一種大量程高精度光電式垂線坐標儀測量裝置及方法與流程
2024-04-13 11:07:05
1.本發明屬於工程安全監測領域，尤其是涉及一種大量程高精度光電式垂線坐標儀測量裝置及方法，應用於水利水電工程、礦山工程、橋梁工程等領域。
背景技術：
2.垂線坐標儀是一種測量工程結構物水平位移的垂線測量裝置中的測量儀器。目前常用的垂線坐標儀傳感器有電測法（如電位器式、鋼弦頻率式）、光電法（ccd）。國內代表的監測儀器廠商有北京基康儀器公司、南京南瑞公司、水文所公司等，這些產品採用的是電子量轉換位移量，為非直接的、不可直讀的位移測量方法，需要利用配套的二次儀表採集數據，遠程信號傳輸時也需要進行信號轉換，採用有線或無線的傳輸與接收。
3.常見實用光電法垂線坐標儀有兩種結構：成像結構和平行光投影結構。成像結構即雙立體攝影測量結構，成像結構採用漫射背景光照明，兩套結構相同的線陣ccd相機，以像對方式，解算xy坐標。特點是可以使用尺寸較小的鏡頭和ccd達到較大的測量範圍。代表產品是法國電力公司輸電局（drt）格勒諾布技術改進處（dtg）生產的儀器的結構類型。
4.平行光投影結構由兩套正交的光源和光線接收裝置組成。點光源經過準直透鏡形成平行光場，該光場作為測量區域，垂線垂直通過光場，遮擋光線形成陰影，一般用線陣ccd圖像傳感器作為傳感元件，通過測量陰影位置，得到垂線的位移值，原理如圖1。在準直鏡焦距較長的情況下，有的系統採用摺疊光路設計。此外還有一種ct掃描結構，不使用準直物鏡，利用多個點光源的依次點亮，解算垂線坐標。還有採用機械掃描結構類型，原理都較為簡單。
5.目前國內較常見的產品多為平行光場結構。但是平行光場結構存在以下缺點：（1）儀器厚度受準直物鏡口徑限制，一般大於物鏡口徑。實際上線陣ccd的感光像素寬度多在5-8μm，所以對光場的厚度基本無要求，考慮到調試的需求，10mm厚度足矣。但是由於水平方向的測量範圍一般50-100mm，所以準直鏡口徑相應也為60-120mm，導致儀器總厚度不低於此值。若要壓縮儀器厚度，需要將準直鏡裁掉上下大部圓弓，這導致加工費用增加；（2）準直鏡口徑增大，其相差相應增大，準直光束準直度下降，非線性誤差增大；（3）準直鏡口徑增大，為獲得較好的準直光束質量，要採用複雜的結構形式，導致縱向尺度加大，成本增加，為減小儀器尺寸，可能要採用摺疊光路；（4）在會聚光路中使用稜鏡偏折光線，可以縮短光路，但媒介交界面數量增加，面形誤差帶來的影響增大，且厚稜鏡帶來較大像散，要與準直鏡一體化優化設計，綜合消除像差，光學設計難度增大；（5）常用線陣ccd感光線陣長度多為20-50mm，像元數在300-7500，以像元數量7450 的tcd1705線陣ccd器件為例，在採用150mm量程時，像元解析度為0.02mm，但是在接收端要使用光束壓縮系統，這導致光程大大加長，若不使用光束壓縮系統，則要使用多ccd元件，在長度方向進行拼接，這導致電路和結構複雜化。
6.因此需要設計一種大量程高精度光電式垂線坐標儀測量裝置及方法來解決上述問題。
技術實現要素：
7.為了克服上述現有技術的缺陷，本發明目的在於提供一種大量程高精度光電式垂線坐標儀測量裝置，具有保持光束的準直度，實現不同的量程，具有體積小的特點。
8.為了達到上述目的，本發明的技術方案為：一種大量程高精度光電式垂線坐標測量儀，包括a光學倉和b光學倉兩個光學倉，以及一個電子倉；a光學倉和b光學倉及其內部部件鏡像對稱放置，電子倉與每個光學倉連接固定，且中間預留電線過線孔。
9.優選地，所述a光學倉和b光學倉內部結構相同，a光學倉的透光窗口為帶通平板玻璃；a光學倉內包括一個準直光源組件、一個ccd組件、第一稜鏡和第二稜鏡；準直光源組件安裝在a光學倉的l型拐角處的內底板上，且保證出光光束主軸經過測量區的中心點且互相垂直；第一稜鏡和第二稜鏡與b光學倉中的兩塊稜鏡之間的矩形區域是測量區，相對的兩塊稜鏡規格相同；ccd組件的位置應保證由第一稜鏡出射的主軸光線到達ccd組件中的線陣ccd器件中央位置，由第一稜鏡出射的平行光束在ccd組件的測量區域內。
10.優選地，電子倉內有主電路板和與之相連的電源變壓器，主電路板有電源和控制電路，主電路板與ccd組件的電路板實現通信和電源連接。
11.優選地，ccd組件包括電路板，電路板通過支架安裝在a光學倉的內底板上，電路板搭載線陣ccd器件以及包括驅動mcu和通信mcu在內的電子元件，電路板與主電路板之間實現通信連接和電源電纜。
12.優選地，準直光源組件包括設置在led電路板上的高亮度led燈珠，高亮度led燈珠前端的光線輸出方向設置有小孔光闌，光線輸出方向的前方設置有多個透鏡組成的高性能準直透鏡，分別是第三稜鏡、第一正透鏡、第二正透鏡和負透鏡，多個透鏡間且用隔圈保持光學間隔，並用螺紋壓圈壓緊鏡片。
13.優選地，準直光源組件的有效口徑為36mm。
14.優選地，上述一種大量程高精度光電式垂線坐標儀測量裝置的測量方法，包括以下步驟：s1，設置好裝置位置，進行xy平行光投影正交光場測量；s2，進行y坐標測量，具體方法如下：s201，由點光源發出的光線經過準直鏡頭後，變成平行光束，經過稜鏡轉向90度；s202，較細的平行光束從稜鏡的斜邊進入，被展寬偏轉從長直角邊射出，經過測量區進入對側稜鏡的長直角邊，光線從斜邊射出，被偏轉並壓縮寬度，到達ccd組件陣列；若測量區內有垂線，其陰影在ccd組件形成陰影光斑；s203，ccd組件驅動電路板測量mcu將陰影坐標值轉變為數位訊號，通過spi電纜將信號傳遞到主電路板，解算出真實坐標值，通過總線上傳到上位計算機，完成垂線坐標高精度測量；s3，根據s2的步驟中同樣的方法進行x坐標測量，完成xy平行光投影正交光場測量。
15.本發明具有如下有益效果：本發明提供一種大量程高精度光電式垂線坐標儀測量裝置，為xy平行光投影正交光場測量。以y坐標測量為例，由點光源發出的光線經過準直鏡頭後，變成平行光束，經過稜鏡，轉向90度。較細的平行光束從稜鏡的斜邊進入，被展寬偏轉從長直角邊射出，經過測量區進入對側稜鏡的長直角邊，光線從斜邊射出，被偏轉並壓縮寬度，到達ccd組件陣列。若測量區內有垂線，其陰影在ccd組件形成陰影光斑。ccd組件驅動電路板測量mcu將陰影坐標值轉變為數位訊號，通過spi電纜將信號傳遞到主電路板，解算出真實坐標值，通過總線上傳到上位計算機，完成垂線坐標高精度測量。
附圖說明
16.圖1是本發明的結構示意圖；圖2是準直光源組件的側視示意圖；圖3是準直光源組件的俯視示意圖；圖4是ccd組件的示意圖；圖5是現有技術平行光投影結構示意圖；圖中：螺栓1，主電路板2，電源變壓器3，電子倉4，準直光源組件5，ccd組件6，電路板6-1，線陣ccd器件6-2，第一稜鏡7-1，第二稜鏡7-2，a光學倉8，b光學倉81，測量區10，燈珠11，橡膠圈12，第三稜鏡13，第一正透鏡14，第二正透鏡15，負透鏡16，螺紋壓圈17，隔圈18，led電路板19，小孔光闌20。
具體實施方式
17.實施例1：如圖1~圖3所示，一種大量程ccd垂線坐標測量儀，包括a光學倉8和b光學倉81兩個光學倉以及一個電子倉4，a光學倉8和b光學倉81及其內部部件鏡像對稱放置的，即a光學倉8和b光學倉81的水平投影為鏡像對稱圖形；電子倉4與每個光學倉通過兩顆螺栓1連接固定，且中間預留電線過線孔；電子倉和學倉的箱體結合面在結合前塗密封膠，或設置橡膠密封件；三個艙室各有蓋板，蓋板與箱體間用螺釘連接，用橡膠件密封。
18.a光學倉8和b光學倉81內部結構相同，以光學倉a為例，介紹如下：a光學倉8的透光窗口為帶通平板玻璃，周圍有灌膠密封槽；a光學倉8內包括一個準直光源組件5、一個ccd組件6、第一稜鏡7-1和第二稜鏡7-2，準直光源組件5通過橡膠圈12安裝在a光學倉8的l型拐角處的內底板上，且保證出光光束主軸經過測量區10的中心點且互相垂直，如圖中虛線；a光學倉8中的第一稜鏡7-1和第二稜鏡7-2與b光學倉81中的兩塊稜鏡之間的矩形區域是測量區10，相對的兩塊稜鏡規格相同；ccd組件6的位置應保證由第一稜鏡7-1出射的主軸光線到達ccd組件6中的線陣ccd器件6-2中央位置，由第一稜鏡7-1出射的平行光束在ccd組件6的測量區域內。
19.所述電子倉4內有主電路板2和與之相連的電源變壓器3，主電路板2有電源和控制電路，主電路板2與ccd組件6的電路板實現通信和電源連接。
20.進一步地，電子倉4與外界的側壁有密封電纜插座，提供電源、顯示、通信連接功能，完成測量控制。
21.如圖4所示，所述ccd組件6包括電路板6-1，電路板6-1通過支架3安裝在a光學倉8的內底板上，電路板6-1搭載線陣ccd器件6-2以及包括驅動mcu和通信mcu在內的電子元件，電路板6-1與主電路板2之間實現通信連接和電源電纜。
22.所述準直光源組件5包括設置在led電路板19上的led燈珠11， led燈珠11前端的光線輸出方向設置有小孔光闌20，小孔光闌的直徑為0.3mm。
23.小孔光闌20遮擋多餘光線，光線輸出方向的前方設置有多個透鏡組成的高性能準直鏡，分別是第三稜鏡13、第一正透鏡14、第二正透鏡15和負透鏡16，通過隔圈18保持光學間隔，用螺紋壓圈17壓緊鏡片。
24.進一步地，第三稜鏡13將平行光束轉折90度；兩個正透鏡是相同的，正透鏡和負透鏡都只有一個曲面和一個平面，因此加工時只用到2個曲面模板，加工條件容易滿足，並且此結構具有非常優秀的準直性能，在整個口徑內其球差小於1微米。
25.如圖5所示，為現有技術的平行光投影結構，通過準直透鏡形成平行光場。
26.實施例2：本產品在國內某大型水電站具體實施中，各元器件的參數優選為：（1）線陣ccd器件6-2型號：tcd1705，像元數7450。
27.（2）a光學倉8和 b光學倉11各有一對稜鏡13，一對窗口寬度158mm，另一對窗口寬度108mm，測量範圍150x100mm。
28.（3）led燈珠11：電流70ma，工作電壓3.4v，功率240mw，發光波長520-525納米。
29.（4）準直光源組件5：有效口徑36mm，三片結構，焦距122.76mm，在整個有效口徑內球面誤差小於0.001mm。有效口徑是透鏡決定的，透鏡玻璃直徑38mm，被壓圈遮擋2mm，所以有效口徑是36mm。
30.（5）機箱外尺寸x方向490mm，y方向510mm，高70mm。
31.（6）量程：x方向150mm，y方,100mm。
32.（7）解析度：x方向0.02mm，y方向0.014。
33.（8）最大誤差：小於0.05mm。
34.（9）標準差：小於0.03mm。
35.（10）單次測量時間：小於40ms。
36.上述的實施例僅為本發明的優選技術方案，而不應視為對於本發明的限制，本技術中的實施例及實施例中的特徵在不衝突的情況下，可以相互任意組合。本發明的保護範圍應以權利要求記載的技術方案，包括權利要求記載的技術方案中技術特徵的等同替換方案為保護範圍。即在此範圍內的等同替換改進，也在本發明的保護範圍之內。