专利名称：基于ccd感光元件的城市地下微型管道深度测量传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种城市地下微型管道深度测量传感器，尤其涉及一种基于CCD感光元件的城市地下微型管道深度测量传感器，不仅可用于地下微型管道深度的测量，还可以推广应用于所有不可见管道与基准面间垂直距离的测量，属于自动化检测领域。
背景技术：
目前，随着信息时代的到来，在城市地下要铺设各种微型信息管道。由于城市中人口稠密、交通繁忙，而且在城市的一些地段已明令禁止采用开挖式方法铺设管道，因此一般都采用非开挖式方法进行微型信息管道铺设。管道在地下的深度是地下管道规划、铺设和维修的重要数据之一。由于采用非开挖式方法进行管道铺设，所以管道深度必须通过仪器进行测量。由于信息管道直径很小(3～4cm左右)这使得适用于直径较大的石油管道深度测量的方法不再适用。而且管道在地下的长度比较长(200～300m左右)这使得根据很广泛的回波原理制成的深度传感器(管道长度20m以下)也不能工作。目前广泛采用的方法是在钻探管道的钻头上安装电磁波发射装置，然后通过地面的雷达进行接收，以此来得到管道的深度。由于这种方法采用电磁波发送和接收，所以容易受到干扰。特别是在城市中更容易因为各种电磁干扰使雷达无法正确辨识信号，造成深度测量的不准确，对施工和维修带来了许多的隐患和不便。
对现有深度测量技术的检索发现，中国发明专利“采矿中深孔深度及倾角测量仪”(申请号01249875)解决了深孔深度及倾角的测量，但它使用声波换能器、摆锤盒、光电编码器、仪表盒等构成智能化测量仪器，使得整个设备体积很庞大，不能满足小直径管道深度的测量。
因此，为了解决地下微型管道深度测量问题，发明一种抗干扰能力强，尺寸小的城市地下微型管道深度测量传感器，以达到预期的设计指标要求，是一项新的研究工作。对现有专利技术的检索发现，还没发现解决上述问题的装置。

发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于CCD感光元件的城市地下微型管道深度测量传感器，能方便精确的实现地下微型管道深度的测量，还可以推广应用于所有不可见管道与基准面间垂直距离的测量。
本发明是通过以下技术方案实现的基于CCD感光元件的城市地下微型管道深度测量传感器包括传感器本体、传感器驱动部分和传感器数据处理部分。传感器本体放置在地下管道内，由两个刚性圆管通过可随管道曲率弯曲变化的弹性软管连接在一起组成，两个刚性圆管内放置光测距装置，其中一个刚性圆管的中心放置点光源，相对应的另一个刚性圆管中心放置CCD图像传感器，每个刚性圆管外表面均布多个由厚钢片支撑的滑动小轮，使刚性圆管能通过滑动小轮撑住地下管道而能沿着地下管道轴线稳定运动。传感器驱动部分由步进电机、步进电机驱动器，牵引线和拉拽线组成，步进电机通过卷动牵引线来驱动传感器本体在管道中移动。传感器数据处理部分包括上位计算机和位于传感器本体内的下位控制器，点光源发出的光线投影在CCD图像传感器上，投影点与传感器中心点的水平线之间的距离即为传感器需要采集的数据，由下位控制器完成模-数转换，并将数字信号发送给上位计算机进行处理，完成地下微型管道深度测量。
本发明的具体结构为传感器本体包括传感器外壳和光测距装置。传感器本体要在管道内运动。传感器外壳是由两个刚性圆管通过可随管道曲率弯曲变化的弹性软管连接在一起组成的。弹性软管利用橡胶的径向张力固定连接两个刚性圆管，然后再在连接部分贴一圈铝片用紧固螺钉紧固刚性圆管与弹性软管。在水平地面上，整个传感器外壳安装成一直线。两个刚性圆管内放置光测距装置、线路以及密封圈等零件。弹性软管起连接两个刚性圆管，提供管道曲率变化，密封防水和防止外部光源影响的作用。刚性圆管由于传感器要在有曲率管道中移动所以要做的尽可能的短，以方便传感器本体在管道中运动。每个刚性圆管外表面均匀分布多个厚钢片支撑的滑动小轮，以使刚性圆管能通过滑动小轮撑住管道而能沿着管道轴线稳定运动。弹性软管采用橡胶内部有轴向钢丝的材料，以防止弹性软管轴向拉伸。
光测距装置是本传感器最主要的部分，光测距装置完成管道深度数据的采集。光测距装置固定安装在传感器外壳内，并随传感器外壳一起在管道中运动。光测距装置由CCD图像传感器和点光源组成。在先进入管道的传感器外壳圆管后端安装CCD图像传感器，安装的位置在圆管靠近弹性软管的管口，要求CCD图像传感器所在平面都应尽可能与圆管的轴线垂直，而且CCD图像传感器中心应与刚性圆管的轴心重合。在后进入管道的传感器外壳圆管前端安装一个点光源，要求点光源发射的光线尽可能与圆管轴线重合，而且点光源发射的光线的直径应尽可能的与CCD图像传感器的光电感应元件单元的大小相等，这样可使精度达到CCD图像传感器分辨率的大小。
光测距装置的原理是设计时要求两个刚性圆管相对端面圆心之间的距离尽可能的短，(但必须大于管道最大曲率半径时CCD图像传感器可测得的最小偏角作为圆心角时相对应的圆弧长度)，而且要保证传感器每一次都在移动两个刚性圆管相对端面圆心之间的距离后进行采样(由于在管道内移动时弹性软管相当于只受到弯曲变形，因此可认为两个刚性圆管相对端面圆心之间的距离是不变的)。这样可将圆弧管道轴线简化为由很多很短的折线首尾相连组成的曲线，每一段折线的长度可认为是两个刚性圆管相对端面圆心之间的距离。只要计算出每一段折线首尾点之间的高度差，再通过累加计算就可以求出每一段折线首尾点相对地面的深度。每一段折线首尾点之间的高度差利用光测距装置测得的数据就可以计算，通过测得的数据可以求出每一段折线相对应以两个刚性圆管相对端面为半径方向的圆心角。当管道没有弯曲时，点光源在CCD图像传感器上的投影就在CCD的中心，每一段折线首尾点之间的高度差就是两个刚性圆管相对端面圆心之间的距离与之前每一段折线圆心角之和的余弦的乘积；当管道有弯曲时，点光源在CCD图像传感器上的投影偏离CCD的中心。投影点相对过CCD中心的水平线的垂直距离可以计算此段折线相对应的圆心角，这时每一段折线首尾点之间的高度差就是两个刚性圆管相对端面圆心之间的距离与之前每一段折线圆心角之和再加上此段折线圆心角一半的余弦的乘积。通过这些计算就能求得管道许多离散点相对地面的深度，因为采样点之间距离很近，所以可认为这些离散点可以代表管道深度。
传感器驱动部分是由步进电机、驱动器、计算机运动控制卡、滑轮、牵引线和拉拽线组成的。首先在管道内穿入牵引线，从管道一段入口进入从另一端穿出。牵引线使用钢丝，一端连接传感器本体一端连接步进电机转盘。步进电机带有蜗轮蜗杆减速器。步进电机通过卷动牵引线来驱动传感器本体在管道中移动，牵引线经过在管口的滑轮减少与管口的摩擦。通过已知步进电机的步进角、转盘的半径和每一段折线长度，可以计算出计算机运动控制卡要发给步进电机驱动器的脉冲数和频率来控制步进电机的运动，光电编码器可作为反馈来改善传感器本体的运动，并检测传感器当前在管道内的位移。这样可以使CCD传感器本体每隔一段折线长度进行采样。虽然牵引传感器本体时牵引线不能完全与传感器本体的位移相同，但由于管道的直径很小而且步进电机的转动速度很慢，所以仍然能使用牵引线的位移来代替传感器本体的位移。拉拽线与后进入的刚性圆管相连，拉拽线起到使传感器本体缓慢移动的作用，这样可以提高精度。拉拽线可以由测量人员操作。
传感器数据处理部分是由下位控制器和上位计算机组成。下位控制器位于CCD图像传感器的后部，也密闭在刚性圆管中。下位控制器将每次采样点的CCD图像传感器输出的模拟信号转换为数字信号，这个信号是点光源在CCD上投影点相对过CCD圆心的水平线的垂直距离，然后下位控制器将数字信号通过RS-485传输协议传送到上位计算机。RS-485传输线在管道中与牵引线绕在一起，一端连接下位控制器数据输出端，一端通过转盘轴上的航空插头与上位计算机的串口连接。
上位计算机进行数据的存储和处理。计算机收到下位控制器通过RS-485传输协议传送过来的数据，首先将数据存储到计算机的硬盘中，存为可读取的文件格式便于数据的处理和保存，然后将数据送入上位计算机的数据处理程序进行数据处理和显示。数据处理程序由串行数据输入接口、迭代和处理代码和显示代码构成。串行数据输入接口将RS-485传送到计算机的数据传输到数据处理程序中；迭代和处理代码将输入的点光源在CCD上投影点相对过CCD圆心的水平线的垂直距离的数据通过前述原理写成的算法来计算每一个采样点相对地面的深度，然后可以计算类似最深点等的特征点。显示代码将采样点的深度通过图形方式输出，同时也可以显示最深点等特征点，然后将数据打印出来，进行备份。
本发明通过光电转换将深度数据转换为计算机可以处理的数据，由于CCD分辨率高而且尺寸可以制作的很小，因此在管道内的传感器本体可以制作得很小以适合直径很小的管道。传感器本体完全密封，因此可以不受外界的干扰。传感器也不受管道长度的限制。不仅可用于地下细小管道深度的测量，还可以推广应用于所有不可见管道与基准面间垂直距离的测量。


图1为本发明基于CCD感光元件的城市地下微型管道深度测量传感器整体结构示意图。
图1中，地下管道1，地面2，传感器本体3，步进电机驱动器4，计算机5，滑轮6，转盘7，与牵引线绕在一起的RS-485通讯传输线8，步进电机9，光电编码器10，拉拽线11。
图2为当管道没有弯曲时，传感器本体示意图。
图2中，地下管道1，与RS-485数据传输线绕在一起的牵引线8，滑动小轮12，弯曲厚钢片13，紧固螺钉14，弹性软管15，铝片16，刚性圆管17，点光源发出的光线18，下位控制器19，CCD图像传感器20，点光源21。
图3为当管道有弯曲时，传感器本体示意图。
图3中，地下管道1，与RS-485数据传输线绕在一起的牵引线8，滑动小轮12，弯曲钢片13，紧固螺钉14，弹性软管15，铝片16，刚性圆管17，点光源发出的光线18，下位控制器19，CCD图像传感器20，点光源21。
图4为图2传感器本体A-A方向剖面图。
图4中，地下管道1，滑动小轮12，弯曲钢片13，紧固螺钉14，弹性软管15，铝片16，刚性圆管17，点光源21，弹性软管中防止软管拉伸的钢丝22。
图5为图2传感器本体B-B方向剖面图。
图5中，地下管道1，滑动小轮12，弯曲钢片13，紧固螺钉14，弹性软管15，铝片16，刚性圆管17，CCD图像传感器20，弹性软管中防止软管拉伸的钢丝22。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明基于CCD感光元件的城市地下微型管道深度测量传感器整体结构及工作位置如图1所示。本发明的传感器主要包括传感器本体、传感器驱动部分和传感器数据处理部分。传感器本体3放置在地下管道1内；传感器数据处理部分包括上位计算机5和位于传感器本体3内的下位控制器；传感器驱动部分由步进电机9、步进电机驱动器4，牵引线8和拉拽线11组成。步进电机9置于地面2上，步进电机9上接有光电编码器10，光电编码器10与步进电机驱动器4相连，计算机5分别与步进电机驱动器4、光电编码器10及转盘7相连。转盘7上绕有RS-485通讯传输线与牵引线8，通过滑轮6连接到传感器本体3的一端，传感器本体3的另一端连接拉拽线11。步进电机9带有蜗轮蜗杆减速器来带动转盘7转动。步进电机9通过卷动牵引线8来驱动传感器本体3在管道1中移动，牵引线8经过在管口的滑轮6减少与管口的摩擦。通过已知步进电机9的步进角、转盘的半径和每一段折线长度，可以计算出计算机5运动控制卡要发给步进电机驱动器4的脉冲数和频率来控制步进电机9的运动，光电编码器10可测得传感器本体的位置反馈信号。这样可以使传感器本体3每隔一段折线长度进行采样。虽然牵引传感器本体3时牵引线8不能完全与传感器本体3的位移相同，但由于管道的直径很小而且步进电机9的转动速度很慢，所以仍然能使用牵引线8的位移来代替传感器本体3的位移。拉拽线11与后进入的刚性圆管17相连，拉拽线11起到使传感器本体缓慢移动的作用，这样可以提高精度。拉拽线11可以由测量人员操作。
传感器本体3包括传感器外壳和光测距装置，其结构形状如图2、图3所示。传感器外壳是由两个刚性圆管17通过可随管道曲率弯曲变化的弹性软管15连接在一起组成的。弹性软管15利用橡胶的径向张力固定连接两个刚性圆管17，弹性软管15与刚性圆管17的连接部位紧贴一圈铝片16并用紧固螺钉14紧固。两个刚性圆管17内放置光测距装置，其中一个刚性圆管的中心放置点光源21，相对应的另一个刚性圆管中心放置CCD图像传感器20，CCD图像传感器20连接与其紧邻放置的下位控制器19，并通过传输线8与地面上的计算机连接。每个刚性圆管外表面焊接多个厚钢片13支撑滑动小轮12，以使刚性圆管17能通过滑动小轮12撑住地下管道1而能沿着地下管道1轴线稳定运动。
当管道1没有弯曲时，点光源21发出的光线18投影在CCD图像传感器20的中心点，如图2所示。当管道1有弯曲时，点光源21发出的光线18投影偏离CCD图像传感器20的中心点，如图3所示。投影点与CCD图像传感器20中心点的水平线之间的距离就是本发明深度传感器需要采集的数据。
两个刚性圆管17通过弹性软管15连接在一起，组成传感器外壳，其尺寸应和地下管道1相适应。刚性圆管17不能在弹性软管15中滑动，否则将使测量不准确，因此本发明在刚性圆管17与弹性软管15的连接部分贴一圈铝片16，并用紧固螺钉14紧固。每个刚性圆管17外表面均布多个由厚钢片13支撑的滑动小轮12，以使刚性圆管17能通过滑动小轮12撑住管道1而能沿着管道1的轴线稳定运动。弹性软管15采用橡胶内部有轴向铁丝的材料，以防止弹性软管15轴向拉伸。传感器外壳还要求密封性好，起到密封防水的作用，同时使光测距装置不受外部光源影响。传感器外壳中要放置点光源21、CCD图像传感器20、与牵引线8绕在一起的RS-485通讯线和下位控制器19。下位控制器19完成模-数转换，将CCD图像传感器20输出的模拟信号转换为计算机5能接收的数字信号。下位控制器19还完成RS-485协议通讯，将数字信号发送给上位计算机5进行处理。
图4为图2所示传感器本体A-A方向剖面图，如图4所示，刚性圆管17外表面均布多个由厚钢片13支撑滑动小轮12，以使刚性圆管17能通过滑动小轮12撑住地下管道1而能沿着地下管道1轴线稳定运动。弹性软管15采用橡胶内部有轴向铁丝22的材料，以防止弹性软管15轴向拉伸。刚性圆管17与弹性软管15的连接部分贴一圈铝片16，并用紧固螺钉14紧固。点光源21固定安装在一个刚性圆管17的轴线上。
图5为图2所示传感器本体B-B方向剖面图，即另一个刚性圆管的剖面图。如图5所示，CCD图像传感器20固定安装在刚性圆管17的中心轴线上。
光测距装置是本发明主要部分。光测距装置的安装如图4，图5所示。光测距装置由一个点光源21和一个CCD图像传感器20组成，点光源21大小要求应尽可能与CCD图像传感器20的光电传感单元的大小相等，这样可使本传感器精度达到CCD图像传感器20分辨率的大小。点光源21的安装要求是使点光源21发射的光线18可以沿着刚性圆管17的轴线传播，而且要求点光源21安装稳定。CCD图像传感器20安装应尽量使CCD图像传感器20所在平面与刚性圆管17的轴线垂直，而且CCD图像传感器20中心的光电传感单元应与刚性圆管17的轴心重合，CCD图像传感器20还应尽量安装在刚性圆管17靠近弹性软管15的管口。
传感器数据处理部分是由下位控制器19和上位计算机5组成。下位控制器19安装在CCD图像传感器后部，也密闭在刚性圆管17中。下位控制器19将每次采样点的CCD图像传感器20输出的电信号转换为数字信号，然后下位控制器19将数字信号通过RS-485通讯传输线传送到上位计算机5。传输线在管道1中与牵引线8绕在一起，传输线一端连接下位控制器的RS-485数据输出端，一端通过转盘7轴上的航空插头与上位计算机5的串口连接。
上位计算机5进行数据的存储和处理。计算机5收到下位控制器19通过RS-485传输协议传送过来的数据，首先将数据存储到计算机5的硬盘中，存为可读取的文件格式便于数据的处理和保存，然后将数据送入计算机5的数据处理程序进行数据处理和显示。数据处理程序由串行数据输入接口、迭代和处理代码和显示代码构成。串行数据输入接口将RS-485传送到计算机5的数据采集到数据处理程序中。迭代和处理代码计算出各采样点的深度。显示代码将采样点的深度通过图形方式输出，同时也可以显示最深点等特征点，然后将数据打印出来，进行备份。
权利要求
1.一种基于CCD感光元件的城市地下微型管道深度测量传感器，包括传感器本体、传感器驱动部分和传感器数据处理部分，其特征在于传感器本体(3)的两端分别连接牵引线(8)和拉拽线(11)，并由带光电编码器(10)的步进电机(9)驱动，传感器外壳由两个刚性圆管(17)通过可随管道曲率弯曲变化的弹性软管(15)连接在一起组成，弹性软管(15)与刚性圆管(17)的连接部位紧贴一圈铝片(16)并用紧固螺钉(14)紧固，每个刚性圆管外表面均布多个由厚钢片(13)支撑的滑动小轮(12)，使刚性圆管(17)能通过滑动小轮(12)撑住地下管道(1)而能沿着地下管道(1)轴线稳定运动，两个刚性圆管(17)内放置光测距装置，其中一个刚性圆管的中心放置点光源(21)，相对应的另一个刚性圆管中心放置CCD图像传感器(20)，CCD图像传感器(20)所在平面与刚性圆管(17)的轴线垂直，点光源(21)发出的光线(18)在CCD图像传感器(20)上的投影点与CCD图像传感器(20)中心点的水平线之间的距离为深度传感器需要采集的数据，由安装在CCD图像传感器后部的下位控制器(19)将采样电信号转换为数字信号，并通过通讯传输线传送到上位计算机(5)进行处理。
2.如权利要求1的基于CCD感光元件的城市地下微型管道深度测量传感器，其特征在于所述的弹性软管(15)采用橡胶内部有轴向铁丝(22)的材料，以防止弹性软管(15)轴向拉伸。
3.如权利要求1的基于CCD感光元件的城市地下微型管道深度测量传感器，其特征在于所述的通讯传输线在管道(1)中与牵引线(8)绕在一起，传输线一端连接下位控制器(19)的数据输出端，一端通过步进电机转盘(7)轴上的航空插头与上位计算机(5)的串口连接。
4.如权利要求1的基于CCD感光元件的城市地下微型管道深度测量传感器，其特征在于上位计算机(5)与下位控制器(19)之间通过RS-485通信来传输深度测量的数据，上位计算机(5)收到下位控制器(19)传送过来的数据后，首先将数据存储到硬盘中，存为可读取的文件格式，然后由数据处理程序进行数据接收、保存、迭代计算与显示打印。
全文摘要
本发明涉及一种基于CCD感光元件的城市地下微型管道深度测量传感器，包括传感器本体、传感器驱动部分和传感器数据处理部分。传感器本体由两个刚性圆管通过可随管道曲率弯曲变化的弹性软管连接在一起组成，两个刚性圆管内放置光测距装置，通过光电转换将深度数据转换为计算机可以处理的数据，再通过计算机进行深度的计算和显示，完成地下微型管道深度测量。本发明采用CCD感光元件，由于分辨率高且尺寸小，因此传感器本体可以制作得很小以适合直径很小的管道，传感体本体完全密封而不受外界的干扰，也不受管道长度的限制，不仅可用于地下细小管道深度的测量，还可以推广应用于所有不可见管道与基准面间垂直距离的测量。
文档编号G01B11/02GK1595053SQ200410025219
公开日2005年3月16日 申请日期2004年6月17日 优先权日2004年6月17日
发明者忻煜, 付庄, 赵言正, 曹其新 申请人:上海交通大学