CN103323024A - 隧道断面仪角度误差的校准装置及角度误差的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道断面仪角度误差的校准装置及角度误差的校准方法，本校准装置包括底座、圆分度器件、平行光管和计算机光电测量系统四个部分；底座上安装升降仪器座用以安置被校准隧道断面仪，升降仪器座采用螺杆螺母结构，螺杆中空，螺杆底部安装计算机光电测量系统一，用于校准隧道断面仪的垂直归零点；圆分度器件上安装有旋转臂，可在垂直的工作面上带动旋转臂旋转，平行光管安装在旋转臂上，平行光管尾部安装有计算机光电测量系统二，用以测量计算隧道断面仪测量点偏移角。本发明有效解决了隧道断面仪角度误差无校准装置、无校准方法的问题，本校准装置操作、调整方便，准确可靠，校准精度优于2.5″。

Description

隧道断面仪角度误差的校准装置及角度误差的校准方法

技术领域

本发明公开了隧道断面仪角度误差的校准装置及角度误差的校准方法，属于隧道断面检测技术领域。

背景技术

隧道断面检测仪，广泛用于各类隧道断面的精确检测，在施工监测、竣工验收、质量控制等工作中能快速便捷的获得断面数据，并可以用于对护坡挡土墙的验收检验，也可用于对山坡地形的快速扫描并通过与路基设计图的比对，计算出土石方量，以便于准确进行承包，发包的土石路基工程操作，极大方便了施工，监理单位的组织、指导验收等工作，对于提高工程质量，保证工程安全，缩短施工周期，节约项目资金有非常重要的作用。

激光隧道断面检测仪采用无合作目标激光测距技术、精密测角技术和精密传动技术，将极坐标测量方法与计算机技术紧密结合，高速精确检测，无需后处理，可直接输出报告，在计算软件的帮助下可自动完成实际开挖轮廓线与设计开挖轮廓线的空间三维匹配，并可输出各个测点与相应设计开挖轮廓线之间的超欠挖值（距离、面积）。如果沿隧道轴线按一定间隔测量数个断面，还可以算出实际开挖方量、超挖方量、欠挖方量。

激光隧道断面检测仪在隧道建设施工和隧道安全监控方面作用重大，激光隧道断面检测仪本身是否准确也是关系重大，隧道断面仪的需校准指标中主要有测距误差和角度误差两个部分，测距误差可参照现有的手持式激光测距仪或全站型电子速测仪无棱镜部分的测距误差校准方法；而测角误差目前尚无校准方法和校准设备。无法对隧道断面仪的角度误差进行计量校准。

发明内容

本发明的目的在于提出隧道断面仪角度误差校准装置及隧道断面仪角度误差的校准方法，解决了隧道断面仪的角度误差的校准无专用校准装置的问题，校准装置操作方便、校准结果准确可靠。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

隧道断面仪角度误差的校准装置，包括底座、圆分度器件、平行光管和计算机光电测量系统四个部分；所述底座上安装有可调地脚螺钉，圆水泡和升降仪器座；所述可调地脚螺钉和圆水泡用以调整底座水平；所述升降仪器座用以安置被校准隧道断面仪；所述升降仪器座采用螺杆螺母结构，用以调整被校准仪器的高度；所述螺杆中空，螺杆底部安装计算机光电测量系统一，用于校准隧道断面仪的垂直归零点；所述圆分度器件安装在升降仪器座上方，圆分度器件上安装有旋转臂，可在垂直的工作面上带动旋转臂旋转；所述平行光管安装在旋转臂上，随圆分度器件的转动而转动，平行光管在转动过程中，物镜方向始终面对升降仪器座，平行光管与圆分度器件组合形成各种标准角度；所述平行光管的成像面位置安装有减光板和计算机光电测量系统二，计算机光电测量系统二用以测量计算隧道断面仪测量点偏移角。

前述可调地脚螺钉有3个。

前述圆分度器件采用多齿分度台或高精度圆分度传感器。

前述多齿分度台采用552齿卧轴多齿分度台，最大误差为1″。

前述平行光管采用焦距为550mm的自准直平行光管。

前述计算机光电测量系统二采用二维PSD光敏传感器，CCD读数系统或CMOS读数系统。

基于隧道断面仪角度误差的校准装置校准隧道断面仪角度误差的校准方法，包括如下步骤，

1）将被校准的隧道断面仪安置在升降仪器座上，调整隧道断面仪的高度和水平，使圆水泡居中，隧道断面仪处于工作状态；

2）打开隧道断面仪的控制电脑或手簿，开始运行控制程序；

3）垂直归零点校准，具体为：控制隧道断面仪垂直归零，水平转动隧道断面仪一周，每隔90度在4个不同的位置读取激光点位置变化量，变化量应小于0.5mm；

4）校准被检隧道断面仪示值误差，具体为：

4-1）在隧道断面仪的测量范围内，均匀选择5-8个校准点，转动校准装置的旋转臂，将圆分度器件转到选择的校准点，读取圆分度器件读数θ₀，

4-2）控制隧道断面仪转动到选择的校准点，读取隧道断面仪显示角度θ₁，

4-3）在计算机上读取计算机光电测量系统二计算的隧道断面仪激光点偏移角θ，按以下公式计算此校准点的角度示值误差：

Δθ＝θ₁+θ-θ₀

式中：Δθ——校准点的角度示值误差

      θ₁——隧道断面仪读数

      θ——校准装置计算机光电测量系统二读数

      θ₀——校准装置圆分度器件读数

5）分别测出各点的角度示值误差，取示值误差最大的为被校准隧道断面仪的示值误差。

本发明的优点是：

1、校准装置的底座上安装了圆水泡和可调地脚螺钉，可将校准装置底座调整水平。

2、校准装置包含升降仪器座，用于被校准隧道断面仪的安置，仪器座采用螺杆螺母结构，可调整被校准仪器的高度。

3、校准装置升降螺杆中空，螺杆底部安装计算机光电测量系统，用于隧道断面仪归零点的校准。

4、校准装置采用卧轴多齿分度台，可在垂直的工作面上带动旋转臂和自准直平行光管旋转。

5、校准装置包含自准直平行光管，随多齿分度台的转动而转动，可与多齿分度台组合形成各种标准角度。

6、校准装置采用计算机光电测量系统，自动采集隧道断面仪激光点与平行光管光轴的偏移量。

附图说明

图1为本发明隧道断面仪角度误差的校准装置的主视图；

图2为本发明隧道断面仪角度误差的校准装置的右视图；

图3为本发明隧道断面仪角度误差的校准装置计算隧道断面仪激光点偏移角原理图；

图4为一维PSD光敏传感器断面示意图；

图5为本发明所采用的PSD光敏传感器数据处理流程图；

图6为本发明隧道断面仪角度误差的校准装置对隧道断面仪进行角度校准的流程图；

图7为本发明隧道断面仪角度误差的校准装置对隧道断面仪进行角度校准示意图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式详细说明本发明。

如图1和图2所示，本发明的隧道断面仪角度误差的校准装置包括底座、圆分度器件1、平行光管7和计算机光电测量系统四个部分。

底座上安装有可调地脚螺钉6，圆水泡4和升降仪器座2；可调地脚螺钉6有3个，按照三角形分布，可调地脚螺钉6和圆水泡4用以调整底座水平；升降仪器座2采用螺杆3和螺母10相结合的结构，用以安置被校准隧道断面仪；螺杆螺母结构可以调整被校准仪器的高度，螺杆3中空，螺杆3底部安装计算机光电测量系统一5，用于校准隧道断面仪的垂直归零点。

圆分度器件1安装在升降仪器座2上方，圆分度器件1上安装有旋转臂9，圆分度器件1可在垂直的工作面上带动旋转臂9旋转，圆分度器件可以采用多齿分度台或高精度圆分度传感器，优选的，本发明采用552齿卧轴多齿分度台，最大误差为1″。

平行光管7采用焦距为550mm的自准直平行光管，安装在旋转臂9上，随圆分度器件1的转动而转动，平行光管7在转动过程中，物镜方向始终面对升降仪器座2，平行光管7与圆分度器件1组合形成各种标准角度，平行光管7的成像面位置安装有减光板和计算机光电测量系统二8，计算机光电测量系统二8用以测量计算隧道断面仪测量点偏移角，计算机光电测量系统二8可以采用二维PSD光敏传感器，CCD读数系统或CMOS读数系统。

在校准过程中，隧道断面仪测量点偏移角的计算过程如下：如图3所示，隧道断面仪发出的激光束相对于标准角的偏移角θ,通过光学系统后,在平行光管像方焦平面上聚焦在A点,A点与平行光管光轴存在高度差为y,测出y的高度即可通过以下关系式计算出激光束偏移角，

$\mathrm{\θ}\≈\tan \mathrm{\θ}=\frac{y}{F}$

式中，F为平行光管焦距。

优选的，本发明的计算机光电测量系统采用二维PSD光敏传感器。

PSD是基于横向光电效应的光电位置敏感探测器，它与电荷耦合器件CCD不同，它并不是将器件分成许多小的单元，因此属于非离散型器件。同时，其位置分辨力很高，远大于CCD等离散型器件。除此之外，PSD还具有频谱响应宽、响应速度快、处理电路简单等独特的优点。且测量时只需记录光斑中心坐标即可，而与光点大小无关。由于PSD输出信号为小电流信号，因此需要经过电流、电压转换后，再经后续电路处理。以一维PSD为例，其断面示意图如图4所示。

当入射光照射到PSD的光敏面上时，在入射点就会产生与光能成比的电荷，此电荷通过电阻层由电极X1和X2输出。接上负载电阻后，将从电极X1、X2上分别得到电流I1和I2。其中I1和I2由激光点在PSD上位置决定。

$\frac{I1}{I2}=\frac{L/2-\mathrm{\δ}}{L/2+\mathrm{\δ}}$

式中L——光敏面长度，单位为mm；

    δ——入射光到PSD电气中点距离，单位为mm；

    I₁——电极X1输出电流，单位为A；

    I₂——电极X2输出电流，单位为A；

本发明校准装置的PSD后续数据处理系统采用美国Cygnal公司生产的C8051F060型单片机，在其内部包含一个4k内部数据存储器、2路16位的A/D转换器和一个64k的FLASH程序存储器，可以实现在线编程。同时，它还具有一个外部64k数据存储器接口和两个以UART串行端口，能够满足数据采集、数据处理以及数据传输的需要。由于它的A/D转换器是集成在单片机内部的，因此避免使用过多的外围器件，可以使电路部分更为紧凑。

当PSD接收到从隧道断面仪发出的光束后，输出与光束偏移角有关的电流信号，再经过处理电路将该电流转化为电压。二维PSD能产生两个方向的与偏移角相关的电压信号X，Y。通过限幅电路和电平转换电路，可以将电压信号X，Y转换为0～V_ref的电平信号，其中的V_ref是指单片机C8051FO60的A/D基准电平。然后，单片机C8051FO60再将采样到的两路电平信号分别经过16位的A/D转换器，将其转换为相应的数字量。通过事先标定好并存储于单片机内部的程序，便可得到当前的二维变形量。最后，通过串口，将变形量发送到串口转换芯片中，再送至计算机接收处理和显示，如图5。

隧道断面仪的激光束会在PSD的光敏面上形成一个很小的光点，计算机对采集到的激光点进行自动处理和计算,得到激光点中心在PSD光敏面上的位置N，与标准激光点位置N₀之间的差即为激光束的偏移量y，将y＝N-N₀代入偏移角计算公式,并将角度单位换算为秒,可得偏移角：

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\ρ}(N-N_0)}{F}$

式中,ρ为弧度与角度的换算常数，ρ=206265。

本发明采用的二维PSD光敏器件分辨率可达1μm以下，由以上公式可以算出，本发明的分辨力至少可以达到0.4″，考虑到PSD光敏器件电路元器件和温度影响，测量精度可以达到2″，再加上卧轴多齿分度台本身的误差不大于1″，所以，本发明的综合测量精度为2.5″。由于隧道断面仪的测角精度为6′，本校准装置完全可以满足隧道断面仪的校准要求。

在进行隧道断面仪测角部分的校准工作之前，首先需要对校准装置本身进行校准，具体为：

校准装置水平零点校正：校准装置的水平点是隧道断面仪的测角校准起点，为了保证多齿分度台的90度点与计算机光电测量系统的零位准确结合，校准装置水平零点的校正十分重要。首先，我们采用瑞士威特生产的NI002型高精度双摆位自动安平水准仪，校准平行光管的水平，保证平行光管的光轴水平。再选用一台2″激光经纬仪，在超过100米的位置校准其激光同焦和激光同轴性能。将激光经纬仪安装在本校准装置的升降仪器座上，用经纬仪望远镜瞄准平行光管十字丝中心，打开激光器，使激光点成像在PSD的光敏面上，通过计算机光电测量系统一采集记录下此时的成像点位置N₀,这就是PSD的零位，即标准激光点位置。

校准装置传感器精度标定：在实际工作中，由于安装误差，平行光管焦距误差等，都会给测量带来误差，而且PSD本身是模拟器件，受环境和电路中其他器件等因素影响较大，所以对系统PSD进行线性标定十分必要。由于隧道断面仪主要指标为垂直方向角度，我们采用一个激光发生器和水平仪检定器组合装置对系统PSD进行标定，由于水平仪检定器最高精度达到0.3″，最小分辨力达0.1″，在PSD测量范围内取20点测量，并将测量结果进行线性修正并存入计算机。

校准装置水平零点校正和传感器精度标定在安装调试时进行，以后可每隔半年进行一次，日常使用时可不必校正。

隧道断面仪角度误差的校准装置调校结束后即可进行隧道断面仪测角部分的校准工作。

如图6和图7所示，利用本发明的隧道断面仪角度误差的校准装置对隧道断面仪的角度示值误差进行校准的工作流程为：

1）将被校准的隧道断面仪11安置在升降仪器座上，调整隧道断面仪到合适的高度，使圆水泡居中，激光隧道断面仪处于工作状态；

2）打开隧道断面仪的控制电脑或手簿，开始运行控制程序；

3）垂直归零点校准，具体为：控制隧道断面仪垂直归零，水平转动隧道断面仪一周，每隔90度在4个不同的位置读取激光点位置变化量，变化量应小于0.5mm；

4）校准被检隧道断面仪示值误差，具体为：

4-1）在隧道断面仪的测量范围内，均匀选择5-8个校准点，转动校准装置的旋转臂，将圆分度器件转到选择的校准点，读取圆分度器件读数θ₀，

4-2）控制隧道断面仪转动到选择的校准点，读取隧道断面仪显示角度为θ₁，

4-3）在计算机上读取计算机光电测量系统二计算的隧道断面仪激光点偏移角θ，按以下公式计算此校准点的角度示值误差：

Δθ＝θ₁+θ-θ₀

式中：Δθ——校准点的角度示值误差

      θ₁——隧道断面仪读数

      θ——校准装置计算机光电测量系统二读数

      θ₀——校准装置圆分度器件读数

5）分别测出各点的角度示值误差，取示值误差最大的为被校准隧道断面仪的示值误差。

Claims (7)

1.隧道断面仪角度误差的校准装置，其特征在于：包括底座、圆分度器件、平行光管和计算机光电测量系统四个部分；所述底座上安装有可调地脚螺钉，圆水泡和升降仪器座；所述可调地脚螺钉和圆水泡用以调整底座水平；所述升降仪器座用以安置被校准隧道断面仪；所述升降仪器座采用螺杆螺母结构，用以调整被校准仪器的高度；所述螺杆中空，螺杆底部安装计算机光电测量系统一，用于校准隧道断面仪的垂直归零点；所述圆分度器件安装在升降仪器座上方，圆分度器件上安装有旋转臂，圆分度器件可在垂直的工作面上带动旋转臂旋转；所述平行光管安装在旋转臂上，随圆分度器件的转动而转动，平行光管在转动过程中，物镜方向始终面对升降仪器座，平行光管与圆分度器件组合形成各种标准角度；所述平行光管的成像面位置安装有减光板和计算机光电测量系统二，计算机光电测量系统二用以测量计算隧道断面仪测量点偏移角。

2.根据权利要求1所述的隧道断面仪角度误差的校准装置，其特征在于：所述可调地脚螺钉有3个。

3.根据权利要求1所述的隧道断面仪角度误差的校准装置，其特征在于：所述圆分度器件采用多齿分度台或高精度圆分度传感器。

4.根据权利要求3所述的隧道断面仪角度误差的校准装置，其特征在于：所述多齿分度台采用552齿卧轴多齿分度台，最大误差为1″。

5.根据权利要求1所述的隧道断面仪角度误差的校准装置，其特征在于：所述平行光管采用焦距为550mm的自准直平行光管。

6.根据权利要求1所述的隧道断面仪角度误差的校准装置，其特征在于：所述计算机光电测量系统二采用二维PSD光敏传感器，CCD读数系统或CMOS读数系统。

7.基于权利要求1所述的隧道断面仪角度误差的校准装置校准隧道断面仪角度误差的校准方法，其特征在于：包括如下步骤，

1）将被校准的隧道断面仪安置在升降仪器座上，调整隧道断面仪的高度和水平，使圆水泡居中，隧道断面仪处于工作状态；

2）打开隧道断面仪的控制电脑或手簿，开始运行控制程序；

3）垂直归零点校准，具体为：控制隧道断面仪垂直归零，水平转动隧道断面仪一周，每隔90度在4个不同的位置读取激光点位置变化量，变化量应小于0.5mm；

4）校准隧道断面仪角度示值误差，具体为：

4-1）在隧道断面仪的测量范围内，均匀选择5-8个校准点，转动校准装置的旋转臂，将圆分度器件转到选择的校准点，读取圆分度器件读数θ₀，

4-2）控制隧道断面仪转动到选择的校准点，读取隧道断面仪显示角度θ₁，

4-3）在计算机上读取计算机光电测量系统二计算的隧道断面仪激光点偏移角θ，按以下公式计算此校准点的角度示值误差：

Δθ＝θ₁+θ-θ₀

式中：Δθ——校准点的角度示值误差

      θ₁——隧道断面仪读数

      θ——校准装置计算机光电测量系统二读数

      θ₀——校准装置圆分度器件读数

5）分别测出各点的角度示值误差，取示值误差最大的为被校准隧道断面仪的示值误差。

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