無透鏡光學垂線坐標儀的製作方法
2023-04-29 14:26:06
專利名稱：無透鏡光學垂線坐標儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種對大型建築物進行安全監測的儀器，特別是一種光學遙測垂線坐標儀。
目前，光學遙測垂線坐標儀是大型建築物關鍵部位位移監測最常用的觀測儀器之一。較早的垂線坐標儀為步進馬達光電跟蹤式，需要有精密機械運動部件在光電信號控制下隨時跟蹤垂線的位移，不利於儀器在現場測試環境下長期可靠地工作。稍後出現了感應式垂線坐標儀，利用傳感器感應垂線位移引起電容、電感等的變化產生的信號，由於感應信號是微小的模擬量變化，在現場測試環境下易受外界電磁場的幹擾，信噪比小是其一大缺點。近年來出現了採用電荷耦合器件CCD作傳感器的光學垂線坐標儀，它通過電荷耦合原理，把由光電二極體陣列接收的像元信號在時鐘脈衝驅動下變成時間序列的電信號輸出，實現了對空間光強分布測量而無需機械運動部件，CCD像元的幾何尺寸及位置精度得到集成電路製作工藝的保證，用它測量目標的光學投影或圖像信號，定位精度高，穩定性好，後續電路採用數位訊號處理，信噪比大，抗幹擾能力強，便於和二次儀表接口，實現對垂線坐標的非接觸精密測量。
迄今所知，採用CCD的光學垂線坐標儀在光路原理上有兩類一類以法國電力公司輸電局(DPT)格勒諾布技術改進處(DTG)研製的垂線坐標儀為典型代表(參見水電部電站大壩安全監測儀器考查報告1985)，光路布置如
圖1所示它採用漫射背景光源S1、S2照明，利用XY兩個方向上布置的成像物透鏡L1、L2將被測垂線W分別成像在二片CCD線陣CCD1、CCD2表面，通過測量垂線的像在CCD上的位置，利用幾何關係推算出垂線坐標；另一類以義大利結構與模型試驗所(ISMFS)研製的光學垂線坐標儀(WIPOT/22)為典型代表(參見《大壩監測技術》1995年第2期P.69)，其光路原理如圖2所示光源S發出的光經透鏡L形成平行光，將垂線W直接投影在CCD表面，測量該投影在CCD上的位置，可以得到垂線在垂直於平行光方向上的坐標。圖2中僅畫出一個方向上的光路。為了得到垂線的平面坐標，還需要在正交方向布置同樣一套光路。為了得到平行光，需要採用高品質的準直透鏡。同時，為了保證50×50MM的測量範圍，如圖3所示，該儀器用三塊CCD線陣拼接成一個方向上的光接收器。
必須採用光學透鏡是上述兩類垂線坐標儀的共同點。由於光學透鏡容易受潮發黴，用在大壩觀測這種潮溼環境下，無法解決儀器長期工作的穩定性和可靠性，因而使這類儀器的原使用受到很大限制。
本發明的目的是，研製一種無透鏡的CCD光學遙測垂線坐標儀，使之能在大壩觀測的潮溼環境下長期可靠地工作。
本發明的設計思想是，光路中不設置透鏡，應用點光源陣列對測量範圍進行掃描，由CCD線陣接收對應的垂線投影，根據所測得的垂線投影數據和相應的點光源陣列參數，利用計算機計算出垂線的精確二維坐標。具體地說，本發明無透鏡光學垂線坐標儀組成包括微處理器、點光源陣列和二片CCD線陣，點光源陣列與CCD線陣的位置關係按下列要求布置對於垂線測量範圍內的任意位置，點光源陣列都能使某一片CCD上記錄對應垂線的至少兩個投影數據。
本發明儀器採用由投影重建圖像的數字成像技術，不需要光學透鏡等容易受潮黴變的光學元件，能長期可靠地在大壩等潮溼環境中工作。此外，本發明儀器還具有如下的優點1.由於採用陣列光源掃描，光線從不同的方向將垂線目標投影到CCD器件表面，擴大了測量區域的覆蓋範圍。2.陣列光源一次掃描所取得的信息量大，用以提取垂線坐標數據有很大的冗餘度，可以充分利用數據處理技術，以提高測量的精度和測量結果的可信度。3.儀器結構簡單、緊湊，節省關鍵元器件，降低成本，同時提高了整機工作的可靠性。
下面參照附圖並結合實施例對本發明進行詳細描述。
圖4為本發明儀器結構及工作原理示意圖。
如圖4所示，本發明無透鏡光學垂線坐標儀的組成包括點光源陣列S1，S2，……，SN，光接收器二片CCD線陣CCD1、CCD2，與CCD線陣電連接的微處理器(圖中未畫出)，圖中A為測量垂線坐標的區域，LED點光源陣列S1，S2，……，SN在區域A外呈圓弧形按一定間隔布置，CCD1、CCD2以一定的角度布置在區域A外與點光源陣列相對的另一側。當光源S1，S2，……，Sn2分別點亮時，光線投射在CCD1表面，並能覆蓋全部測量區域A；當光源Sn1，Sn1+1，……，S分別點亮時，光線投射在CCD2表面，也能覆蓋全部測量區域A，其中光源Sn1，Sn1+1，……，Sn2發出的光同時為二片CCD所接收。測量時陣列點光源由微處理器設定的程序驅動，從S1開始依次逐個點亮發光，直到SN為止，完成一個掃描測量周期。由於垂線的擋光作用，在光源從S1到SN的掃描過程中，對於區域A內任意位置處的垂線，都能在CCD1或CCD2上記錄兩個以上的投影數據；對於區域A邊緣上任意位置處的垂線，也都能在CCD1或CCD2上記錄至少兩個投影數據。因此，一個掃描測量周期中可以得到相應的一組投影坐標數據。然後由計算機對CCD1、CCD2記錄的這些垂線投影數據進行處理，即可得到垂線的二維坐標。
實施例中，陣列點光源數N＝23，所用CCD的像元數為2048，像元尺寸為14×14[微米]2，測量區域直徑為60毫米。CCD採樣時間為4毫秒，一個測量周期約需0.2秒。微處理器採用8031，設置有32K非易失性RAM，可存放300測次的歷史數據。主控微機經ELAN網與測量單元相聯，可進行測量程序的加載及測量數據的傳送。
表1和表2為部分測試數據示例。其中表1所示數據為採用線性回歸確定陣列點光源參數的示例。經擬合插值，確定陣列光源參數精度為0.05毫米。表2為垂線坐標測試數據示例，表中所示僅為一片CCD上若干投影數據處理的結果，它說明本發明儀器在一次測量中具有相當大的數據冗餘度，有利於提高測量的精度和可靠度。
表1 S6光源x，y，Z的數據及x-Z擬合方程<
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表2實測結果(A點)
權利要求
1.無透鏡光學垂線坐標儀，其組成包括微處理器，其特徵是還包括點光源陣列和二片電荷耦合器件CCD線陣，點光源陣列與CCD線陣的位置關係按下列要求布置對於垂線測量範圍內的任意位置，點光源陣列都能使某一片CCD上記錄對應垂線的至少兩個投影數據。
2.根據權利要求1所述的無透鏡光學垂線坐標儀，其特徵是點光源陣列在測量區域外按一定間隔布置，二片CCD線陣以一定的角度布置在測量區域外與點光源陣列相對的另一側。
3.根據權利要求1或2所述的無透鏡光學垂線坐標儀，其特徵是點光源陣列呈圓弧形布置。
全文摘要
無透鏡光學垂線坐標儀，組成包括微處理器、點光源陣列和二片電荷耦合器件CCD線陣，點光源陣列與CCD線陣的位置關係按下列要求布置對於垂線測量範圍內的任意位置，點光源陣列都能使某一片CCD上記錄對應垂線的至少兩個投影數據。採用由投影重建圖像的數字成像技術，不需要光學透鏡等容易受潮黴變的光學元件，能長期可靠地在大壩等潮溼環境中工作。
文檔編號G01B7/008GK1138691SQ9511277
公開日1996年12月25日 申請日期1995年11月22日 優先權日1995年11月22日
發明者徐友仁 申請人:河海大學