激光變形量測(cè)系統(tǒng)基本原理

     激光變形量測(cè)系統(tǒng)是將激光準(zhǔn)直技術(shù)、光電成像技術(shù)、圖像處理技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信繼續(xù)融合在一起的變形光纖光柵量測(cè)技術(shù)，是玨光科技針對(duì)高鐵、地鐵、橋梁等土木工程自主研發(fā)的激光變形量測(cè)系統(tǒng)，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)國(guó)家，擁有完整的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。 由主要三部分組成：

? 激光發(fā)射器

? 二維圖像傳感器

? 激光變形量測(cè)一體機(jī)

圖1  激光變形量測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

       激光變形量測(cè)一體機(jī)為系統(tǒng)的核心，它可以設(shè)定測(cè)量時(shí)間間隔、激光發(fā)射器的工作時(shí)間、二維圖像傳感器的通訊和采集， 控制二維圖像傳感器和激光發(fā)射器的電源。 然后激光變形量測(cè)一體機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給云端服務(wù)器，從而完成整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。 從云端的服務(wù)器也可以發(fā)指令給激光形變量測(cè)一體機(jī)， 使其按照云端服務(wù)的設(shè)定而進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 

        本系統(tǒng)利用激光的單向性，從一個(gè)測(cè)點(diǎn)將激光對(duì)準(zhǔn)另外一個(gè)測(cè)點(diǎn)的成像靶面，在固定成像光電器件、激光器和成像靶面的情況下，在成像靶面上顯示激光光斑，將初始的光斑位置拍照后，經(jīng)過(guò)圖像處理的方法找出激光光斑的中心位置，信號(hào)處理系統(tǒng)可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，以記錄其初始的光斑位置。當(dāng)測(cè)點(diǎn)2相對(duì)于測(cè)點(diǎn)1發(fā)生位移，那么在成像靶面上的激光光斑發(fā)生位移，系統(tǒng)再次拍照，經(jīng)過(guò)同樣的處理，將數(shù)據(jù)記錄，根據(jù)兩次的測(cè)量數(shù)據(jù)，從而可以得到兩測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移?X、?Y。

1) 理論分辨率        由于系統(tǒng)采用CMOS成像法，我們采用合適的鏡頭(6mm焦距)將靶面的面積為DxL的面積成像于dxl的CMOS上，CMOS的像素有2592 ×1944，由于我們采用的成像靶面尺寸為80mmx60，這樣，每像素的分辨率為80/2592mm/pixel＝0.0309mm， 這就是我們的理論分辨率。2) 空氣流動(dòng)對(duì)儀器精度的影響及實(shí)際精度        對(duì)于30米距離的空氣擾動(dòng)而言，在地鐵隧道中，我們測(cè)試的結(jié)果單次測(cè)量的精度小于為1mm，即±0.5mm。        空氣流動(dòng)對(duì)系統(tǒng)誤差的貢獻(xiàn)是一個(gè)隨機(jī)誤差，因此可以采用多次測(cè)量求平均的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的精度，多次測(cè)量隊(duì)精度提高，可以用下列公式來(lái)表達(dá)：           式中：σ—隨機(jī)誤差；    n—測(cè)量次數(shù)；         T—測(cè)量值；       S—信號(hào)的真實(shí)值。         由于我們測(cè)量一個(gè)通道(假設(shè)8對(duì)激光沉降儀為一個(gè)通道，考慮到靜力水準(zhǔn)儀是8個(gè)儀器一個(gè)通道)，測(cè)量時(shí)間為8×0.3s＝2.4s， 測(cè)量100次可以提高隨機(jī)誤差的10倍的精度，采用240秒測(cè)量一次，應(yīng)該是可以接受的，從上述分析，可知單臺(tái)激光沉降儀的隨機(jī)誤差為：0.5－0.1＝0.4mm        如果采用100次累加，那么精度應(yīng)該是 0.1＋0.4/10＝0.14mm. 因此采用100次平均累加后，單臺(tái)激光沉降儀的精度為±0.14mm。

 圖2