高精度激光倾角测量技术研究

　　0　引言

　　倾斜角传感器可广泛应用于工业生产、国防科技、建筑安全等领域.目前倾斜角传感器多采用重力摆的结构.主要技术是利用新型SMR敏感元件,将倾斜角度的变化转换成电信号输出.另外一种倾角测量采用电感测量传感器,用于确定可以相对于固定外壳移动的物体的位置,从而实现倾角测量.

　　另外一类电磁式倾角传感器由于其原理上限制,其体积和测量精度相矛盾,系统结构复杂、易受电磁干扰·德国霍斯特塞德尔两合公司的发明特征在于,移动体包括测量传感器,该传感器产生在限制区域上延伸的交变磁场;交变磁场穿过至少一个与外壳连接的导体回路并沿测量长度延伸.通过电路对正向和反向线路之间的电压差值求平均值并将其馈送到输出.电感传感器用于测量固定外壳和轴之间的角度.但这类倾角测量方法其测量精度均低于30″.满足不了高精度倾角测量的要求[1~4].本文提出的激光高精度倾角测量技术利用液面自动安平原理,加上多次反射放大,解决了上述技术的缺点,实现了高精度倾角测量.

　　1　测量原理

　　装置的基本原理是利用液体表面在重力作用下平衡时可形成绝对水平面,利用该水平面或其漂浮物表面一次或多次反射折射来实现光学位移放大,从而实现高精度倾角测量.系统原理示意图如图1,光源发出的光经过光学系统准直后入射到液体表面上,液体表面与一反射镜构成多次反射光学系统,该光学系统对反射面的角度变化形成多次反射放大,并将角度变化转换成光点的位置变化,通过PSD上光点的位置变化信号输出,从而解调出反射面的角度变化.上反射面与测量装置固定,由于下反射面是漂浮于液面上的反射镜,根据重力原理可知道下反射面始终是保持水平的,因此只要得到有上表面的变化信号,就可测量其倾角或者倾角变化.

　　利用反射定律、光路结构三角关系可得到光点在光电传感器(如PSD、CCD等)上的位移D与倾角β的关系为

　　如图1所示,上式中n表示下表面反射光反射次数.H为上下反射表面的间距.θ为入射光源与重力方向间的夹角.

　　式(1)决定测量系统的分辨率,式(2)决定了测量仪器的尺寸大小.式(1)一共有四个参数H、n、θ、β,其中θ相对固定保持不变,β为其变化量.n和H也在设计生产时被唯一确定,而函数D可由PSD得到的信号中经过处理后得到,因此目标参数β亦可被唯一确定.此β值也就是本文想要获知的大坝水平倾角度数,比较以前的记录,就可以得到倾角的变化曲线.

　　2　倾角测量实验

　　2.1　系统结构