線陣cmos垂線坐標儀的製作方法
2023-07-01 23:57:11 3
線陣cmos垂線坐標儀的製作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種線陣CMOS垂線坐標儀，包括殼體，還包括均設置於殼體內部的控制電路板、兩個平行光源裝置和兩個線陣CMOS圖像傳感器，兩個平行光源裝置相互垂直照射被測垂線鋼絲，兩個線陣CMOS圖像傳感器相互垂直且與所述平行光源裝置一一對應設置並接收被測垂線鋼絲平行光投影，兩個線陣CMOS圖像傳感器均連接控制電路板，控制電路板的輸出與殼體外側設置的顯示器相連接。本實用新型提供的線陣CMOS垂線坐標儀結構簡潔，工作可靠性和穩定性高，在擴展了有效測量量程的同時，減小了垂線坐標儀的體積，降低了生產成本，更有利於垂線坐標儀的廣泛推廣應用。
【專利說明】線陣CMOS垂線坐標儀
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及光電式垂線坐標儀，特別是一種光電圖像式線陣CMOS垂線坐標儀。
【背景技術】
[0002]巖土工程結構的位移以及變形監測是巖土工程安全監測中的重要監測項目之一。隨著科學技術的發展，特別是傳感器、單片機以及通訊技術的發展，為光電式垂線坐標儀在巖土工程安全監測中的應用奠定了基礎。光電式垂線坐標儀的測量原理是:垂線鋼絲在光源的照射下，在圖像傳感器上留下陰影；通過對圖像傳感器採集到的圖像信號進行分析找出陰影位置，進而解算出垂線鋼絲的坐標位置。光電式垂線坐標儀測量時與垂線鋼絲無接觸，不影響垂線鋼絲的狀態，其傳感器沒有傳統傳感器的電學漂移，已被廣泛應用於水電大壩、滑坡、大型建築物等巖土工程結構的水平位移和傾斜變形監測。
[0003]目前的光電式垂線坐標儀中通常是採用CXD圖像傳感器採集圖像，其缺點是:(XD圖像傳感器價格昂貴、整體結構特別是驅動電路結構複雜、功耗大，特別地，CCD圖像傳感器的有效量程小，很難實現較大量程的測量，這也在一定程度上限制了光電式CCD垂線坐標儀的進一步推廣應用。
實用新型內容
[0004]本實用新型針對現有的CCD垂線坐標儀價格昂貴、結構複雜、功耗大和有效量程小的問題，提供一種新型的線陣CMOS垂線坐標儀，該線陣CMOS垂線坐標儀具有價格低廉、結構簡潔、體積較小、性能更加穩定可靠、大幅度降低故障率和維護、維修工作更加容易等優點，不但可以大大節約儀器設備成本，並且可以很方便地實現超大量程監測功能。
[0005]本實用新型的技術方案如下:
[0006]一種線陣CMOS垂線坐標儀，包括殼體，所述殼體一側設置有使被測垂線鋼絲進入殼體的過線縫隙，所述殼體外側設置有顯示器，其特徵在於，還包括均設置於殼體內部的控制電路板、兩個平行光源裝置和兩個線陣CMOS圖像傳感器，所述兩個平行光源裝置相互垂直照射被測垂線鋼絲，所述兩個線陣CMOS圖像傳感器相互垂直且與所述平行光源裝置一一對應設置並接收被測垂線鋼絲平行光投影，所述兩個線陣CMOS圖像傳感器均連接控制電路板，所述控制電路板的輸出與顯示器相連接。
[0007]所述控制電路板包括相互連接的高速圖像採集電路和微控制器，所述線陣CMOS圖像傳感器接收所述平行光源裝置照射被測垂線鋼絲後的投影並轉換為電壓信號輸出至所述高速圖像採集電路，所述微控制器分別與兩個線陣CMOS圖像傳感器以及顯示器相連接。
[0008]所述兩個平行光源裝置和兩個線陣CMOS圖像傳感器分別設置在四個密封盒中，所述控制電路板設置在其中一個線陣CMOS圖像傳感器所在的密封盒中，所述兩個平行光源裝置和兩個線陣CMOS圖像傳感器相對應照射被測垂線鋼絲和接收投影的各密封盒相應位置設置有透明玻璃孔。
[0009]所述控制電路板還包括實時時鐘電路，所述實時時鐘電路與微控制器相連接。
[0010]所述控制電路板還包括數據存儲器，所述數據存儲器與微控制器相連接。
[0011 ] 所述控制電路板上還設置有數字通訊接口，所述數字通訊接口與微控制器相連接；和/或，所述控制電路板上還設置有模擬輸出接口，所述模擬輸出接口與微控制器相連接。
[0012]所述高速圖像採集電路為高速AD採集電路。
[0013]所述平行光源裝置包括點光源、反射鏡和凸透鏡，所述點光源經所述反射鏡反射再經所述凸透鏡折射後輸出平行光。
[0014]所述平行光源裝置包括高亮度LED發光二極體、反射鏡、雙膠合透鏡和光學玻璃片，所述高亮度LED發光二極體的點光源經所述反射鏡反射再經所述雙膠合透鏡折射後通過所述光學玻璃片輸出平行光。
[0015]所述殼體的頂部設置有供被測垂線鋼絲進入殼體後具有活動空間的缺口，所述缺口的四周設置有向上凸起的結構。
[0016]本實用新型的技術效果如下:
[0017]本實用新型涉及的線陣CMOS垂線坐標儀，通過在殼體內設置兩個相互垂直照射被測垂線鋼絲的平行光源裝置，以及在殼體內設置的兩個相互垂直且與所述平行光源裝置一一對應設置並接收被測垂線鋼絲平行光投影的線陣CMOS圖像傳感器，通過兩個線陣CMOS圖像傳感器分別接收對應的平行光源裝置照射被測垂線鋼絲後的投影圖像並轉換為電壓信號輸出至控制電路板，控制電路板得到被測垂線鋼絲的位置坐標並輸出至顯示器顯示。由於採用線陣CMOS圖像傳感器作為圖像傳感單元，代替了傳統垂線坐標儀中的CCD傳感器，線陣CMOS圖像傳感器的有效量程最長可以做到200mm以上，故可以方便地實現大量程的垂線變形測量，同時由於線陣CMOS圖像傳感器的驅動簡單、成像對比度高，使得整個線陣CMOS垂線坐標儀的電路構成更加簡潔，提高了垂線坐標儀的工作可靠性和穩定性，避免了現有的CCD垂線坐標儀整體價格昂貴、驅動電路複雜、功耗大，很難實現大量程的測量的問題，本實用新型可以使得儀器工作更加穩定，大幅度降低儀器故障率，也使得儀器維護、維修工作變得更容易。同時本實用新型的線陣CMOS垂線坐標儀中的線陣CMOS圖像傳感器和控制電路板形成了進行CMOS圖像檢測的獨特結構使得線陣CMOS垂線坐標儀自身構成了一個完整的測量控制單元，使得該線陣CMOS垂線坐標儀除了具備測量功能外還具有監控功能，進一步提高了被測垂線鋼絲位置測量的準確性和可靠性；並且由於線陣CMOS圖像傳感器的價格低廉，有效地降低了垂線坐標儀的生產成本，且可以很方便地實現超大量程垂線坐標儀，故更有利於垂線坐標儀的廣泛地推廣應用，使得垂線變形監測可以在國家大型工程建設中發揮更大的效用。
[0018]本實用新型的線陣CMOS垂線坐標儀設置的控制電路板包括相互連接的高速圖像採集電路和微控制器，線陣CMOS圖像傳感器接收平行光源裝置照射被測垂線鋼絲後的投影並轉換為電壓信號輸出至高速圖像採集電路，該高速圖像採集電路進行信號採集後生成陰影圖像輸出至微控制器，微控制器根據陰影圖像進行處理得到被測垂線鋼絲的位置坐標，被測垂線鋼絲的位置坐標通過顯示器顯示。這種設置受外界幹擾小，對環境光線適應能力強，可以更精確地計算被測垂線鋼絲的位置坐標。
[0019]本實用新型的線陣CMOS垂線坐標儀通過設置實時時鐘電路和數據存儲器以便於對微控制器輸出的數據進行實時的採集和存儲；設置數字通訊接口以便於將該線陣CMOS垂線坐標儀的監測結果上傳至上位機以及對線陣CMOS垂線坐標儀進行工作方式配置和更優化的初始參數設置；設置模擬輸出接口，將監測結果轉換為模擬信號以便作為後續的現場米集系統的輸入。
[0020]本實用新型線陣CMOS垂線坐標儀的平行光源裝置包括點光源、反射鏡和凸透鏡，點光源經反射鏡反射後再經凸透鏡折射後生成平行光輸出；或者平行光源裝置包括高亮度LED發光二極體、反射鏡、雙膠合透鏡和光學玻璃片，高亮度LED發光二極體的點光源經反射鏡反射後再經雙膠合透鏡折射後生成平行光輸出，這兩種優選的平行光源裝置的獨特全反射結構使得點光源能夠轉換為平行光源，並且設置反射鏡能夠使得平行光源的軸向距離減少，使得密封封裝的平行光源裝置的體積減小，進一步使得整個線陣CMOS垂線坐標儀的體積大大減小，更加方便現場使用，同時節約了生產和使用成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本實用新型線陣CMOS垂線坐標儀的外部優選結構示意圖。
[0022]圖2為本實用新型線陣CMOS垂線坐標儀的內部優選結構示意圖。
[0023]圖3為本實用新型線陣CMOS垂線坐標儀的平行光源裝置結構示意圖。
[0024]圖4為本實用新型線陣CMOS垂線坐標儀的工作原理結構圖。
[0025]圖中各標號列示如下:
[0026]I 一殼體；la —殼體外罩；lb —殼體底板；2 —凸透鏡；3 —點光源；4 一反射鏡；5 一線陣CMOS圖像傳感器；6 —控制電路板；7 —電源板；8 - X方向平行光源裝置密封盒；9 一 Y方向平行光源裝置密封盒；10 — X方向線陣CMOS圖像傳感器密封盒；11 一 Y方向線陣CMOS圖像傳感器密封盒；12 —顯示器；13 —垂線鋼絲；14 一過線縫隙；15 —固定連接器件。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖對本實用新型進行說明。
[0028]本實用新型涉及一種線陣CMOS垂線坐標儀，圖1和圖2分別為其外部和內部的優選結構意圖,該CMOS垂線坐標儀包括殼體1，該殼體I優選為內部中空的方形機殼，殼體I包括殼體底板Ib以及在殼體底板Ib上設置的殼體外罩Ia,殼體外罩Ia的一側設置有使被測的垂線鋼絲13進入殼體I內部的過線縫隙14，過線縫隙14的外側可以採用固定連接器件15連接，以保證CMOS垂線坐標儀的殼體I的整體剛度。殼體I內部設置有控制電路板6、兩個平行光源裝置和兩個線陣CMOS圖像傳感器5，兩個平行光源裝置相互垂直照射被測垂線鋼絲13，如形成X方向平行光源裝置和Y方向平行光源裝置，兩個線陣CMOS圖像傳感器5相互垂直且與平行光源裝置一一對應設置並接收被測垂線鋼絲13平行光投影，兩個線陣CMOS圖像傳感器5即為X方向線陣CMOS圖像傳感器和Y方向線陣CMOS圖像傳感器，兩個線陣CMOS圖像傳感器均連接控制電路板6。兩個平行光源裝置和兩個線陣CMOS圖像傳感器設置於同一被測平面，優選地均設置在線陣CMOS垂線坐標儀的殼體底板Ib上並且依次用電纜連接在一起，殼體外罩Ia將殼體底板Ib上設置的所有裝置進行物理保護。
[0029]為進一步保護各器件，可將兩個平行光源裝置和兩個線陣CMOS圖像傳感器分別設置在四個密封盒中，具體可採用不透光的塑料防水密封盒，各密封盒均設置在殼體底板Ib上，如圖2所示，X方向平行光源裝置設置於X方向平行光源裝置密封盒8中，Y方向平行光源裝置設置於Y方向平行光源裝置密封盒9中，X方向線陣CMOS圖像傳感器設置於X方向線陣CMOS圖像傳感器密封盒10中，Y方向線陣CMOS圖像傳感器設置於Y方向線陣CMOS圖像傳感器密封盒11中。兩個平行光源裝置和兩個線陣CMOS圖像傳感器相對應照射被測垂線鋼絲和接收投影的各密封盒相應位置設置有透明玻璃孔。
[0030]本實用新型的線陣CMOS垂線坐標儀中的平行光源裝置為輸出平行光的裝置，可採用的優選結構如圖3所示，包括點光源3、反射鏡4和凸透鏡2，點光源3可以採用高亮度LED發光二極體點光源，該平行光源裝置通過塑料防水密封盒單獨密封各組成部件，且各密封盒上均設置有水平的透明玻璃孔，點光源3 (例如高亮度LED發光二極體點光源)經反射鏡4以一定角度反射再經凸透鏡2折射後通過透明玻璃孔輸出平行光，該平行光源裝置的獨特全反射結構使得高亮度LED發光二極體點光源能夠轉換為平行光源，並且設置反射鏡4能夠使得平行光源的軸向距離減少，進而使得密封封裝的平行光源裝置的體積減小。當然，平行光源裝置也可以採用其它結構，如包括高亮度LED發光二極體、反射鏡、雙膠合透鏡和光學玻璃片，高亮度LED發光二極體的點光源經反射鏡反射再經雙膠合透鏡折射後通過光學玻璃片輸出平行光。此外，還可以在兩個平行光源裝置密封盒內均設置加熱裝置以防止透明玻璃孔的玻璃霧化和結露。
[0031]本實用新型的線陣CMOS垂線坐標儀中的控制電路板6包括相互連接的高速圖像採集電路和微控制器，線陣CMOS圖像傳感器接收所述平行光源裝置照射被測垂線鋼絲後的投影並轉換為電壓信號輸出至所述高速圖像採集電路，微控制器分別與兩個線陣CMOS圖像傳感器相連接。優選地，高速圖像採集電路採用高速AD採集電路，將高速AD採集電路和微控制器焊接在控制電路板6上，控制電路板6可以設置在X方向線陣CMOS圖像傳感器密封盒10或Y方向線陣CMOS圖像傳感器密封盒11中，圖2所示實施例是將控制電路板6設置在X方向線陣CMOS圖像傳感器密封盒10中，控制電路板6控制整個線陣CMOS垂線坐標儀工作，配置供電電源模塊的電源板7設置在Y方向CMOS圖像傳感器密封盒11中，給整個線陣CMOS垂線坐標儀供電，此外，還可以在兩個線陣CMOS圖像傳感器密封盒內均設置加熱裝置以防止透明玻璃孔的玻璃霧化和結露。
[0032]圖4為本實用新型的線陣CMOS垂線坐標儀的工作原理圖，X方向平行光源裝置和Y方向平行光源裝置照射被測的垂線鋼絲(黑圓點即為垂線鋼絲)，分別投影到與其一一對應的X方向線陣CMOS圖像傳感器和Y方向線陣CMOS圖像傳感器上，控制電路板6中的微控制器控制驅動線陣CMOS圖像傳感器生成光學圖像並轉換為反映亮度的像元電壓信號輸出至高速圖像採集電路(即高速AD採集電路)，高速圖像採集電路(即高速AD採集電路)將接收的像元電壓信號進行數值化處理並生成陰影圖像輸出至微控制器，微控制器根據該陰影圖像經一定的陰影識別法進行分析計算，採用的陰影識別法是根據陰影區間的亮度與其它待分析區間的亮度的不同找到該陰影區間，得到被測垂線鋼絲陰影位置和被測垂線鋼絲的位置坐標，並將被測垂線鋼絲的位置坐標輸出至顯示器顯示。特別說明的是，控制電路板6可直接購買已有的集成電路硬體設備，無需再設置軟體程序，即可直接進行簡單的數據處理並且輸出被測垂線鋼絲的位置坐標值。如圖1所示，該顯示器12設置在殼體I的殼體外罩Ia —側的外側，由於本實用新型具有兩套相互垂直設置的平行光源裝置和線陣CMOS圖像傳感器，故能夠得到兩個垂直方向上的垂線鋼絲13的位置坐標，顯示器12上可設置有兩個顯示窗口，分別顯示垂線鋼絲13在X軸和Y軸上的位置坐標，該位置坐標為相對坐標，將本次測量結果與前次線陣CMOS垂線坐標儀的測量結果進行比較，能夠得到巖土工程的水平位移變化或傾斜變形量，完成巖土工程安全監測。本實用新型公開的線陣CMOS垂線坐標儀，在簡化設計結構、減小垂線坐標儀體積和降低成本的同時，可以實現較大量程的測量，量程最大可以擴展到200mm。
[0033]優選地，控制電路板6還包括實時時鐘電路、數據存儲器、數字通訊接口和模擬輸出接口等組件中的一種或多種，實時時鐘電路、數據存儲器、數字通訊接口和模擬輸出接口分別同時與微控制器相連接，使得控制電路板具有採集數據的計算、存儲、顯示輸出和通訊等功能。如圖4所示，高速圖像採集電路(即高速AD採集電路)、顯示器、實時時鐘電路、數據存儲器、數字通訊接口和模擬輸出接口均為微控制器的外圍電路，通過微控制器及其外圍電路控制驅動線陣CMOS圖像傳感器、進行高速AD圖像實時採集以及讀取陰影圖像，並根據陰影圖像分析計算陰影位置和垂線絲位置坐標實時顯示輸出結果，具有工程現場實時採集、監測和顯示功能，並可按預先配置的工作方式自動記錄監測數據。實時時鐘電路、數據存儲器、數字通訊接口和模擬輸出接口焊接在控制電路板6上，進而設置在X方向線陣CMOS圖像傳感器密封盒10中，如圖2所示，實時時鐘電路和數據存儲器可以對微控制器輸出的數據進行實時的採集和存儲，數字通訊接口可採用RS-485接口，可以與上位機(即監測中心)進行數據通訊，將該線陣CMOS垂線坐標儀實時採集和存儲的監測結果上傳至上位機(即監測中心)，以及對線陣CMOS垂線坐標儀進行工作方式配置和更優化的初始參數設置，設置模擬輸出接口將數據以4-20mA模擬信號輸出，以作為後續的現場採集系統的輸入，或以便於工程現場以各種工作方式組成自動化監測系統。
[0034]本實用新型的線陣CMOS垂線坐標儀可以在殼體I的殼體底板Ib四角和中間預留安裝螺孔，並可以採用平面支架方式或萬向支架方式安裝。此外，如圖1所示，本實用新型的線陣CMOS垂線坐標儀還在殼體I的頂部設置有缺口，該缺口供被測垂線鋼絲13進入殼體後具有活動空間，如垂線鋼絲13進行位置調整、水平變形和傾斜活動。為避免殼體內部的各器件被日光照射或雨水侵蝕，還優選在缺口的四周設置有向上凸起的結構進行阻擋保護。
[0035]應當指出，以上所述【具體實施方式】可以使本領域的技術人員更全面地理解本發明創造，但不以任何方式限制本發明創造。因此，儘管本說明書參照附圖和實施例對本發明創造已進行了詳細的說明，但是，本領域技術人員應當理解，仍然可以對本發明創造進行修改或者等同替換，總之，一切不脫離本發明創造的精神和範圍的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本發明創造專利的保護範圍當中。
【權利要求】
1.一種線陣CMOS垂線坐標儀，包括殼體，所述殼體一側設置有使被測垂線鋼絲進入殼體的過線縫隙，所述殼體外側設置有顯示器，其特徵在於，還包括均設置於殼體內部的控制電路板、兩個平行光源裝置和兩個線陣CMOS圖像傳感器，所述兩個平行光源裝置相互垂直照射被測垂線鋼絲，所述兩個線陣CMOS圖像傳感器相互垂直且與所述平行光源裝置一一對應設置並接收被測垂線鋼絲平行光投影，所述兩個線陣CMOS圖像傳感器均連接控制電路板，所述控制電路板的輸出與顯示器相連接。
2.根據權利要求1所述的線陣CMOS垂線坐標儀，其特徵在於，所述控制電路板包括相互連接的高速圖像採集電路和微控制器，所述線陣CMOS圖像傳感器接收所述平行光源裝置照射被測垂線鋼絲後的投影並轉換為電壓信號輸出至所述高速圖像採集電路，所述微控制器分別與兩個線陣CMOS圖像傳感器以及顯示器相連接。
3.根據權利要求1或2所述的線陣CMOS垂線坐標儀，其特徵在於，所述兩個平行光源裝置和兩個線陣CMOS圖像傳感器分別設置在四個密封盒中，所述控制電路板設置在其中一個線陣CMOS圖像傳感器所在的密封盒中，所述兩個平行光源裝置和兩個線陣CMOS圖像傳感器相對應照射被測垂線鋼絲和接收投影的各密封盒相應位置設置有透明玻璃孔。
4.根據權利要求2所述的線陣CMOS垂線坐標儀，其特徵在於，所述控制電路板還包括實時時鐘電路，所述實時時鐘電路與微控制器相連接。
5.根據權利要求2所述的線陣CMOS垂線坐標儀，其特徵在於，所述控制電路板還包括數據存儲器，所述數據存儲器與微控制器相連接。
6.根據權利要求2所述的線陣CMOS垂線坐標儀，其特徵在於，所述控制電路板上還設置有數字通訊接口，所述數字通訊接口與微控制器相連接；和/或，所述控制電路板上還設置有模擬輸出接口，所述模擬輸出接口與微控制器相連接。
7.根據權利要求2所述的線陣CMOS垂線坐標儀，其特徵在於，所述高速圖像採集電路為高速AD採集電路。
8.根據權利要求3所述的線陣CMOS垂線坐標儀，其特徵在於，所述平行光源裝置包括點光源、反射鏡和凸透鏡，所述點光源經所述反射鏡反射再經所述凸透鏡折射後輸出平行光。
9.根據權利要求3所述的線陣CMOS垂線坐標儀，其特徵在於，所述平行光源裝置包括高亮度LED發光二極體、反射鏡、雙膠合透鏡和光學玻璃片，所述高亮度LED發光二極體的點光源經所述反射鏡反射再經所述雙膠合透鏡折射後通過所述光學玻璃片輸出平行光。
10.根據權利要求3所述的線陣CMOS垂線坐標儀，其特徵在於，所述殼體的頂部設置有供被測垂線鋼絲進入殼體後具有活動空間的缺口，所述缺口的四周設置有向上凸起的結構。
【文檔編號】G01B7/008GK204154265SQ201420487816
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年8月27日 優先權日:2014年8月27日
【發明者】趙營海, 莊治洪 申請人:基康儀器股份有限公司