CN101441068A - 非接触式路面粗糙度测量装置以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于以非接触方式测量路面粗糙度的非接触式路面粗糙度测量装置以及方法，特别是涉及一种通过将向路面照射激光束而获得的数据以相位值来表示而定量化地表示路面粗糙度，并且通过以非接触式进行测量而能够非常迅速地测量路面的非接触式路面粗糙度测量装置以及方法。

Description

非接触式路面粗糙度测量装置以及方法

技术领域

本发明涉及用于通过非接触方式来测量路面粗糙度的非接触式路面粗糙度测量装置以及方法，特别是涉及一种通过将向路面照射激光束获得的数据以相位值来表示而能够定量化地表示路面粗糙度，并且通过以非接触式进行测量而能够非常迅速地测量路面的非接触式路面粗糙度测量装置以及方法。

背景技术

自上世纪六十年代至今以来，为了调查分析道路的性能和实际状况，一直在开发路面粗糙度测量技术，而且自上世纪九十年代以后，将道路形状直接应用于车辆行驶解析中的开发正在一步一步地发展。

这样的路面粗糙度测量技术，通过掌握针对高速道路和国道的铺设状态的分析和路面对车辆的影响关系来进行铺设和维护，进而利用道路的路面纵断面(profile)在与实车状态相同运行条件下进行行驶解析，这对于车辆的行驶性能、操纵性能、安全性和零件耐久性的评价也起到非常重要的作用。

基于如上述的技术制作的以往的路面粗糙度测量装置中，需要采用高价的精密测量装置，实际上在路面使用粘土进行拓本并测量路面粗糙度，由于其不是利用实际路面而是利用拓本进行的测量，因此存在需要较多时间且含有各种误差，而成为并不正确的测量等的问题。

发明内容

本发明是为解决如上述的问题而提出的，其目的在于，提供一种通过将向路面照射激光束而获得的数据以相位值来表示而能够定量化地表示路面粗糙度定量化，并且通过以非接触式进行测量而能够非常迅速地测量路面的非接触式路面粗糙度测量装置以及方法。

为了实现上述的目的，本发明涉及的非接触式路面粗糙度测量装置，包括：用于放射10nW功率的激光束的氦氖激光器；接受从上述氦氖激光器放射的激光束的传递并将其分散的物镜；将被上述物镜分散的激光束借助空间滤波器进行滤波的针孔；将被上述针孔进行滤波后的激光束聚集而形成间隔一定距离的平行激光束，并朝向所要测量的路面放射的光轴透镜；将从上述光轴透镜放射并被路面反射后的激光束分为两束垂直/平行方向的光线分散器；细微调整穿过了上述光线分散器的垂直方向光束的路径的压电变换器；将由上述压电变换器得到的模拟数据转换为数字数据的A/D变换器；反射被上述光线分散器分为水平方向的激光束的反射镜；拍摄被上述反射镜反射为水平方向的激光束的CCD照相机；将由上述CCD照相机得到的模拟图像数据转换为数字数据的帧接收器(frame grabber)；以及接受由上述A/D转换器和帧接收器转换的数字数据的转送，并存储、处理数据及进行整体控制的控制计算机。

另外，为了实现上述的目的，本发明涉及的非接触式路面粗糙度测量方法，进行如下步骤，向表面平滑的路面照射氦氖激光器的激光束，利用CCD照相机拍摄4张干涉条纹，并将其结果值存储在控制计算机中的第一步骤；在上述第一步骤之后，在表面粗糙的路面上撒上白色粉末后，照射上述氦氖激光器的激光束，利用CCD照相机拍摄4张干涉条纹，并将其结果值存储在控制计算机中的第二步骤；以及在第一、二步骤之后，通过相位计算上述控制计算机中存储的结果值，并以相位值计算出路面粗糙度的第三步骤。

附图说明

图1是表示本发明涉及的非接触式路面粗糙度测量装置的构成图。

图2是表示本发明涉及的非接触式路面粗糙度测量方法的流程图。

具体实施方式

基于附图进一步详细说明如上所述的本发明，具体内容如下。

下面，在说明本发明的过程中，当判断为针对关联的公知功能或构成的具体说明可能会使本发明的主旨不清楚的情况下，省略其详细说明。另外，下述的用语是考虑其在本发明中的功能而定义的，其因用户、使用人员的意图或者惯例等的不同而不同，因此各用语的意思必须基于本发明说明书的整体内容来进行解释。

图1是表示本发明涉及的非接触式路面粗糙度测量装置的构成图。

为了实现如上述的目的，如图1所示，本发明涉及的非接触式路面粗糙度测量装置，包括：用于放射10nW功率的激光束的氦氖激光器1；接受从上述氦氖激光器1放射的激光束的传递并将其分散的物镜2；将被上述物镜2分散的激光束借助空间滤波器进行滤波的针孔3；将被上述针孔3滤波后的激光束聚集而形成间隔一定距离的平行激光束，并朝向所要测量的路面12放射的光轴透镜4；将从上述光轴透镜4放射并被路面12反射的激光束分为两束垂直/平行方向的光线分散器5；细微调整穿过上述光线分散器5的垂直方向光束的路径的压电变换器6；将利用上述压电变换器6得到的模拟数据转换为数字数据的A/D变换器7；反射由上述光线分散器5分为水平方向的激光束的反射镜8；对由上述反射镜8反射为水平方向的激光束进行拍摄的CCD照相机9；将由上述CCD照相机9得到的模拟图像数据转换为数字数据的帧接收器10；以及接受由上述A/D转换器7和帧接收器10转换的数字数据的转送并且存储、处理数据及进行整体控制的控制计算机11。

首先，当从氦氖激光器1放射10nW功率的激光束时，激光束借助物镜2向前方分散。

这样分散的激光束借助针孔的空间滤波器(未图示)被滤波，并传递到光轴透镜4，且传递到光轴透镜4的激光束被转换为隔着一定距离的平行的激光束，并照射到所要测量的路面12上。

照射到路面12上的激光束与路面12接触后进行反射，并传递到光线分散器5而分为两束垂直/水平方向，被上述光线分散器5分为两束的垂直/水平方向的光束中的垂直方向的光束被传递到压电变换器6，而细微调整其路径以获得数据。

由上述压电变换器6得到的模拟数据，通过A/D变换器7转换为数字数据，并且存储在控制计算机11中。

另外，当在被上述光线分散器5分为两束的垂直/水平方向的光束中的水平方向的光束被反射镜8反射之后传递到CCD照相机9时，上述CCD照相机9对激光束进行拍摄而获得模拟图像数据。

这样获得的模拟图像数据被帧接收器10转换为数字数据，并存储在控制计算机11中。

图2是表示本发明涉及的非接触式路面粗糙度测量方法的流程图。

如图2所示，本发明涉及的非接触式路面粗糙度测量方法中，进行下述的步骤，即：向表面平滑的路面照射氦氖激光器1的激光束，利用CCD照相机9拍摄4张干涉条纹，并将其结果值存储在控制计算机11中的第一步骤(ST10)；在上述第一步骤之后，在表面粗糙的路面上撒上白色粉末后，照射上述氦氖激光器1的激光束，利用CCD照相机9拍摄4张干涉条纹，并将其结果值存储在控制计算机11中的第二步骤(ST20)；以及在第一、二步骤之后，通过相位计算上述控制计算机11中存储的结果值，并以相位值计算出路面粗糙度的第三步骤(ST30)。

首先，向表面平滑的道路路面上照射氦氖激光器1的激光束(ST11)后，利用CCD照相机9拍摄被变换4级相位的4张干涉条纹(ST12)。

将这样被CCD照相机9摄像了的数据存储在控制计算机中(ST13)，可以表示为下述的计算式1。

计算式1

$I_n=I_r+I_0+\sqrt{I_r{I}_0}\sin (\mathrm{\Φ}+\mathrm{n\δ}-{\mathrm{\Φ}}_a)---\left(1\right)$

其中，n＝0、1、2、3。

这里，I_n是在平滑的路面上测量的干涉条纹；I_r是未被平滑的路面反射而直接进入到CCD照相机的光的强度；I_o是被平滑的路面反射后进入到CCD照相机的光的强度；δ是π/2；Φ_a是(2×π×a)/λ；a是路面厚度；λ是氦氖激光器的波长。

接着，在表面粗糙的道路的路面上撒上白色粉末后，照射氦氖激光器1的激光束(ST21)，之后利用CCD照相机9拍摄被变换4级相位的4张干涉条纹(ST22)。

此时，撒上白色粉末的原因是提高激光束的反射效果。

将这样由CCD照相机9拍摄的数据存储在控制计算机中(ST23)，表示为下述的计算式2。

计算式2

${I\′}_n=I_r+I_0+\sqrt{I_r{I}_0}\sin (\mathrm{\Φ}+\mathrm{\Δ\Φ}+\mathrm{n\δ})---\left(2\right)$

其中，n＝0、1、2、3。

这里，Φ_a是(2×π×a)/λ；I’_n是在粗糙路面上测量的干涉条纹；I_r是未被粗糙的路面反射而直接进入到CCD照相机的光的强度；I_o是被粗糙的路面反射后进入到CCD照相机的光的强度；△

是相位的变化量；δ是π/2；λ是氦氖激光器的波长。

若整理通过上述计算式(1)和计算式(2)得到的结果值，则如下述的计算式(3)和计算式(4)所示地以相位来表示，其表示对应于路面粗糙度的相位值(ST30)。

计算式3

$\mathrm{\Δ\Φ=tan}\left(\frac{{I\′}_4-{I\′}_2}{{I\′}_1-{I\′}_3}\right)-\tan \left(\frac{I_4-I_2}{I_1-I_3}\right)---\left(3\right)$

计算式4

$\mathrm{\Δ\Φ}=k\frac{\∂U}{\∂Z}\mathrm{\δZ}---\left(4\right)$

这里，k是灵敏度向量；U是位移向量；δZ是剪切宽度。

因而，可以通过上述结果定量地表示路面粗糙度。

本发明涉及的非接触式路面粗糙度测量装置及方法，能够将由向路面照射激光束而获得的数据以相位值来表示并定量化地表示路面粗糙度，并且通过以非接触式进行测量而能够非常迅速地测量路面。

Claims (5)

1.一种非接触式路面粗糙度测量装置，其特征在于，包括：

用于放射10nW功率的激光束的氦氖激光器；

接受从上述氦氖激光器放射的激光束的传递并将其分散的物镜；

将被上述物镜分散的激光束借助空间滤波器进行滤波的针孔；

将被上述针孔进行滤波后的激光束聚集而形成间隔一定距离的平行激光束，并朝向所要测量的路面放射的光轴透镜；

将从上述光轴透镜放射并被路面反射后的激光束分为两束垂直/平行方向的光线分散器；

细微调整穿过了上述光线分散器的垂直方向光束的路径的压电变换器；

将由上述压电变换器得到的模拟数据转换为数字数据的A/D变换器；

反射被上述光线分散器分为水平方向的激光束的反射镜；

拍摄被上述反射镜反射为水平方向的激光束的CCD照相机；

将由上述CCD照相机得到的模拟图像数据转换为数字数据的帧接收器；以及

接受由上述A/D转换器和帧接收器转换的数字数据的转送，并存储、处理数据及进行整体控制的控制计算机。

2.一种非接触式路面粗糙度测量方法，其特征在于，进行如下步骤，

向表面平滑的路面照射氦氖激光器的激光束，利用CCD照相机拍摄4张干涉条纹，并将其结果值存储在控制计算机中的第一步骤(ST10)；

在上述第一步骤之后，在表面粗糙的路面上撒上白色粉末后，照射上述氦氖激光器的激光束，利用CCD照相机拍摄4张干涉条纹，并将其结果值存储在控制计算机中的第二步骤(ST20)；以及

在第一、二步骤之后，通过相位计算上述控制计算机中存储的结果值，并以相位值计算出路面粗糙度的第三步骤(ST30)。

3.根据权利要求2所述的非接触式路面粗糙度测量方法，其特征在于，在上述第一步骤中，利用下述计算式1表示被存储在控制计算机中的结果值，

计算式1

$I_n=I_r+I_0+\sqrt{I_r{I}_0}\sin (\mathrm{\Φ}+\mathrm{n\δ}-{\mathrm{\Φ}}_a)---\left(1\right)$

其中，n＝0、1、2、3，

这里，I_n是在平滑的路面上测量的干涉条纹；I_r是未被平滑的路面反射而直接进入到CCD照相机的光的强度；I_o是被平滑的路面反射后进入到CCD照相机的光的强度；δ是π/2；Φ_a是(2×π×a)/λ；a是路面厚度；λ是氦氖激光器的波长。

4.根据权利要求2所述的非接触式路面粗糙度测量方法，其特征在于，在上述第二步骤中，利用下述计算式2表示被存储在控制计算机中的结果值，

计算式2

${I\′}_n=I_r+I_0+\sqrt{I_r{I}_0}\sin (\mathrm{\Φ}+\mathrm{\Δ\Φ}+\mathrm{n\δ})---\left(2\right)$

其中，n＝0、1、2、3，

这里，Φ_a是(2×π×a)/λ；I’_n是在粗糙路面上测量的干涉条纹；I_r是未被粗糙的路面反射而直接进入到CCD照相机的光的强度；I_o是被粗糙的路面反射后进入到CCD照相机的光的强度；是相位的变化量；δ是π/2；λ是氦氖激光器的波长。

5.根据权利要求2所述的非接触式路面粗糙度测量方法，其特征在于，在上述第三步骤中，通过相位计算被存储在控制计算机中的结果值，是由上述计算式1和上述计算式2推导出计算式3和计算式4而得到的，

计算式3

$\mathrm{\Δ\Φ}=\tan \left(\frac{{I\′}_4-{I\′}_2}{{I\′}_1-{I\′}_3}\right)-\tan \left(\frac{I_4-I_2}{I_1-I_3}\right)---\left(3\right)$

计算式4

$\mathrm{\Δ\Φ}=k\frac{\∂U}{\∂Z}\mathrm{\δZ}---\left(4\right)$

这里，k是灵敏度向量；U是位移向量；δZ是剪切宽度。

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