一种光学微位移测量系统[实用新型专利]

(12)实用新型专利

(10)授权公告号 CN 209101998 U(45)授权公告日 2019.07.12

(21)申请号 201821057143.6(22)申请日 2018.07.04

(73)专利权人 重庆大学

地址 400044 重庆市沙坪坝区沙正街174号(72)发明人 杨士中　王韬　杨士德　(51)Int.Cl.

G01B 11/02(2006.01)

(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利

权利要求书1页 说明书4页 附图1页

CN 209101998 U(54)实用新型名称

一种光学微位移测量系统(57)摘要

本实用新型公开了一种光学微位移测量系统，被测物体通过连接杆与激光管相连，激光管与被测物体有相同的位移；若激光管发出的光经透镜系统形成光点只打在光电二极管阵列上某个光电二极管上，激光管的位置与光电二极管阵列中光点位置对应，即与受光二极管的序号对应。当打在光电二极管阵列的光斑可能覆盖多个二极管时，根据光电二极管阵列上激光强度分布，可设想一个等效光电二极管，其序号可为非整数，对应的输出电压是V∑，对加法器输出的贡献等于全部受光二极管输出V1…Vi…Vn贡献的总和。等效光电二极管的序号表示光电二极管阵列全部受光二极管的重心位置。

CN 209101998 U

权　利　要　求　书

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1.一种光学微位移测量系统，其特征在于：被测物体(1)通过连接杆与激光管(2)相连，二者有相同的位移，激光管(2)发出的光经透镜系统(3)形成光斑打在光电二极管阵列(4)上，数据处理和微位移输出电路(5)的输出电压表示全部受光光电二极管的重心位置，该输出电压代表被测物体位移。

2.根据权利要求1所述的一种光学微位移测量系统，其特征在于：所述的数据处理电路中，设光电二极管阵列有n个光电二极管，接受激光照射后输出电压为V1…Vi…Vn；经n个低噪声前置放大器放大后并行送到由运算放大器构成的相加器，U1为其输出电压，Rf为反馈电阻，G1∧Gn为n个输入电阻的电导值和由运算放大器构成的辅助相加器，U2为其输出电压，Rf为反馈电阻，n个输入电阻的电导值都为G；除法器输出电压为U＝U1/U2，其中

故

光电二极管阵列上激光强

度分布为光斑覆盖多个二极管时，可设想一个等效光电二极管，其输出电压是V∑，其序号可以是非整数，对应的权系数是G∑，它对加法器输出的贡献等于全部受光二极管输出V1…Vi…Vn贡献的总和，它表示光电二极管阵列全部受光二极管的一阶矩位置。

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说　明　书

一种光学微位移测量系统

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技术领域

[0001]本实用新型属于测量仪器领域，涉及一种光学微位移测量系统。

背景技术

[0002]大型水库的库岸边坡，山区公路、铁路边坡有危岩、滑坡、地裂等地质灾害。这些灾害发生前，相关地面先要发生微位移。桥梁、大坝、摩天大楼等大型建筑在使用中会发生微位移、微变形。这些微小变化直接影响建筑物的安全。微位移测量是危险报警的主要监测手段。

[0003]专利ZL20031011925.9“一种微位移测量技术”得到很好应用，但当测量距离增大时，接收信号衰减很快，例如距离增大10倍，同等条件下角反射器反射回来的信号就要减弱10000 倍。这时角反射器和天线尺寸或发射功率都需很大，这限制其应用。专利ZL201310067245.1 “远距离微位移测量技术”克服了上述问题，用相干有源反射器代替角反射器，可测量上万公里外物体的微位移。

[0004]但上述两种微位移测量技术都基于微波比相测距，要求微位移方向与观测方向基本一致，否则对微位移的感测灵敏度降低。这限制了某些应用，例如：对跨江大桥，要测量汽车在桥面产生的垂直微位移，不能够将微位移测量仪放在江面，而只能放在桥墩上。这时微位移方向与观测方向不一致，近似垂直，不能用微波比相精密测距。又如：测量拦河大坝的微位移，大坝下游是河流，我们只能在大坝两端测量，这时微位移方向与观测方向不一致，近似垂直，不能用微波比相精密测距。发明内容

[0005]为克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种光学微位移测量系统。[0006]一种光学微位移测量系统，被测物体通过连接杆与激光管相连，二者有相同的位移，激光管发出的光经透镜系统形成光斑打在光电二极管阵列上，数据处理和微位移输出电路的输出电压表示全部受光光电二极管的重心位置，该输出电压代表被测物体位移。[0007]设光电二极管阵列有n个光电二极管，接受激光照射后输出电压为V1…Vi…Vn；经n个低噪声前置放大器放大后并行送到由运算放大器构成的相加器，U1为其输出电压，Rf为反馈电阻，G1∧Gn为n个输入电阻的电导值和由运算放大器构成的辅助相加器，U2为其输出电压， Rf为反馈电阻，n个输入电阻的电导值都为G；除法器输出电压为U＝U1/U2，其中

故

光电二极管阵列上激光

强度分布为光斑覆盖多个二极管时，可设想一个等效光电二极管，其输出电压是V∑，其序号可以是非整数，对应的权系数是G∑，它对加法器输出的贡献等于全部受光二极管输出V1…Vi…Vn贡献的总和，它表示光电二极管阵列全部受光二极管的一阶矩位置。

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附图说明

[0008]图1为光学微位移测量原理图。图1中，1是被测物体；2是激光管；1与2有相同的位移，位移范围为d；3是透镜系统，4是光电二极管阵列，5是数据处理和微位移输出电路。[0009]图1中的x，y，y′，f，f′，l，l′满足如下关系：

[0010][0011]

或或

图2为光学微位移测量系统输出电路原理图。图2中，6是光电二极管阵列电路，7是低噪声前置放大器，8是由运算放大器构成的加法器，9是由运算放大器构成的辅助加法器，10 是除法器。

具体实施方式

[0012]如图1所示，被测物体1通过连接杆与激光管2相连，2便与1有相同的位移，设它们的位移范围为d；2发出的光经透镜系统3形成光点打在光电二极管阵列4的某个光电二极管上，2的位置与光电二极管阵列中光点位置对应，即与受光二极管的序号对应。输出电路5 根据序号给出代表位置数据的电压。这种简单的设计实际中要解决两个问题：a、虽然被测物体微位移位置与受光二极管序号一一对应，但激光传播衰减受大气能见度影响很大，在同样被测物体位置与对应受光二极管序号下，天气不同到达4的激光强度不同，输出电路的输出电压不同，不能表示位置。b、打在光电二极管阵列的光斑可能覆盖多个二极管，即多个二极管受光。输出电路仍应输出表示被测物体位移的电压。简单一看，可设置一个门限电压，选择输出电压最大的受光二极管序号代表被测物体位移。但到达光电二极管阵列的激光强度，从而光电二极管输出电压，随大气能见度变化而变化。这一门限电压难选择，须随大气能见度变化而变化。另外在低信噪比的情况下，很难区分输出最大和次大的受光二极管。为此，提出图2所示数据处理电路。

[0013]设光电二极管阵列有n个光电二极管(对市场上流行的光电二极管阵列S4111-16Q， S4111-35Q，S4111-46Q，n分别为16，35，46)，光电二极管接受激光照射后输出电压为V1…Vi…Vn，它们并行输出到数据处理电路。6是n个低噪声前置放大器。7是运算放大器构成的相加器，U1为其输出电压，Rf为反馈电阻，G1…Gn为n个输入电阻的电导值。8是运算放大器构成的辅助相加器，U2为其输出电压，Rf为反馈电阻，n个输入电阻的电导值都为G。 9是除法器，输出电压为：U＝U1/U2，其中

[0014]

故

现在说明G1…Gi…Gn的计算如下：

[0016]设光电二极管阵列的n个光电二极管按序号i＝1,2,…,n依次单独受临近饱和强度激光照射，光电二极管顺序输出相同电压Vi＝V，i＝1,2,…,n。要求相加器输出随受光光电二极管的序号i 增加而等阶梯增加。第i个光电二极管受光时相加器输出为Vi。可写出：Vn＝VRfGn， Vi＝VRfGi＝Vn(i/n)＝VRfGn(i/n)，故[0017]Gi＝Gn(i/n)或Ri＝Rn(n/i)   (2)

[0018]现在说明输出电压U与光路衰减无关，光照强度和光路衰减只影响信噪比。设V1…Vi…Vn是原始环境下光电二极管的输出电压，若天气变化使光路衰减减少，光照强度增加，

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[0015]

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光电二极管的输出电压增加为k(V1…Vi…Vn)，则

[0019][0020]

可见：输出电压U与光照强度和光路衰减无关。

[0021]现在说明照射光电二极管阵列的光斑可能覆盖多个二极管时，输出电路输出表示被测物体位移。为了便于理解，若光斑打在相邻二极管接缝处，这时输出U为：

且

这是光斑照在 i和i+1光电二极管输出

和的中间值。又若光斑平均照在相邻二极管上， Vi＝Vi+1，则

这正好是光斑平均照在i和i+1光电二极管输出

和

[0022]

的平均值。

一般情况下除法器的输出U表示光电二极管阵列受光后，n个光电二极管输出电压

权

分布 V1…Vi…Vn的归一化加权和。归一化因子是U的分母。权系数是

系数选定后，U只与光电二极管阵列上激光强度分布，即V1…Vi…Vn有关的量，与天气能见度，传播衰减无关。光电二极管阵列上激光强度分布，包括了较大光斑覆盖多个二极管，甚至多个光斑情况。把U的表达式改写如下：

[0023][0024][0025]

其中G∑＝UG，注意G为常数。

光电二极管阵列受光后，设想一个等效光电二极管，其输出电压是V∑，其序号可以是非整数，对应的权系数是G∑，它对加法器输出的贡献等于全部受光二极管输出V1…Vi…Vn贡献的总和。这就是U的物理意义。它表示光电二极管阵列全部受光二极管的重心位置。

[0026]

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说　明　书

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[0027]

例如：对n＝16,设Rf＝50k,R16＝5k,V16＝5伏，则Ri＝R16(16/i),用Mathcad计算出

相加器的权电阻Ri(i＝1,2,…,16)和光电二极管按序号依次单独受光时Vi(i＝1,2,…,16)，注意相邻二Vi相差0.3125，如上表所示。

[0028]

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说　明　书　附　图

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图1

图2

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