CN101165455A

CN101165455A - 构造物位移测量装置

Info

Publication number: CN101165455A
Application number: CNA2006101452961A
Authority: CN
Inventors: 金胜
Original assignee: Miseung C & S Inspection Co Ltd
Current assignee: Miseung C & S Inspection Co Ltd
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2006-11-29
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2026-11-29
Also published as: KR20080034259A; KR100852256B1; CN101165455B

Abstract

本发明涉及一种通过线性判读来正确测量工厂以及建筑现场的设置中或已设置的各种构造物和桩子等的下陷量以及微小振动造成的位移的构造物位移测量装置，该装置包括：向安装在构造物上的反射板照射光源的光信号发生部、将反射板反射的光信号转换为电信号的探测传感器部、将探测传感器部转换的电信号转换为数字信号的控制装置部、对控制装置部转换的数字信号进行分析的分析装置部。

Description

构造物位移测量装置

技术领域

本发明涉及一种构造物位移测量装置，具体地说涉及一种通过线性判读来正确测量工厂以及建筑现场的设置中或已设置的各种构造物和桩子等的下陷量以及微小振动造成的位移的构造物位移测量装置。

背景技术

一般情况下，桥梁以及工厂等构造物由于受到自身重量、外部压力以及风压等各种力的作用，会引起变形以及崩溃等严重问题。

为了解决上述严重问题，现在利用指示表(dial gauge)以及接触式位移计(LVDT，Linear Variable Displacement Transducer)测量各种构造物的位移，但是由于构造物的原因，很多情况下无法设置接触式位移计，而且从速度以及分辨率考虑，在现场使用也存在很多问题。

作为现有的测量位移的技术，韩国专利公开号第2006-0094879号专利以及其它多数文献都有记载。

图1为韩国专利公开号第2006-0094879号专利公开的一种现有测量位移方法的示意图。

如图1所示，现有的测量位移的方法，是将铅锤2落到桩子1的衬垫3上，通过加速度计4测量此时桩子1顶部的加速度，并通过积分求出铅锤2的重量引起的桩子顶部的位移。

即，现有的测量位移的一种方法是，对加速度计计测的加速度进行积分求出位移，具体做法是将加速度计计测的加速度积分求出通过固体物质的振动位移速度，然后再次积分计算位移。

但是，对于不同计测对象的长度、构造物的形状以及具体物品，通过固体内部的振动位移的速度并不相同，特别是对于非金属构造物，由于构造物的组成物质不均匀，很难得到正确的计测值。

即，像现有的计算桩子相对各种构造物的下陷位移时，对速度进行一次积分求出位移量的方法，其正确性和可信性并不高，所以在各种建设现场无法使用上述方法。

此外，现有测量位移的另一种方法在韩国专利公开第10-2006-0018909号专利中公开。

图2(a)、(b)及(c)是在具有1000Hz频率分量的原始信号中位移随时间变化的波形数据的检测曲线。

简略说明为，上述现有的测量位移的另一种方法是，利用电荷藕合元件(以下简称CCD(Charge-Coupled Device))摄像头动态计测构造物二维位移的系统，先表示相对目标面积部位的一个基准面积点，然后对此目标面积部位进行摄像，来测定与基准点之间位移的面积计测方式。

这种方法如图2(a)所示，CCD影像能够通过30Hz的采样速度获得，具体能够通过最大32Hz的采样速度获得。即，可以从原始信号分析每秒32个的位移数据。

例如，图2(a)及(b)显示了CCD影像通过最大30Hz和300Hz采样速度获得的波形曲线。

但是，在建设现场桩子及构造物的瞬间位移量如图2所示原始信号相同，具有最小500Hz以上的频率成分。因此，要想对其进行测定，如图2(c)所示，需要3000Hz的采样速度，例如需要最小500Hz至最大4000Hz以上的测定速度(即，最小每秒500个至4000个以上的位移数据)。

即，上述现有测量位移的另一种方法，能够获取的位移数据数量太少，由于混叠效应(Aliasing effect)，不能准确获得桩子及构造物的瞬间位移的波形数据，因此无法测量建设现场的桩子下陷量等。

发明内容

本发明为解决上述问题而提出，其目的是提供一种构造物位移测量装置，通过线性判读来正确测量各种建筑现场的设置中或已设置的各种构造物和桩子等的下陷量以及微小振动造成的位移。

本发明另一个目的是提供构造物位移测量装置，使用绿色激光，从而能够确保在晴天的太阳光线下也能够进行对反射板的精密的测点表示、获得准确计测值和根据测点距离的计测值计算计测值。

本发明又一个目的是提供构造物位移测量装置，通过光信号放大部及光转换部，将从反射板计测的位移量信号进行放大以及转换，使所述信号能够呈现100KHz的采样速度和最大5μm以下分辨率。

本发明另外目的是提供构造物位移测量装置，垂直及水平排列、用于测定一维位移以及二维位移的线性CCD，从而能够随时求出二维位移的计测值。

本发明另一个目的是提供构造物位移测量装置，能够计测并分析光转换部中获取的对x轴、y轴位移的二维位移和根据z轴移动表示光学远近的三维微小位移。

本发明其他目的是提供构造物位移测量装置，由构造物位移测量装置的各组成部件，即光信号发生部、探测传感器部、控制装置部以及分析装置部一体构成的。

为实现上述目的而提出的本发明涉及的构造物位移测量装置，包括：向安装在构造物180上的反射板113照射光源的光信号发生部110、将上述反射板113反射的光信号转换为电信号的探测传感器部130、将上述探测传感器部130转换的电信号转换为数字信号的控制装置部150、对上述控制装置部150转换的数字信号进行分析的分析装置部170；而上述光信号发生部110包括：向上述反射板113照射光源并表示测点位置的测点表示部111、对通过上述测点表示部111表示在上述反射板113上的测点距离进行计测的测点距离计测部112、向上述反射板113照射光源并使照射位置与通过上述测点表示部111表示的测点位置一致的内部光源114。

附图说明

图1是现有的位移测量装置的简略示意图；

图2是表示位移随时间变化的波形数据的检测曲线；

图3是表示本发明涉及的构造物位移测量装置内部结构的模块图；

图4是本发明涉及的构造物位移测量装置外形的简略示意图；

图5是本发明涉及的构造物位移测量装置使用实例的示意图；

图6是本发明使用的反射板的示例的示意图；

图7是通过本发明涉及的构造物位移测量装置测量一维位移的探测传感器部的第一配置示意图；

图8是通过本发明涉及的构造物位移测量装置测量二维位移的探测传感器部的第二配置示意图；

图9是表示通过本发明涉及的构造物位移测量装置获取的图形信号变化的曲线。

具体实施方式

下面参照附图对本发明涉及的构造物位移测量装置进行详细说明。

图3是表示本发明涉及的构造物位移测量装置内部结构的模块图；图4是本发明涉及的构造物位移测量装置外形的简略示意图；图5是本发明涉及的构造物位移测量装置使用实例的示意图。

此外，图6是本发明使用的反射板的示例的示意图；图7是通过本发明涉及的构造物位移测量装置测量一维位移的探测传感器部的第一配置示意图；图8是通过本发明涉及的构造物位移测量装置测量二维位移的探测传感器部的第二配置示意图；图9是表示通过本发明涉及的构造物位移测量装置获取的图形信号变化的曲线。

如图所示，本发明涉及的构造物位移测量装置100包括：向安装在构造物180上的反射板113照射光源后计测微小位移的光信号发生部110、将上述反射板113反射的包括微小位移成分的光信号转换为电信号的探测传感器部130、将上述探测传感器部130转换的电信号转换为数字信号的同时控制本发明涉及的构造物位移测量装置100的功能的控制装置部150、对上述控制装置部150转换的数字信号进行分析的分析装置部170。

这里，上述光信号发生部110、探测传感器部130、控制装置部150以及分析装置部170一体构成。

另一方面，光信号发生部110由测点表示部111、测点距离计测部112及内部光源114构成。

上述测点表示部111为了测量桩子的下陷量以及构造物微小的振动位移，向安装在构造物180上的反射板113照射绿色激光，表示测点位置。

上述测点距离计测部112通过上述测点表示部111计测反射板113上表示的测点距离。

上述内部光源114调焦到反射板113上的测点位置，从而使光源照射的照射位置与测点表示部111表示的测点位置一致。

这里，反射板113如图6所示，为了降低漫反射引起的外部噪声，提高信噪比(SNR)，在外表面整体涂了光吸收剂121，上述光吸收剂121上附着有包括发光物质的发光板122，从而能够有效反射从上述内部光源114发出的光线。

在这里，上述发光板122为了克服现有的非接触式位移测定器具有的低分辨率问题，由四边形格子图案123构成，这不仅能够计测一维及二维位移，而且能够调节根据格子图案的大小124计测的位移值的分解能。

虽然本说明书采用四边形格子图案123的发光板122进行说明，但只要能克服低分辨率问题，也可以采用蜂窝状、圆形、椭圆形、三角形及菱形中的任何一种格子图案。

此外，在现场照射到反射板113的测点表示部111和内部光源114的光源焦点应该一致，有日光照射的白天和晴天在野外现场无法用肉眼判断测点表示部111照射的光源是否固定于反射板113。

即，夜间可以将红色激光束照射到反射板113，从而容易检测所述测点表示部111照射的光源焦点是否准确照射到反射板113，但是红色激光照度小于20000勒克斯(Lux)，在白天由于太阳光线的干扰，无法识别焦点。

因此，本发明涉及的构造物位移测量装置100适用的测点表示部111照射的光源将绿色激光作为基准光源构成，其理由如下。

即，天气晴朗的白天太阳的照度约为50000勒克斯(Lux)以上，即使阴天也有20000勒克斯(Lux)以上。所以如果用红色激光照射构造物180上附着的反射板113，则需要10毫瓦以上的激光输出功率。这不仅提高了成本，而且驱动电路和电源组成也相应变得复杂，即使不考虑这些因素，由于测点距离125不足1米，也无法在施工现场使用。

这种情况下，如果将测点表示部111的光源换成绿色激光，仅用不足5毫瓦的激光输出功率即可确保最大10米的测点距离125。此外，当测点距离125增加时，只需提高几毫瓦的激光输出功率，即可确保充分的性能。

因此，为了确保对反射板113进行精密的测点表示、获得准确的计测值并根据测点距离125准确计算计测值，测点表示部111采用了绿色激光。

另一方面，根据各种建设现场的情况，测点距离125有所不同，因此内部光源114照射的白光将会分散得很宽，照射到反射板113的白色光源的光量与距离平方成反比衰减。因此，如果测点距离125变大或计测速度很高的时候，则无法进行准确的测量。

所以，测点距离125变大或计测速度很高时，应通过调节内部光源114的焦点，保证充分的光源照射到反射板113。

另一方面，探测传感器部130由光信号放大部131、放大比调节部132以及光转换部133构成。

上述光信号放大部131放大由内部光源114照射到反射板113而反射的包含位移信号的光信号126，同时除去外部噪声，并由包括透镜的模块组成。

上述放大比调节部132根据测点距离计测部112的距离信息和太阳光线的亮度等因素，自动控制上述光信号放大部131的放大比。

上述光转换部133将通过光信号放大部132的光信号转换为电信号。

即，上述光转换部133根据反射板113的四边形格子图案123的位置，识别整个测量范围的图案，并将识别的图案的光信号转换为电信号。

这里，上述光信号放大部132及光转换部133能够对通过上述反射板113计测的位移量信号进行放大及转换，使所述信号能够呈现100KHz的采样速度和最大5μm以下的分辨率。

此外，上述光转换部133可以采用线性CCD、点阵CCD(area CCD)以及互补金属氧化物半导体(CMOS)元件中的任何一个，为了获得更高的分辨率及测量速度，还可以采用包含光增倍器的影像获得传感器。

此时使用的线性CCD 134是以100MHz～1GHz的频率工作，对于光转换部133的像素为1024的情形，能够获取每秒个数为100KHz～1MHz的帧，由于每一帧转变为1个位移数据，因此能够以每秒100KHz～1MHz的采样速度呈现位移量信号。

此外，光信号放大部131的放大比设定为1时，如果所使用的线性CCD134的像素尺寸为5μm，产生位移量光信号的反射板113的格子图案大小124为1毫米时，线性CCD 134的每100个像素能够识别1个反射板113格子图案。此时，对微小位移的探测传感器部130的分辨率为5μm。

因此，通过增加光信号放大部131的放大比，能够进一步提高探测传感器部130的分辨率。

此外，为了测量一维位移，可以如图7所示，配置光信号放大部132和光转换部131以及垂直设置的线性CCD 134，为了测量二维位移，可以如图8所示，配置光信号放大部132和垂直及水平设置的光转换部131，以及垂直及水平设置的线性CCD 134。

这里，沿对角线方向的位移可以通过二维位移值进行矢量合成求得。

此外，由二维位移获得的微小位移的图案信号如图9(b)所示，只存在整体图案信号的轴向移动，位移量则与a取相同值。

如果表示实施例的图5中构造物180的微小位移方向与内部光源114的照射方向相同，获得的微小位移的图案信号的幅度将变宽或变窄。如图9(a)所示，通过与基准图案比较而得的增宽量c以及变窄量b，利用光路差分析法，不仅可以求出二维位移，连三维微小位移也能够求出。

另一方面，控制装置部150由信号调节部151、AD转换部152、控制部153以及电源部154构成。

上述信号调节部151对光转换部133转换的位移电信号进行处理，使信号容易分析。

上述AD转换部152将信号调节部151处理的位移电信号转换为数字信号。

因此，上述信号调节部151起到将光转换部133的位移电信号调节为适合输入到AD转换部152的电信号的功能。

上述控制部153对本发明涉及的构造物位移测量装置100的光信号发生部110、探测传感器部130、控制装置部150以及分析装置部170进行整体控制。

上述电源部154提供驱动本发明涉及的构造物位移测量装置100的电源。

另一方面，分析装置部170由处理器171、脉冲发生部172、存储部173、数据通信部174以及按键输入部175构成。

上述处理器171控制通过AD转换部152转变为数字信号的位移信号进行分析、存储、输出及传送。

上述脉冲发生部172生成本发明涉及的构造物位移测量装置100的所有工作信号。

上述存储部173储存通过处理器171分析的数据。

上述数据通信部174将通过处理器171分析的数据传送到PC及外部计测设备。

上述按键输入部175用于输入与微小振动位移计测相关的各种设定数据。

下面，对利用具有上述结构的构造物位移测量装置100测量各种构造物和桩子等的下陷量及微小振动造成的位移的过程进行简单说明。

首先，由测点表示部111及测点距离计测部112向附着于构造物180上的反射板113照射绿色激光。

然后，内部光源114向照射到反射板113的绿色激光表示的测点位置照射用于计测的光源。

接着，探测传感器部130将反射板113反射的包含微小位移成分的光信号转换为电信号。

此后，控制装置部150将探测传感器部130转换的电信号转换为数字信号的同时，控制各部分的功能。

最后，分析装置部170对控制装置部150转换的数字信号进行分析、储存、输出及传送，并通过光学非接触方式获得各种构造物和桩子等的下陷量及位移量。

由于在各种构造物或桩子上直接附着光学用反射板，通过光学非接触方式直接计测位移量及下陷量，因此计测的准确性和可信性都很高。

以上，根据本发明的一个实施例对本发明进行了说明，具有本发明所属技术领域相关知识的人员在不脱离本发明技术思想的范围内，进行的多种变更和变形也应属于本发明权利要求范围。

发明效果

如上所述，通过本发明涉及的构造物位移测量装置，能够对工厂以及建设现场的设置中或已设置的各种构造物进行正确组装，并能够计测振动造成的位移。

此外，能够准确掌握各种建设现场的构造物以及施工中的桩子的下陷量及机械构造物的微小的一维以及二维振动位移，因此能够正规地进行各种建筑构造物的管理。

此外，通过光信号放大部以及光转换部对反射板计测的位移量信号进行放大以及转换，使信号能够呈现100KHz的采样速度和最大5μm以下分辨率，因此能够有效适用于需要进行微小振动位移量及瞬间位移量计测的工厂及建设构造物。

Claims

1.一种用于测量各种构造物和桩子下陷量及位移的构造物位移测量装置，其特征是，所述装置包括：向安装在构造物(180)上的反射板(113)照射光源的光信号发生部(110)、将所述反射板(113)反射的光信号转换为电信号的探测传感器部(130)、将所述探测传感器部(130)转换的电信号转换为数字信号的控制装置部(150)、将所述控制装置部(150)转换的数字信号进行分析的分析装置部(170)；其中，所述光信号发生部(110)包括：向所述反射板(113)照射光源并表示测点位置的测点表示部(111)、对通过所述测点表示部(111)表示在所述反射板(113)上的测点距离进行计测的测点距离计测部(112)、和向所述反射板(113)照射光源并使照射位置与通过所述测点表示部(111)表示的测点位置一致的内部光源(114)。

2.如权利要求1所述的构造物位移测量装置，其特征是，所述探测传感器部(130)包括：光信号放大部(131)，对由所述内部光源(114)照射并被反射板(113)反射的光信号进行放大的同时，除去外部噪音；放大比调节部(132)，根据所述测点距离计测部(112)提供的距离信息和太阳光线的亮度等因素，控制所述光信号放大部(131)的放大比；光转换部(133)，将通过所述光信号放大部(132)的光信号转换为电信号。

3.如权利要求1所述的构造物位移测量装置，其特征是，所述控制装置部(150)包括：信号调节部(151)，用于处理所述探测传感器部(130)转换的电信号，使所述电信号变为可分析信号；AD转换部(152)，将所述信号调节部(151)处理的电信号转换为数字信号；控制部(153)，用于控制所述光信号发生部(110)、探测传感器部(130)、控制装置部(150)以及分析装置部(170)的功能；电源部(154)，向所述光信号发生部(110)、探测传感器部(130)、控制装置部(150)以及分析装置部(170)提供电源。

4.如权利要求1所述的构造物位移测量装置，其特征是，所述分析装置部(170)包括：处理器(171)，用于控制通过所述控制装置部(150)转换的数字信号进行分析、存储、输出以及传送；脉冲发生部(172)，产生所述光信号发生部(110)、探测传感器部(130)、控制装置部(150)以及分析装置部(170)的工作信号；存储部(173)，用于存储所述处理器(171)的分析数据；数据通信部(174)，向外传送所述处理器(171)分析的数据；按键输入部(175)，用于输入与位移计测相关的各种设定数据。

5.如权利要求1所述的构造物位移测量装置，其特征是，由所述测点表示部(111)照射到反射板(113)的光源采用了绿色激光。

6.如权利要求1所述的构造物位移测量装置，其特征是，所述反射板(113)外表面整体涂了光吸收剂(121)，所述光吸收剂(121)上附着了包含发光物质的发光板(122)，能够有效反射所述内部光源(114)的光线。

7.如权利要求6所述的构造物位移测量装置，其特征是，所述发光板(122)由蜂窝状、圆形、椭圆形、三角形、四边形以及菱形中的任何一种格子图案构成。

8.如权利要求2所述的构造物位移测量装置，其特征是，所述光信号放大部(132)以及光转换部(133)将通过所述反射板(113)计测的位移量信号进行放大以及转换，使所述信号能够呈现100KHz的采样速度和最大5μm以下分辨率。

9.如权利要求2或8所述的构造物位移测量装置，其特征是，所述光转换部(133)能够计测并分析对x轴、y轴位移的二维位移和表示z轴上移动的光学远近的三维微小位移。

10.如权利要求1所述的构造物位移测量装置，其特征是，所述光信号发生部(110)、探测传感器部(130)、控制装置部(150)以及分析装置部(170)一体构成。