基于激光準直原理的二維位移測量系統(tǒng)的示意圖。

圖2為二維位移測量盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為光電晶體管陣列上光斑示意圖。

圖4為激光光斑上光強隨坐標變化示意圖。

圖中：1、光學基準模塊；2、激光發(fā)生器；3、調(diào)節(jié)支座；4、二維位移測量盒；5、光擴散板；6、工程監(jiān)測機；7、被測物；8、光電晶體管陣列；9、掃描電路；10、AD采集電路；11、MCU處理器；12、4G網(wǎng)絡模塊。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型做進一步的說明。

如圖所示，一種基于激光準直原理的二維位移測量裝置，包括光學基準模塊1、位移測量模塊，所述光學基準模塊1固定在基準面上。所述位移測量模塊安裝于被測物7上，所述光學基準模塊1包括調(diào)節(jié)支座2和固定在其上的激光發(fā)生器2，所述位移測量模塊為二維位移測量盒，包括光擴散板5、光電晶體管陣列8、掃描電路9、AD采集電路10、MCU處理器11和4G網(wǎng)絡模塊12。所述光擴散板5置于光電晶體管陣列8前方，所述光電晶體管陣列8、掃描電路9、AD采集電路10、MCU處理器11、4G網(wǎng)絡模塊12依次連接。

所述的二維位移測量裝置還包括工程監(jiān)測機6，所述二維位移測量盒通過4G網(wǎng)絡模塊12與工程監(jiān)測機6之間通過無線網(wǎng)絡連接。所述工程監(jiān)測機6可為固定式或移動式數(shù)據(jù)終端。

本實用新型的工作原理是：用調(diào)節(jié)支座3將激光發(fā)生器2固定在基準面上，并調(diào)整發(fā)射激光的角度，將二維位移測量盒4安裝在被測物7上；所述激光發(fā)生器2發(fā)射的激光垂直打在所述光擴散板5上；激光穿透所述光擴散板5后光斑擴大，并垂直打在所述光電晶體管陣列8上；所述光電晶體管陣列8將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，電信號通過掃描電路9和AD采集電路10處理后傳輸給MCU處理器11，所述MCU處理器11通過電信號計算出光斑坐標，把這個光斑坐標減去初始值，即可得到被測物的位移；所述4G網(wǎng)絡模塊12將處理后的信息傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)云端，所述工程監(jiān)測機6從互聯(lián)網(wǎng)云端下載監(jiān)測數(shù)據(jù)。

本測量裝置計算光斑中心坐標的方法，下面舉例說明:圖3的陰影部分是激光穿過光擴散板后打在光電晶體管陣列8上的區(qū)域，(x₀，y₀)是光斑的中心點坐標，(x₁，y₁)、(x_２，y₁）、（x₁，y₂)和(x₂，y₂)是激光光斑所覆蓋的四個光電晶體管單位的坐標，四個光電晶體管的增益系數(shù)分別是g₁、g₂、g₃、g₄,產(chǎn)生的電壓分別為v₁、v₂、v₃、v₄。

當激光穿過光擴散板后，光強I隨離光斑中心的距離x-x₀呈現(xiàn)正太分布，如圖4所示，即

$I\left(x\right)=\frac{I_0}{\sqrt{2{\mathrm{\π\σ}}_0^2}}{e}^{-\frac{{(x-x_0)}^2}{2{\mathrm{\σ}}_0^2}}$

$I\left(y\right)=\frac{I_0}{\sqrt{2{\mathrm{\π\σ}}_0}}{e}^{-\frac{{(y-y_0)}^2}{2{\mathrm{\σ}}_0^2}}$

其中：I₀為激光穿過光擴散板前的光強

σ₀為光斑通過光擴散板后光強的方差。

當光打在光電晶體管后，光電晶體管產(chǎn)生的電壓與光強成正比，即V＝kI,k

為比例系數(shù)。那么光斑中心坐標為，

$x_0=Aln\left(\frac{v_2}{v_1}\right)+B$

其中：

$B=A\[ln\left(\frac{g_1}{g_2}\right)+\mathrm{\γ}(x_2^2-x_1^2)\]$

$\mathrm{\γ}=\frac{1}{2{\mathrm{\σ}}_0^2}$

$y_0=A^{\′}ln\left(\frac{v_3}{v_1}\right)+B^{\′}$

其中：

$B^{\′}=A^{\′}\[ln\left(\frac{g_1}{g_3}\right)+\mathrm{\γ}(y_2^2-y_1^2)\]$

盡管上面結(jié)合附圖對本實用新型的優(yōu)選實例進行了描述，但是本實用新型并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，并不是局限性的，本領域的普通技術人員在本實用新型的啟示下，在不脫離本實用新型宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可以做出很多形式，這些均屬于本實用新型的保護范圍之內(nèi)。