隧道断面激光放样仪的研制

　　1　引言

　　目前我国隧道开挖技术中的放样工序,基本停留在手工操作阶段,它难度大、精度低、成本高,随着隧道工程的增多,急需发展隧道断面激光放样技术。 其技术路线是:由计算机控制的大小、亮度满足要求的激光点,在隧道掌子面上自动描绘出隧道断面轮廓,同时人工跟踪此激光点的轨迹,用油漆画出实际开挖的轮 廓曲线。隧道断面激光放样仪,提出了隧道断面激光放样的实现方法,包括平移物镜扫描、光束发散角的压缩、激光扫描光点的DDC控制、光电零位恢复装置以及 仪器的精确定位等。

　　2　激光放样仪原理

　　在放样平面上建立O—XYZ坐标,O为激光扫描放样的原点,OZ为光轴方向,见图1。扩束镜2将半导体激光器1发出的激光会聚在焦点F1处,通 过扫描物镜成像在放样平面4上。X、Y方向的扫描运动分别由激光器水平方向的平移和物镜垂直方向的平移实现,而实际隧道断面轨迹则由其叠加运动形成。在物 镜平面上建立X—Y坐标,如果激光器移动量和物镜移动量分别为x和y,则放样平面上投射激光点的坐标lx、ly表示为

式中:d1c为扫锚物镜到放样平面之间的距离;f为扫锚物镜的焦距。

　　因此根据需要开挖隧道的断面轮廓曲线,通过计算机控制激光器和扫锚物镜的平移量x、y,确定放样平面上每一激光点的位置,从而实现自动扫描隧道 断面轮廓的目的。在上述扫描系统中,要求激光器输出光束为平行光,必须对仪器的半导体激光器进行光束变换,使其成为平行光或准平行光。用单透镜法对其进行 准直校正,使用相对口径D/f=0.37的透镜准直后,激光束的方向性达到0.26°微弧度,满足仪器扫描系统要求。

　　3　硬件设计

　　图2是该仪器的电路原理框图。

　　3·1　单片机基本系统

　　以80C31单片机为核心并由27C256程序存储器、6264 NV-SRAM数据存储器、23键矩阵键盘电路以及2×20字符液晶显示器等组成本仪器单片机基本系统,其特点是支持采用C51高级语言的复杂数据处理。 其中32k字节27C256用作仪器系统的程序存储器,系统为其分配地址是0000H-7FFFH,其容量足以容纳一个复杂仪器系统的应用程序。

　　6264 NV-SRAM数据存储器是一非易失8 k静态数据存储器,其地址为外部RAM的0000H- 1FFFH,它有3个作用:一是作为仪器系统断面轮廓曲线数据的存储区;二是运行C51程序时的需要,它要求系统留有足够的可进行读写操作的数据存储区作 为运行C51程序的工作区,包括指定变量区、堆栈区、中间运算工作单元等,这些都是运行C51程序所必不可少的,在硬件设计时应留有足够的容量,工作区使 用时的大小由编译连接程序根据应用程序的实际需要自动分配。三是根据智能仪器的特点,本仪器能够实现自动调零、自动校正、自动定标、可编程自动运行等功 能,对于这些特殊功能,仪器系统设计有一功能参数区,其地址在6264中的1800H-1FFFH处。该电路可以对仪器所用的工作参数快速在线修改,掉电 后则能可靠保存。