（物理电子学专业论文）远距离激光挠度位移测量系统.pdf

摘要 挠度或位移的测量可以用传统方法也可以使用光学手段。相比而言光学方法 具有以下几个优点：非接触、高精度、快速反应并且更为精确。本文描述了一种 能够测量远距离物体的挠度或者位移的测量系统。其基本原理为：采用激光水准 仪作为光源，激光光束首先经过校准，然后聚焦在固定于被测物体上的测量系统 上来实现远距离精确测量。激光光源和测量系统之间的相对位移反应出了物体的 挠度或者位移。测量系统分为两个部分：一、无线通信发射机，由传感器、单片 机系统和无线数字通信系统组成；二、无线通信接收机，由无线数字通信系统、 数据处理系统和显示控制系统组成。软件部分包括线阵c c d 数据采集程序、单 片机系统扩展数据存储器存取程序、无线数字通信的实现、位移挠度测量数据的 处理和显示等。 测量系统最主要的创新点在于将远距离无线数字通信应用到光电检测系统 中以提高信号传输的稳定性、安全性，避免远距离信号线布线的麻烦，提高系统 的实用性。测量系统还使用单片机和8 位数码管结合的方式进行数据计算和显 示，为仪器的小型化和简单化打下基础。由于该测量系统在具有高精度、高准确 度的特点同时结构简单、成本低廉，可以预期将有良好的应用前景。 本文详细介绍了测量系统的结构、工作原理、硬件设计和软件开发，给出了 重要部分的电路图和程序流程图。在2 0 米的距离上通过实验验证了系统的测量 效果，得出了系统的性能参数：系统测量频率2 9 h z ，适于测量静态挠度和位移； 通过对多个位移值的重复测量，系统绝对误差值小于0 0 7 m m ，测量标准差小 于0 0 5 m m ：通过4 小时连续测量对同一点测量系统标准差为0 0 13 4 r a m 。同时在 实践的基础上针对系统的测量频率及测量精度的提高提出了改进意见。 关键词：远距离无线数字通信，激光测量，位移，挠度，单片机系统 a b s t r a c t d i s p l a c e m e n tc a nb em e a s u r e db yt r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lm e t h o d sa n do p t i c a l m e a n s o p t i c a ld i s p l a c e m e n tm e a s u r i n gs y s t e m sh a v et h ea d v a n t a g e so fn o r - c o n t a c t ， h i g hr e s o l u t i o n ，f a s tr e s p o n s e ，a n dm o r ei m p o r t a n t l yb e i n gr e m o t e w ed e s c r i b ei nt h i s p a p e ral a s e r - b a s e dd i s p l a c e m e n tm e a s u r i n gs y s t e m ，w h i c hc a nd e t e c td i s p l a c e m e n to r d e f l e c t i o no fa no b j e c ti nal o n gd i s t a n c e i no r d e rt oa c h i e v ear e m o t em e a s u r e m e n t ， t h el a s e rb e a mi sf i r s tc o l l i m a t e d ，a n dd i r e c t e dt ot h ed e t e c t o ra r r a y , w h i c hi sa t t a c h e d t ot h eo b j e c tt ob em e a s u r e d t h er e l a t i v em o v e m e n tb e t w e e nt h el a s e rs o u r c ea n dt h e d e t e c t o rw i l lp r o v i d eam e a s u r et ot h ed i s p l a c e m e n to rd e f l e c t i o no ft h eo b j e c t t h e s y s t e mc o n s i s t so fal a s e rs o u r c ea n dal i n e a rd e t e c t o rs y s t e m a n dt h e 。l i n e a rd e t e c t o r s y s t e mi n c l u d et w op a r t s ，o n ep a r ti sm e a s u r i n gt r a n s m i t t e rw h i c hc o n s i s t sad e t e c t o r , am c us y s t e ma n daw i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l e ，t h eo t h e ro n ei sd a t ar e c e i v i n g s y s t e mw h i c hc o n s i s t saw i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l e ，ad a t ap r o c e s s i n gs y s t e m ，a m o d u l eu s e dt o d i s p l a ya n dc o n t r 0 1 t h es o f t w a r ec o n s i s t so fl i n e a rc c dd a t a c o l l e c t i o n ，m e m o r i z e rm a n a g e m e n t ，w i r e l e s sd i g i t a lc o m m u n i c a t i o n ， m e a s u r e m e n t d a t ap r o c e s s i n ga n dd a t ad i s p l a y t h em o s ti m p o r t a n tf e a t u r eo ft h es y s t e mi st h eu s i n go fl o n gd i s t a n c ew i r e l e s s d i g i t a ls i g n a la n dd a t at r a n s m i s s i o nw h i c hi n c r e a s e st h es t a b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo f t h es y s t e m m c ua n dl e dh a v ea l s ob e e ni n v e s t i g a t e d ，w h i c hm a k e st h es y s t e m m o r ec o n v e n i e n ta n ds m a l l t h ef e a t u r e so ft h ec u r r e n td i s p l a c e m e n tm e a s u r i n g s y s t e mi n c l u d eh i i g hr e s o l u t i o na n da c c u r a c yw h i l es t i l lk e e p i n gar e l a t i v e l ys i m p l e s t r u c t u r ea n dal o wc o s t d u et oi t sf e a t u r e s ，p e r s p e c t i v eo fi t sa p p r e c i a t i o ns h o u l db e w i d e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r e s e n t e da n dt h es t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l e ，h a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g na r ea l s oi n 廿o d u c e di nd e t a i l t h em e a s u r e m e n te f f e c ti sp r o v e db ye x p e r i m e n t t h em e a s u r i n go f t h es y s t e mi s2 9 h z t h ee r r o ro f t h es y s t e mi sb e t w e e n 一0 0 7 r a mt o0 0 7 m ma n d t h es t a n d a r de r r o ri sl e s st h a n0 0 5 m m s i m u l t a n e i t y , t h em e t h o di no r d e rt oi m p r o v et h e m e a s u r i n gf r e q u e n c ya n dp r e c i s i o no ft h es y s t e mi sa l s oi n t r o d u c e d k e yw o r d s ：r e m o t ew i r e l e s s d i g i t a ls i g n a li r a n s m i s s i o n , l a s e rm e a s u r e m e n t s ， d i s p l a c e m e n t , d e f l e c t i o n , m c u 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 痦菩屹 签字日期：二p 汐7 年月歹p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤望盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞本堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：崩说 导师签名： 签字日期：2 叼年7 月j d 日签字日期：年 月 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 位移和挠度是两个十分重要的物理量，对于位移或挠度的测量在许多不同的 领域中都有着重要的作用，例如桥梁健康检测、在建筑施工过程中横梁的挠度监 控、建筑物安全检测、起重机主梁定期检查和检测等。在桥梁、堤坝、高大建筑 物、钢梁、钢架、网架、楼板、钢材、管件等长形物体的检测中，挠度检测是一 项重要的指标。对于位移或挠度的测量在土木工程及建筑的施工中具有重要的指 导意义：挠度是桥梁和建筑物使用过程中安全监测的重要参数和指标；同时对于 挠度的测量对于大型机械和钢结构的安全监测中也有着重要的意义1 1 1 。 以挠度测量在桥梁的健康检测方面的应用为例：自新中国成立以来，为了迅 速发展铁路、公路交通事业，为了改建、扩建和新建城市，在我国的江河上修建 了许多特大、大、中和小型桥梁，它们中有铁路桥、公路桥、公路铁路两用桥等， 这些桥梁成为新中国茁壮成长、发展的强有力支柱。然而，在方便交通和生活促 进经济发展的同时，也带来了诸多安全隐患。新桥梁竣工时没有通过验收即投入 使用；原本合格的桥梁在使用过程中不可避免的出现磨损、老化以致损坏，这些 都可能造成突发性灾难事故1 2 , 3 。如19 9 8 年，重庆纂江彩虹桥突然垮塌，造成四 十多人伤亡，直接经济损失数百万元。1 9 9 4 年1 0 月韩国汉城发生了横跨汉江的 圣水大桥中央断塌5 0 m ，其中1 5 m 掉入江中，造成死亡3 2 人，重伤1 7 人的重大 事故。要保证桥梁在运营过程中的安全，主要从两个方面进行考虑，其一，在桥 梁的勘测设计阶段以及桥梁的建筑施工阶段进行科学的设计、测量，并对施工过 程进行严格的把关，确保不会因为桥梁的建设质量问题造成桥梁运营过程中出现 不正常状态。其二，在桥梁运营过程中对桥梁进行定期维护和检修。 桥梁的安全监测主要针对桥梁的关键参数进行监测，然后运用各种科学的方 法和手段对监测结果进行分析，对桥梁做出科学的结论和评价。桥梁监测主要包 括以下内容：载荷监测，包括风、地震和交通负载：几何监测，指监测桥梁各部 位的静态位置和静态位移；结构的静动力反应，如频率、振型、挠度、位移、和 阻尼模态等。挠度是桥梁安全状况评价的重要参数之一【4 】。 目前我国对桥梁的监测仍以技术人员的现场检测为主。这种监测手段己难以 适应对大型桥梁进行正常运营状态的监控，也无法对其整体安全性做出客观准确 评价。因此，对于大型桥梁结构必须尽快发展与其规模和功能相适应的现代监测 第一章绪论 技术。目前，国内外不少工程界研究人员都在这一领域中积极探索桥梁健康监测 的方法。而挠度测量方法或仪器的研究和改进更是其中一个重要的组成部分。 同时挠度测量在起重机的安全使用中也有着重要的意义1 5 】。起重机械是用来 对物料起重、运输、装卸和安装等作业的机械设备。在现代生产中，起重机不仅 在物料运输领域起着重要作用，而且有些起重机直接参与生产工艺过程，大大减 轻了体力劳动，提高劳动生产率，实现生产的机械化和自动化。 目前广泛使用的起重机械主要有：桥式起重机、龙门吊、建筑用的塔吊、铁 路用的轨道吊、汽车吊、港口用的门座式起重机、装卸桥、电动葫芦等。其中桥 式起重机是起重机械中最为重要的一个组成部份，其应用在国民经济的各个生产 部门。桥式起重机主要由桥架和起重小车组成，桥架沿铺设在桥墩上的轨道前后 运行，起重小车依靠小车运行机构沿上部主梁左右运行，加上使货物上下运动的 起升机构，就能将货物运至其跨度内的任意位置。桥吊是工作条件十分繁重的重 型机械设备，其载荷复杂多变，其一般体积较大，起重量较高，承受载荷大，承 受的载荷不固定，经常频繁的起升、制动、走行，往往几个动作同时进行，对吊 车的金属结构影响较大，极易造成金属结构的损坏，天长地久势必影响起重机的 安全运行。 在起重机的金属结构组成部分中，主梁是承受弯矩、剪切、扭矩等复杂载荷 最多的一个受力部件，它担负着货物起升、下降、小车运行等多种复合运动。主 梁常见的变形有跨中出现下挠、旁弯，主梁腹板出现波浪变形等，其中尤以主梁 跨中下挠危害最大，主梁在载荷作用下产生下挠变形，使小车轨道有一定的坡度， 上坡时产生运行打滑，停车时出现自动滑移，极易带来险性事故。为此，主梁预 先设计有一定预拱度，使主梁弹性变形的曲线无论在空载或满载均较为平缓1 6 j 。 但随着负载的长期作用，不可避免的会使预拱度降低，进而出现下挠变形，这对 起重机安全是极其不利的，必须加强定期检查和监测。 国务院总理2 0 0 3 年6 月签署实施了第3 7 3 号国务院令，公布了特种设备 安全监察条例，这是国家正式以法律文件的形式将起重机械的安全管理和检验 检测纳入法制轨道上来，由此可见，起重机械在国民生产活动中处于十分重要的 地位和作用。对起重机这类特种设备实施有效的安全检查，对其性能进行试验鉴 定，是保证起重设备安全状态的重要环节。而在各种鉴定中，对于起重机的钢结 构变形的测量和检测是其中极为重要的一环。 从以上两方面的例子中可以看出，位移和挠度测量方法或仪器的研究与改进 对于我国经济发展和人民的生活具有重要意义。 2 第一章绪论 1 2 国内外挠度测量的研究现状 国内外的对于挠度测量方法有很多，概括起来可以分为以下两大类【7 】： 1 、全人工读数方法 ( 1 ) 经纬仪法：采用经纬仪来测量挠度是目前国内应用得最普遍的一种方法， 它具有精度高、结构简单的优点。测量原理如图1 1 所示：l 为经纬仪，2 为标 尺，3 为支架。将标尺垂直固定在桥梁的待测部位，然后通过经纬仪来对标尺进 行读数，当桥梁发生形变时，经纬仪的读数也将发生变化，该变化即反映了桥梁 的挠度变化1 8 】。 图1 1 经纬仪挠度测量系统原理 ( 2 ) 利用百分表测量挠度：测量原理如图1 2 所示：将百分表安装在桥梁下面 的待测部位，这样桥面的挠度变化将直接反映在百分表的读数上。百分表的固定 方法既可以采用高架法，也可以采用悬丝法。 li 上 气 ：u 0 、 工 图l - 2 百分表测量挠度原理图 ( 3 ) 利用倾角仪测量桥梁的挠度【9 ，1 0 】：在与桥梁中轴线平行的轴线上选定的测 点上布设倾角仪，通过测量加载前后的倾角变化，通过公式就可以计算该轴线上 任何点的动挠度或者静挠度。 除以上三种方法外还有水准仪和线性差动变压器法( l v d t ) i h 等。这几种 方法的特点是仪器简单、操作容易，但是这几种方法只能用于短期、人工测量并 且只能测量桥梁的静态挠度，测量精度低，对测量人员要求高，存在费时费力和 第一章绪论 实时测量困难等不足。 2 、自动测量方法 ( 1 ) 通过测量桥梁的倾角来计算桥梁的挠度【1 2 】。当桥梁产生挠曲变形时，挠 度公式为y = l 。o ( x ) d x ，式中x 为支座处的零点到测量点的轴向距离。由此可见， w 当测得各点的倾角后，通过积分可得桥梁梁体结构的挠度曲线。现在国内已研制 出了电容传感器无源伺服式倾角仪，通过与数字积分器相连，可对多个测点的倾 角仪进行数据采集、处理，得出桥梁的挠度曲线。哈尔滨科技大学的杨志文等就 采用了倾角仪、外加单片机、脒换器等硬件进行信号的采集和处理，实现了 数据记录自动化i l 引。 ( 2 ) 光电成像和摄像法【l 9 1 。该方法采用摄像机对准安设在梁部的靶标，通 过使用高品质的相机或者c c d 拍摄物体的两张照片( 负重前一张，负重后一张) ， 可以对于物体的挠度进行毫米级的测量。该方法可以实现二维动、静挠度检测， 与计算机相连可使记录分析实现自动化。但是高品质相机比较贵，而且光学成像 测量法需要用到的图像处理比较费时，必须要有后期加工，在测量时效性上有所 不足。 ( 3 ) 光电分光成像和激光测量法【2 睨7 】。该方法类别很多，例如利用某种光电 转换器，接收设在梁上的发光靶标所发出的某一特定波长的单色光，使用a d 转 换，利用计算机记录梁体的二维挠度，记录分析自动完成。采用单色光源不受气 候的影响，不产生折射，可实现多点挠度同步测量。 ( 4 ) 利用g p s 进行桥梁挠度测量。g p s 能实现动态实时、自动测量，便于与 计算机接口，测量精度一般为5 m m + l p p m * d ，d 为基线长度。它的测量原理与倾角 仪相似，都是利用测量倾角来得到桥梁的挠度值 2 8 , 2 9 。 ( 5 ) 利用连通管测量挠度1 3 0 1 。根据连通管的基本原理，将面积相对较大的容 器放置在桥墩固定不变的位置上，连通管固定在桥体侧壁上。当桥梁在某点发生 竖向变形( 挠度变化) 时，液位在玻璃管内的变化量就是该点的结构下沉量( 挠 度值) ，通过光电挠度传感器读取有刻度玻璃管中的液位变化值，即可算出桥梁 在该点的挠度值。在人工读数的情况下精度可达l m m 。连通管采用全封闭方式， 不受多方位变形以及桥梁现场的高尘、高湿和浓雾影响，而且能实现多点挠度检 测。在上海徐埔大桥，就采用了连通管方法来测量桥梁挠度。 ( 6 ) 基于激光扫描的三维坐标绘制系统也可以测量挠度，这一系统在3 0 米以 内的精确度为毫米量级，但是该系统相当的复杂昂贵且不便于携带p 。三维激光 雷达也可以用于测量挠度【3 2 1 。它的原理是利用两种频率的被调激光来确定传感器 系统和物体之间的距离，在6 0 米范围内该系统拥有和三维坐标绘制系统相同的精 度和准确度。但是激光雷达系统也是很大的，通常用车辆运载。 4 第一章绪论 ( 7 ) 利用光纤传感器测量【3 3 爿】。近年来，光纤光栅作为一种新型的光无源器 件，因其体积小、与光纤系统充分兼容、可对光波选频等优良特性，在传感领域 受到越来越多的关注。在利用光纤布拉格光栅进行传感器研制方面，人们提出了 多种设计方法。利用光纤传感器测量挠度的基本原理是：将光纤布拉格光栅沿梁 的轴向刚性粘接于上表面，梁的某一部分固定，当梁发生形变时，光纤光栅的相 应部分被拉伸或者压缩，使得光纤中传播的光发生相应变化，从而实现光纤光栅 传感【3 5 3 刀。 以上七种挠度测量方法都能完成挠度自动测量。采用倾角仪和g p s 测量挠度 存在着精度低的缺点，测量精度般只能达到厘米级。而且用倾角仪进行挠度测 量时，对各倾角仪之间的相位差、倾角仪的瞬态反应、倾角仪零漂等的要求较高。 而连通管式挠度测量系统采用全封闭结构，不怕桥梁现场的高尘、高湿和浓雾， 可以长期在线使用。但目前普遍采用超声波液位检测计进行液位检测来完成挠度 测量，测量精度比较低，仅为厘米级【3 引。而光纤传感器测量还处于研究阶段，其 稳定性较差，其材料以及封装等还需要进一步研究。在以上几种测量方法中光电 分光成像和高速线阵c c d 法具有测量精度高、能够实现实时自动测量及通过远距 离数据传输可以实现远距离监测等优点，故我们选择这一方法作为研究方向。 1 3 光电分光成像和激光法测量挠度 1 3 1 线阵c c d 成像法 该方法通常被用来测量铁轨或长梁的挠度或者振动。其原理如图1 3 所示： 倍 _ _ 面 图1 3 检测原理 将一片黑底白条图案贴在铁轨或者钢梁的外侧作为信号源，通过成像系统将 该信号源成像到线阵c c d 的光敏面上，线阵c c d 的输出端将获得如图1 4 所示 的信号。 第一章绪论 s hn 飞 门 u 。 二二二二二r 二二二： 二值化信号一 1 贰一 图1 4c c d 输出信号 s h 为转移脉冲，该脉冲作为同步信号，完成c c d 与计数器的同步。在驱动脉 冲的作用下得到视频输出信号u o ，经二值化电路处理后得到如图1 4 所示的方波 脉冲，其前沿对应于黑白边，后沿对应于白黑边。当采用如图1 5 的硬件处理电 路捡取边界值时，前沿的值为i ，后沿的值为2 ，而白条中心对应的值为。 图1 5 硬件电路原理图 通过计数器和锁存器来记录1 和2 的值，锁存器为上升沿锁存，故锁存器 1 中记录的是l ，锁存器2 中记录的是2 ，得出白条中心：墨姜丝。设振动 初始位置时，n = 0 。轨道的振动或者形变使白条像在c c d 像敏阵列上的位置 发生变化。此时c c d 输出的视频信号经过二值化与数据采集后，将得到新的 值，此时轨道的位移或该点的形变为s - - - ( n - n o ) 。式中，为c c d 两相邻像元 p 的中心距；p 为光学成像系统的横向放大倍率。p 可以通过已知的白条宽度w 随时由下式标定尸：垫连；坐。通过采集一段时间的位移可以获得被测物的振 ，y 动频率。 1 3 2 激光光斑测量法 这种方法的基本原理是：将激光器安装在一个固定的参考点上，以激光器发 6 第一章绪论 出的准直光束为参考，将传感器固定在被测物体上，当被测物体在该点发生形变 或者位移时，参考激光发出的光斑在传感器上的位置发生变化，而光斑位置的变 化量则反映出了形变或位移的方向和大小。如图1 6 所示： 激光接收罂 图1 6 激光法测量挠度基本原理图 在这种方法中根据激光接收器即传感器的不同可以分为许多不同的种类，它 们具有不同的测量参数。常用的激光接收器有： 。 ( 1 ) 四象限探测器【3 9 , 4 0 。该探测器由四象限光电池组成，四象限光电池是将光 能转换成电能输出的一种光电探测器，可将目标发射的光点的强度和光点在光敏 面上的位置转换为电信号。把4 个性能完全相同的光电二极管按照直角坐标系的 4 个象限排列，称为四象限光电二极管。四象限管中间有十字形沟道隔开。由于 是在同一芯片上做出的，所以4 个探测器具有非常接近的性能参量。光照面上二 极管边缘各有一引出线，而基区引线则为4 个所共有。光照时，每一个象限都输 出一个相应于光照面积的电流，五、厶、厶、厶。测量时两只电流表的接线端各 与四象限光电池的对角象限输出线相连。当激光投射到光电池上，被照射的光电 池象限输出电信号。电信号的大小表示该象限光电池获得激光能量的大小，当电 流表指针居中时，表示对角二象限获得的能量相等。当两只电流表指针都居中时， 表示光电池的髫+ 一字分划线将激光光斑分成了4 等分，或者说“+ 嚣字分划线的 交叉点与激光光斑圆心重合。当被测物体发生形变时激光光斑圆心偏离探测器中 心位置，通过两只电流表的读数可以计算出激光光斑位于哪个象限的哪个位置以 及移动的距离从而得到被测物体形变的方向和大小。 ( 2 ) 光电耦合传感器：c c d 4 1 。4 3 1 。该传感器是将接收到的光能信号转化为电信号 的一种器件。构成c c d 的基本单元是m o s ( 金属氧化物半导体) 结构。在光积 分期间，当光照射到c c d 硅片上时，在每一个基本单元即每一个像元下产生与其 吸收的光能成正比的信号电荷。在光积分时间结束时每一个基本单元中的信号电 荷被转移到移位寄存器中，在下个光积分周期通过移位寄存器将信号电荷输出 形成电信号。常用的c c d 包括两种：面阵c c d 和线阵c c d 。当使用线阵c c d 时 第一章绪论 只能对物体的一维形变或者位移进行测量，即只能测量物体在固定方向上的挠度 或者位移的大小。而在使用面阵c c d 时则可以对物体的二维形变或者位移进行测 量，即在一个固定平面内测量物体挠度或者位移的方向以及大小。 1 3 3 激光图像测量法 图1 7 激光图像挠度测量原理图 一 如图1 7 所示，该测量法将激光器固定在被测物体上，从激光器发出的准直 激光束照射在远处固定的半透射接收屏上形成一个圆形光斑，c c d 摄像机置于接 收屏正后方不远处。在任一时刻，从c c d 摄像机输出的模拟视频信号经图像采集 卡采集后即可进行处理得到接收屏上光斑中心的坐标位置。一旦被测结构在外界 环境影响下沿y 方向发生了挠度a y ，由于激光器固定在被测结构上，因而激光 器也会随之发生位移，使得投射在接收屏上的激光光斑也发生相同的位移量j ，。 通过计算机采集处理挠度变化前后两次的图片，比较容易计算出光斑在接收屏上 中心位置的变化量，就能够直观地反映出桥梁在该测点的挠度变化l ，。 1 4 本课题研究的基础和工作内容 本课题以激光光斑测量法为基础，使用线阵c c d 作为激光接收器，针对传统 的测量系统的以下几个方面的缺点进行了改进：( 1 ) 复杂的对准机构。随着先进 桥梁建设方法的发展，大型的跨江跨海桥梁以及大型悬拉索和大跨度斜拉索桥的 出现，在测量点与固定参考点( 如桥墩) 之间可能有几十甚至上百米的距离，在 这样的距离上使用传统的准直激光器作为光源需要复杂的对准调整机构和过程， 操作复杂。( 2 ) 远距离测量的需要。当测量人员或者测量系统需要与挠度测量点 第一章绪论 保持较远的距离时，传统的测量系统难以满足实际的需要。在传统的测量系统中 通常使用计算机进行数据处理，而在远距离测量某一点的挠度时就需要在激光接 收器与计算机之间加装长距离的连线，一方面布线繁琐数据线携带不便，另一方 面过长的数据传输线容易引起信号衰减、引入干扰。 针对以上缺点，本课题做了以下创新和改进： ( 1 ) 采用激光水准仪作为光源，通过激光水准仪的望远系统瞄准目标后，打 开激光器的开关，激光聚焦的光点位置与望远系统视场中十字叉丝中心点位置重 合，从而解决了远距离对准复杂的问题。 ( 2 ) 将无线数字通信应用在光电检测领域中，实现了远距离无线数据传输。 ( 3 ) 通过单片机系统进行数据采集和处理，并用数码管显示测量结果，利于 测量系统的小型化简单化。 本课题的工作内容包括： ( 1 ) 设计了将激光水准仪、单片机系统和无线数字通信应用到挠度或位移测 量以及结果显示的方案。 ( 2 ) 对激光水准仪的原理进行了分析。 ( 3 ) 设计并制作了无线通信发射机与无线通信接收机，成功地搭建了实验平 台。 ( 4 ) 完成了对线阵c c d 的数据拾取和处理、单片机扩展外部存储器、无线通 信的实现等系统软件设计。 ( 5 ) 通过实验验证了测量系统的性能参数。 9 第二章系统综述 第二章系统综述 2 1 系统的基本原理及特点 被测物体 图2 1 系统原理图 如图2 1 所示，该系统由4 大部分组成：( 1 ) 远距离激光光源，( 2 ) 线阵c c d 测 量头，( 3 ) 无线通信发射机，( 4 ) 无线通信接收机。系统的安置：将线阵c c d 测量 头固定在被测物体上，安装时要尽量保证c c d 像敏面方向与被测物体发生形变 的方向一致( c c d 测量头上有记号以便于安装时较准) ；将带有三脚架的激光水 准仪安放在固定的参考点上，使用其望远系统瞄准固定在物体上的线阵c c d 并 使望远系统视场内的十字叉丝的中心对准线阵c c d 测量头镜头的中心( 同时也 是线阵c c d 像敏面中心) ：无线通信发射机与线阵c c d 测量头通过d b 9 接口以 及信号线连接，应安置在一起；无线通信接收机由测量人员手持，理论测量距离 ( 包括激光水准仪和无线通信系统) 为1 0 0 米。系统基本工作原理为：从参考点 射出的激光光束为参考光，其聚焦在线阵c c d 的像敏面上。当物体产生位移或 者发生形变时线阵c c d 随之移动，同时参考光点固定不动，故光点在像敏面上 的相对位置发生变化，通过测量光点在像敏面上的位置变化量可以计算出c c d 与参考点之间的相对位移从而确定物体的位移或者挠度。 系统的特点及系统设计中的关键问题： 1 0 第二章系统综述 l 、降低系统的功耗 ( 1 ) 使用低电源电压器件：m c u ( 微控制器) 往往是系统中消耗功率最多的元 件，尽量选用供电电压低的m c u 元件。故本系统采用了+ 3 v 供电的单片机作为 微控制器，其工作电流在完全掉电模式下为lua ，在低频振荡下为大约1 0ua ， 在高频振荡时为几个m a 。 ( 2 ) 单电源供电可提高电源使用效率：在设计中尽量采取单电源供电的芯片。 ( 3 ) 简化芯片功能模块，对于m c u 来说不必要的功能、模块以及外部接口应 该关闭，以避免其运行时增加功耗，同时应该尽量简化单片机系统的外部电路。 ( 4 ) 选择功能集成的芯片。 2 、优化软件设计 采用了单片机系统来进行数据处理和显示，相对于传统测量系统所使用的计 算机来说，计算能力较差，计算速度慢，程序存储量有限。故在对数据处理算法 进行编程时，应该注意优化程序，一方面要尽量简化算法，能够由设计者手动进 行的计算由设计者完成，尽量减少单片机系统的运算量；另一方面要尽量简化程 序，给程序减肥。 3 、减小体积尺寸 对于测量系统而言，体积和重量也是使用者很关注的方面。为了减少体积需 要考虑以下两个方面的问题。 尽量使用贴片元件。选择功能集成的i c 。进一步缩小i c 的封装尺寸是有 困难的，但是可以选择将几个相关的集成电路做在同一块硅片上的i c 。 布局布线时，在满足抗干扰性的条件下，尽量使元件布局紧凑，布线不通 时尽量考虑增加线路板的层数，而不是扩大面积。 2 2 各部分基本功能和设计思想 1 、远距离激光光源： 设计要求：当光源与线阵c c d 距离5 0 - - - 1 0 0 米时，要求聚焦在线阵c c d 的像敏面上的光斑直径小于5 m m ( 线阵c c d 像敏面长为3 0 r a m ) ，同时便于远 距离瞄准。 具体实现：为了满足设计要求提出了采用激光水准仪作为激光光源的方 法。该光源是在s 3 型水准仪上增加一套半导体激光发射系统，使激光束与原水 准仪视准线保持同焦、同心和同轴，这样就满足了便于远距离瞄准的设计要求。 使用时先通过望远系统上的三点一线粗瞄准系统对准目标，然后调节水平、垂直 第二章系统综述 微调旋钮以及调焦旋钮，使得在水准仪望远系统的视场内得到目标c c d 的清晰 像并用十字叉丝瞄准目标c c d 镜头中心，然后打开激光器就可以在目标c c d 镜 头中心得到一个直径最小的光斑。该水准仪在2 0 米以内聚焦在目标上的激光光 斑直径小于1 5 m m ，在1 0 0 米内聚焦在目标上的激光光斑直径小于5 m m ，能够 满足本系统的设计要求。在本文描述的测量系统中该激光水准仪是一个很好的远 距离激光光源，并且在野外架设方便、使用简单、易于远距离瞄准。 2 、线阵c c d 测量头： 该测量系统采用实验室内已有的线阵c c d 测量头t o s h i b at c d1 2 0 6 s u p ， 它拥有2 1 6 0 个像元，像元间距为1 4 微米，总的位移测量量程为3 0 2 毫米。整 个摄像头的封装尺寸为5 0 m m x 6 0 m m x 7 0 m m ，外壳为黑色，常用于小的位移或 者挠度测量。该测量头使用+ 5 v 和+ 12 v 直流电源供电，时钟频率在 5 0 0 k h z - 31 2 5 k h z 之间可调。传感器的输出信号包括一个模拟视频信号( u o ) 、 一个像元同步信号( s p ) 和一个行同步信号( o c ) ，接口为d b 9 接口或模拟r g b 接口。传感器固定在被测物体上时要确保像元分布方向与被测物体的位移或者形 变方向平行，防止出现安装角度误差。 3 、无线通信发射机： 在工程应用中，经常需要远距离测量挠度或者位移，也就是说安装在被测物 体上的传感器和安装在参考点上的激光发射机之间可以有几十米的距离。在这种 情况下如果是用信号线来传输信号就十分不方便了。而且长导线传输信号时容易 受到干扰、发生衰减导致信号质量下降。为了解决这一问题同时加强系统的可靠 性和准确性在传统测量系统基础上提出创新：采用无线数字通信进行数据传输。 同时在该测量系统的无线收发模块前设置了单片机系统，用来进行数据采集及初 步处理。该发射机的功能为采集线阵c c d 测量信号并进行存储，对线阵c c d 测 量信号进行处理并使用无线数字通信发送出去。 为了降低设计成本并简化电路设计，无线通信发射系统的微处理器采用了 p h i l i p s 公司的p 8 9 l p c 9 3 6 单片机。该芯片带有1 6 k b 的程序存储器，内部集成 了许多系统级的功能，功耗很小，且内部带有8 位的a d 转换芯片。采用8 k b 容量的静态存储器s r a m 6 2 6 4 进行数据存储。并通过模拟8 0 c 5 1 片外三总线的 方式与单片机进行数据存储和读取。 无线通信发射系统采用了挪威n o r d i c 公司的n r f 2 4 0 1 无线射频收发芯片。 该芯片工作于2 4 - 2 5 g h zi s m 频段，在s h o c k b u r s t t m 收发模式下，自动处理 字头和c r c 校验码，和射频相关的通信协议处理都在片内进行，增加了通信的 可靠性和准确性的同时易于编程控制，减少了设计者的工作量。该芯片通过s p i 总线同单片机进行数据传输。n r f 2 4 0 1 具有1 m b p s 的数据传输能力，设计好的 1 2 第二章系统综述 n r f 2 4 0 1 无线数字通信模块的通信距离在2 0 0 米以内，完全能够满足本系统远 距离通信的要求。 4 、无线通信接收机 由单片机系统、无线收发模块、显示控制模块3 大部分组成，主要功能为接 受无线通信发射机发来的信号，对接收到数据进行信号进行处理计算出挠度或者 位移数值，根据控制信号进行显示。无线通信接收系统仍然采用p 8 9 l p c 9 3 6 单 片机作为微处理器，并采用n r f 2 4 0 1 作为无线射频接收芯片。接收系统的键盘 控制和数据显示采用了广州周立功单片机发展有限公司设计的数码管显示驱动 及键盘扫描管理芯片z l g 7 2 9 0 b 。该芯片能够直接驱动8 位共阴式数码管( 或6 4 只独立的l e d ) ，同时还可以扫描管理多达6 4 只按键。另夕b z l g 7 2 9 0 b 采用1 2 c 总 线方式与微控制器连接，使用简便。该芯片为工业级芯片，抗干扰能力强，在工 业测控中已有大量应用m 】。 第三章光学系统 3 1 激光水准仪 第三章光学系统 测量系统所用激光光源为军工l0 0 2 厂的s 3 j 型激光水准仪。是在s 3 型水准 仪上增加一套半导体激光发射系统，为s 3 水准仪提供了一条可见的红色水平激 光束，它与原水准仪望远镜是准线保持同焦、同心和同轴，经望远镜视场内调焦 后对准目标，同时也得到聚焦后的激光光斑为最小、最清晰。该仪器电源开关未 接通时，同样可作普通的s 3 水准仪使用，用于三等水准测量。仪器精度：每公 里往返水准测量标准偏差3 毫米，激光束或水平视准线定平精度5 ”。望远 镜：3 0 倍放大率，物镜有效孔径4 2 毫米，视场角1 0 2 6 7 ，视距乘常数1 0 0 ，视 距加常数0 ，最短视距2 0 米。水准器：管状水准器角值2 0 2 毫米，圆形水准 器角值8 2 毫米。半导体激光器：波长6 3 0 n m ，功率16 m w ，阈值5 0 6 0 m a ， 工作电压3 v ，1 0 0 米处光斑直径 5 毫米，激光轴于视轴不同轴度 一，因此值比较小。因而，采用双镜 组系统减小激光束的发散性时，应接近于望远系统，其散焦量五= a 。 经第一镜组变换后的激光束对于第二镜组来说，是物空间的光束，即 7 ，t 2 2 纸。= 2 吼：，z o 。= z o ：所以在置= 0 时，由z o ：= 糌式得 铲罢= 笨 协6 ， 此时第二镜组的像方等效共焦参数z 0 ，为极大值。根据( 3 3 ) 式，高斯光 束通过双镜组系统的角放大率等于： y = 医z 0 2 可a t n 三：g + 。1 ；2 ( 3 7 ) 在a = 0 时，双镜组系统为望远系统，它的角放大率为： y ：立( 3 8 ) 五 由于( 3 7 ) 式根号内表达式总是小于l ，比较( 3 7 ) 式与( 3 8 ) 式可知， 对于散焦系统，其角放大率以及激光束的发散性都较望远系统为小。由于第二镜 组物方束腰位于前焦平面上，其像方束腰必然在后焦平面上，这种形式结构准直 效果最理想。 第三章光学系统 但是如图3 。1 所示经过准直系统准直后的光束经过直角棱镜的反射，在被透 镜组l 4 聚焦后要在c 处获得一个最小的束腰，根据式子( 3 - 1 ) 可得 矿= 措 ( 3 9 ) 由上式可得，当越小，厶，越大即准直系统的第二镜组后焦点到出射光束 束腰的距离五最大时才能满足要求。 当双镜组系统中五0 时，即丘= 士艿，这时峨，m o ：束腰不位于第二镜组 的前焦面上，由透镜对高斯光束变换关系式不难得到此时束腰位置和等效共焦参 数： 置= 否砺8 f z , 2 ( 3 - l 。) z 0 2 1 = 砺z 0 2 f 2 ( 3 - 1 1 ) 由( 3 11 ) 式可见，随着例值的增大，z 0 ：值单调减小。因而发散角岛相应的 增大，此时，c o o ：值也相应地减小，只有8 = 0 ，即满足( 3 - 6 ) 式时，z 0 2 与 均分别达到最大值z 一和鳓：一。 为了分析五随万的变化情况，将( 7 ) 式取导并令其等于零，得到：当万= + z o ： 时，五有极值。 ( a ) 当五= + 艿= z 0 2 时，五有极大值，束腰：位于最远处。 鼍删= 争 z l 0 2 ( b ) 当五= - e = 一z 0 2 时。筋有极小值，束腰是虚柬腰。 五脚= 一争 对于万= z 0 ：的两种情况，双镜组系统射出的高斯光束的z o ：均等于z 0 ：脚。 的一半，即z 位= 华，同时双镜组系统射出的高斯光束的束腰等于 c 0 0 2 脚t 的去。 根据式子( 3 9 ) 应选择置= + 万= 乙。 综上所述，激光水准仪的计算可以按以下步骤进行： ( a ) 对于给定的激光器，已知光束的角发散性为2 只，束腰直径为2 c o o 。，根据 结构或外形尺寸条件，选定束腰相对第一镜组前焦点的位置为五，第一镜组通 光口径d l = 3 q ，q ，为第一镜组主面位置上光束截面半径。在系统像差校正( 只 需校正球差与正弦差) 不产生很大困难的条件下，确定第一镜组的相对孔径导 第三章光学系统 值，然后选择第一镜组的焦距z 。 ( b ) 求出光学间隔a = x i 。 ( c ) 按照z o ：= z o 。求出经第一镜组变换的激光束的等效共焦参数乙。 ( d ) 由仪器技术要求所给的系统输出光束所必需的发散角2 幺，按照( 3 3 ) 式确定系统的角放大率y 。 ( e ) 按( 3 7 ) 式计算出第二镜组( 正镜组) 的焦距：五。第二镜组的通光口径 n 3 幼，可由下两式求出i 蚓： 铲睁佴吨= ( ) 0 2 扎2 纰，为第二镜组主面位置上光束截面半径。 在两透镜之间引入五= z o ：。 ( g ) 根据水准仪望远系统结构尺寸，以及分化板和调焦系统的位置选择直角棱 镜和立方棱镜m 的位置。 ( h ) 根据水准仪望远系统内部结构尺寸以及分化板的位置选择透镜4 的焦 距，使其焦点处于c 处。根据通过直角棱镜反射的光束直径选择透镜4 的通 光口径。 1 9 第四章系统硬件设计 4 1 无线通信发射机 第四章系统硬件设计 图4 1 测量发射机硬件组成框图 无线通信发射机的硬件组成如图4 1 所示，其基本功能为采集线阵c c d 测 量信号并进行存储，对线阵c c d 测量信号进行初步处理，通过无线数字通信发 送数据。该发射机主要包括以下几个部