專利名稱：一種基于激光的變形位移量測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于激光的變形位移量測方法。
技術(shù)背景
變形位移量測無論在科學(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。
現(xiàn)有的變形位移量存在測量裝置復(fù)雜以及誤差大等缺點(diǎn)，某些如全站儀、測距儀等在用于變形位移監(jiān)測時(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方法，采用直接測量兩次位移值、再求其差值的方法，由于在惡劣的環(huán)境中，要測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單且更為精確的測量方案。
由于激光波長單一測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。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于激光的變形位移量測方法，該方法易于實(shí)施，且精度高。
發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種基于激光的變形位移量測方法，包括以下步驟
步驟1 準(zhǔn)備工作在被測目標(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量儀的激光發(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量儀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/V; 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。)
所述的位移測量儀包括正弦波發(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。
所述的位移測量儀還包括數(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。
所述的位移測量儀還包括通信單元；通信單元與數(shù)據(jù)處理單元連接。
所述的位移測量儀還包括與數(shù)據(jù)處理單元連接的元件編碼與識(shí)別單元。
本發(fā)明采用激光測量變形位移的原理
智能激光變形位移計(jì)的測距原理是由激光器對(duì)被測目標(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)Α、Β的距離為L，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——檢測目標(biāo)的距離，m。
由上式可知，要量測A、B兩點(diǎn)距離實(shí)際上是要量測光傳播的時(shí)間t，因光速太高，直接測量光傳播的時(shí)間t比較困難，通常采用間接測量光傳播的時(shí)間t方法。根據(jù)量測時(shí)間方法的不同，通常又可分為脈沖式和相位式兩種量測形式。
智能激光變形位移計(jì)采用相位式量測形式。
為了保證其高精度，并有效地反射信號(hào)，且使測定的目標(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
權(quán)利要求
1.一種基于激光的變形位移量測方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1 準(zhǔn)備工作在被測目標(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AL:Δ L計(jì)算公式為zLL=卿入其中K = cA4 π f)；所述的相位差獲取步驟為由位移測量儀的激光發(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量儀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Jp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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光的變形位移量測方法，其特征在于，所述的調(diào)制頻率范圍為 50ΜΗζ-300ΜΗζ。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于激光的變形位移量測方法，其特征在于，所述的位移測量儀包括正弦波發(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。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于激光的變形位移量測方法，其特征在于，所述的位移測量儀還包括數(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。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于激光的變形位移量測方法，其特征在于，所述的位移測量儀還包括通信單元；通信單元與數(shù)據(jù)處理單元連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于激光的變形位移量測方法，其特征在于，所述的位移測量儀還包括與數(shù)據(jù)處理單元連接的元件編碼與識(shí)別單元。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于激光的變形位移量測方法，包括以下步驟步驟1準(zhǔn)備工作在被測目標(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T0時(shí)刻的相位差以及T1時(shí)刻的相位差T0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ΔL∶ΔL計(jì)算公式為其中K＝c/(4πf)。該方法易于實(shí)施，且精度高。
文檔編號(hào)G01B11/16GK102506721SQ20111034713
公開日2012年6月20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)明者彭立敏, 施成華, 楊偉超, 邱業(yè)建, 雷明鋒 申請(qǐng)人:中南大學(xué)