CN106248005A - 一种光学测量平整度和倾斜度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用光学技术测量近似平面平整度和倾斜度的方法。先人为定义一个实际被测平面相接近的标准平面，在距离该标准平面一定距离处放置有平面状激光发生器，使得激光平面与该标准数学平面间有一个非90°的夹角，则被测面上会有被激光照亮的线状区域，根据该区域和激光平面与标准数学平面之间的交线在被测面上的投影间的差异进行相应计算可以得出对应位置相对于标准平面的凹凸差距值。通过数码拍摄装置摄取被测面受激光照射的图片，收集这些偏差的数据，运用计算机做分析和计算，得到被测平面整体的平整度数据和相对标准平面的倾斜度。本发明提供了一种方便、准确、快速、设备成本低的测量各类近似平面平整度和倾斜度的方法。

Description

一种光学测量平整度和倾斜度的方法

技术领域

本发明涉及光学测量领域，尤其是一种用光学方法测量各类近似平面的平整度和倾斜度的方法。

背景技术

对近似平面的平整度和倾斜度的测量在当前各大种类工程、工业生产中是一个分布非常广泛、重要性非常高的工作内容，例如在路桥工程中对路面及桥面的平整程度和倾角角度的检测、在建筑施工中对建筑物内外墙面的平整程度和倾斜角度的检测、以及在机械制造中对产品表面平整度的检测等等。

目前，此类工作，在不同的领域采用各种不同的方法进行。

在路面的平整度测量领域，目前主要有断面类和反应类两大类方法：断面类实质上是测定路基、路面表面的凹凸情况的，主要分为3m直尺测量法、连续式平整度仪测量法以及激光路面平整度仪测量法等；反应类是测定司机和乘客感受到的平整指标，最常用的方法是车载式颠簸积累仪测定法。

其中3m直尺测量法是将直尺靠在被测面上，观察、测量被测面和直尺间的间隙，设备简单，但传统上需要人手动操作，测量工作量大、测量速度慢、测量精度也不高，得到的数据不够全面、直观，近年来此方法使用得越来越少。

连续式平整度仪测量法则是一种车载的自动化测量设备，运用的是和被测面有所接触的位移传感器，能够测量行车轨迹线上的被测面上下凹凸变化情况，此方法精度高、自动化程度高，但是测量面的范围较小，要完成大面积路面的平整度测量需要来回使用多次，而且此方法的适用领域仅仅在对路基、路面、桥面等水平面的测量上，要测量竖直墙面等非水平面时，难以方便地架设设备。

目前的激光路面平整度仪测量法也是一种车载的自动化测量设备，在多个位置运用激光进行测距，多个激光测距器跟随车辆运行扫描所经过的路面，得到扫描区域的路面凹凸变化值，这也是一种高精度、高自动化的方法，是一种非接触测量，但是此法要求控制好激光测距器和被测面的距离，同样不适用于对竖直墙面等非水平面进行测量。

车载式颠簸积累仪测定法是将机械传感器装载在车上，记录一段路程上因为路面不平导致的汽车振动得到的单向位移的积累值，实际上测出的是车内人员的一个舒适度指标，结果是一个总体性的积累值，其数据不够全面、直观，而且显然此方法也只适用于水平面的测量。

在施工中对墙面的平整度、倾斜度测量领域，目前使用的主要就是检测尺。

使用检测尺来测量平整度的原理和路面检测里的3m直尺类似，是接触在被测面上然后观察、测量缝隙。检测尺上还安装有测量坡度、水平度和垂直度等参数的仪表，可以进行倾斜程度的测量。此法几乎是目前测量竖直墙面、建筑内天花板、地板等平整度的唯一方法，需要人手动操作，费时费力，难以得到全面、直观的结果，一些难以触及的位置也不适合用这种方法测量。

对机械、设备、部件表面的平整度、倾斜度测量，目前有是百分表或千分表等仪表的逐点接触测量法、平晶干涉测量法、三次元测量法等。

使用百分表、千分表等仪表测量是一种接触测量法，以标准平板作为测量基准面，用仪表沿着实际被测表面逐点或沿着几条直线方向进行测量，测量结果是被测面各的位置相对于基准面的误差。这种方法所使用的设备简单，但是通常只能测量一个面的局部，要覆盖整个被测面工作量巨大。

平晶干涉法测量是以光学平晶的工作面为一个基准面，观测光照射形成的干涉条纹弯曲程度确定被测面的不平整程度。此方法精度较高，但主要用于小平面的测量，对于大型被测面由于难以找到对应大小的平晶和光束发生设备，一般不能采用这个方法。

三次元测量法使用的是三次元测量机，简称CMM，是一种基于坐标测量的通用化数字测量设备，它可以测量被测原件上各个点在规定的坐标系中的坐标，全方位描述被测元件的外观，自然就能得到被测面平整度的数据。此方法精度很高、数据全面，但是测量速度缓慢且需要将被测物体放入机器中指定位置，无法对某些固定的大型面进行测量，而且仪器的费用相当高昂，在很多场合采用此设备测量并不现实。

还有一种激光式三维扫描仪，用的是激光测距原理，能够变换角度扫面各种物体以及大型建筑物的表面，并用三维坐标描述之。此仪器也可以用来测量各种面的平整度及倾斜度，而且精度非常高、结果非常直观。但是此方法测量速度较慢，而且目前设备的价格过于昂贵。

也有一种照相式三维扫描仪，使用的是光学三角测量原理，用两个摄像头拍摄光栅投影装置投影到被测物体上的特定编码的结构光图像，计算出被测物体表面像素点的三维坐标。此方法较激光式三维扫描仪而言，结果的精度和全面程度相当，但速度更快，不过对环境要求更高，且同样存在着设备成本高昂的问题。

总的来说，目前各领域测量平整度和倾斜度的方法大致可以分为接触式和非接触式两大类，在选择测量方法时主要考虑的因素有测量精确度、操作方便程度、设备稳定性、设备成本等。接触式方法大多无法测量某些难以触及的位置、使用范围狭窄，而且描述平整度和倾斜度不够全面直观；非接触式方法大多使用光学技术，目前主要存在被测对象有空间上的限制、设备昂贵等问题。当前非接触式测量方式存在的种种问题，导致到目前为止，很多领域的平整度、倾斜度测量，都在依靠一些接触式中最为原始的手动操作方法，效率十分低下，效果不尽人意。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种操作简单、精度高、测量速度快、设备成本低的检测各种类型的近似平面的平整度和倾斜度的方法，实现对多种角度的大小近似平面的全自动、准确、全面的高效率平整度和倾斜度测量。无论是在路面、桥面、建筑地面、天花板等大型较为水平的被测面的平整度、倾斜度测量，墙面等大倾角的大型被测面的平整度、倾斜度测量，还是各种设备、材料、器件的被测面的平整度和倾斜度的测量，都适用本方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：利用测量平面状激光与被测面的交线和其与人为规定的标准平面的交线这两条交线在被测面上的投影之间的偏差，加以计算得出被测面与标准面在各位置处的偏移量，进而得到整个被测面的平整度、倾斜度数据，其特征在于，包括如下步骤：

（1）人为定义一个实际被测平面对应的标准数学平面，应当尽可能接近被测面；

（2）在距离该标准平面一定距离的地方放置有能发射出某种颜色的平面状激光的激光发射器来向被测面发射激光，使得激光平面与该标准数学平面间有一个非90°的夹角，则被测面上出现的被激光照射照亮的区域位于激光平面与实际被测面两面的交线上；

（3）而如果被测面不完全和标准数学平面重合（即存在不平整的情况），则激光在被测面上照亮的区域会和激光平面与标准数学平面之间的交线以标准平面的法线为投影线的在被测面上的投影之间存在偏差，通过这个偏差量进行相应计算可以得出投影线上各个位置的相对于标准数学平面的差距值；

（4）通过数码拍摄装置摄取被测面受激光照射的图片，收集被测面上各位置处的这些偏差的数据，并运用计算机处理图片做相应的分析，计算得出被测面上当前激光平面与标准数学平面之间的交线的以标准平面的法线为投影线的在被测面上的投影区域中每一点相对于标准数学平面的凹凸差距值；

（5）改变平面型激光发射器的发射方向或位置，让激光照亮区域以及激光平面与标准数学平面之间的交线以标准平面的法线为投影线的在被测面上的投影扫过整个被测面，并同步多次重复进行步骤4，直到能够计算出整个被测面在照片中任意像素点代表的位置的相对于标准平面的凹凸差距值，从而获取被测面的整体平整度数据；

（6）整个被测面相对于标准平面的差异情况得到以后，同时就知道了被测面相对于标准平面的整体倾斜程度，其后只要读出设备摆放时确定的摄像方向，就可以通过计算得到被测面在空间中整体的倾斜程度。

一种确立标准平面的方法是，使用一个激光测距器，向大致垂直于被测面（一个近似平面）的方向测量到被测面上某一个点的距离，然后建立一个过该点的，法线为测距激光路径的标准数学平面。

一种确定激光平面与标准数学平面之间的交线的以标准平面的法线为投影线的在被测面上的投影的方法是：使用与标准数学平面成90°射出的另一种颜色平面状激光，通过调整匹配使得这道激光平面和前面那道激光的平面两个平面的与标准数学平面之间的交线相互重合，则此道激光在被测面上照亮的区域即落在这个投影上，两种不同颜色的激光一条代表测量线，一条代表基准线。根据此原理，还可以直接肉眼观察这两束以不同角度射向被测面的平面状激光在被测面上的照亮区域之间的差异来定性判断被测面的平整和倾斜程度。

整个过程，只需确定好测量设备到规定的标准数学平面之间的距离以及标准平面的法线方向，之后的扫描、摄像、计算以及激光发射装置发射位置、方向的改变都可以做到全自动完成，操作方便而且快速。

改变激光发射装置发射位置、方向，从而扫描整个被测面，可以采取平移或旋转激光发射器两种方法，在测量一些水平的面比如建筑地面、路面、桥面等可以采用前一种方法，此方法和目前的激光路面平整度仪的移动方式类似；而对于一些非水平面，例如建筑的墙面、大倾角的设备表面等，可以采用让设备围绕一定轴旋转的方式来获得大面积被测面的平整度数据，不需移动设备整体的摆放位置。

扫描、拍摄、计算结束后，可以得到照片中每一个像素点代表的被测面上位置相对于标准数学平面的凹凸差距值，可以以标准平面为基准面绘制一个被测面的等高线图，直观描述出被测面上所有位置相对于标准平面的偏差，得到详尽、易读的平整度、倾斜度数据。

本发明的主要特点是，将被测面在垂直方向上的偏差用激光照射的方式转换成平行方向上的偏差，使得对偏差的测量难度大大降低。且所需测量的特征全部落在被测面上，只需拍摄照片分析即可，不需要在测量设备上安装复杂的测量工具，成本低廉而又保证结果精确、操作快速。

本发明提供了一种方便、准确、快速、运用范围广泛的测量平面平整度和倾斜度的方法，在地面、路面、桥面、墙面、材料器件表面等面的平整度和倾斜度的测量方面有巨大应用价值。

附图说明

图1是测量装置摆放位置示意图；

图2是被测面横截面中的激光照射、测量、计算方式示意图；

图3是被测面上激光照亮区域和激光平面与标准数学平面之间的交线以标准平面的法线为投影线的在被测面上的投影间的关系的示意图；

图中：101、被测面C，102、平面状激光发射器，103、平面状激光发生器，201、被测面C，202、标准平面S，203、激光所在平面A，204、激光所在平面A与标准平面S的交线上的点M，205、激光平面与标准平面间的夹角i，206、点M处的标准平面S的法线，207、过点M的标准平面S的法线与被测面的交点K，208、激光所在平面A与被测平面C交线上的点J，209、JM两点的距离a，210、KM两点的距离b，301、激光所在平面A与标准平面S的交线在被测面上的投影L，302、平面状激光在被测面上的照亮区域，311、照亮区域中某个像素点，312、照亮区域中某个像素点，313、照亮区域中某个像素点，314、照亮区域中某个像素点，315、照亮区域中某个像素点，322、点312在L上的垂点，323、点313在L上的垂点，325、点315在L上的垂点。

具体实施方式

为了让发明的目的、技术方案和优点更清晰，以下结合附图和实例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施实例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

首先声明本发明主要适用于起伏度不大的近似平面，被测面起伏度过大将降低测量精度。

整套测量设备包括一个激光测距仪、一个或两个不同颜色的平面状激光发射器、一个数码拍摄设备，以及一个计算机。

先说明对竖直平面进行测量的例子。如图1所示，将测量设备中的平面状激光发生器（图1中102）放在待测面C（图1中101）前方一定距离的位置上，摆放时要将设备调整到合适位置以尽可能保证后面阶段能有效地扫描及拍摄到足够大面积的待测面。设备摆放好后，使用和平面状激光发射器绑定的一个激光测距仪从一个大致垂直被测面C（这是一个近似的平面）的方向测量平面型激光(所在平面记为A)的发射点到被测面C的距离d（图中103），并以此数据为基础规定一个到测距点垂直距离也为d的标准的数学平面S，则平面S经过被测面C上的至少1个点，而且其与被测面C大致吻合；之后的平整度数据将以这个标准数学平面S为参考，以S的朝向测量设备方向的法线方向为z轴方向，规定S平面上z坐标为0，给出被测面C上各个点的z轴坐标的具体数值，z＞0代表向外凸出，z＜0代表向内凹陷。规定好标准数学平面S和z轴后，调整平面状激光发射器的方向和角度，使得发出的激光的所在平面A与标准平面S之间有一个确定的夹角i（不可过于接近90°）。此时就已经可以得到被测面C上的一条线上的大致凹凸情况了。如图2所示，这是一个被测面C表面处的水平方向截面示意图，视线和激光所在平面A以及标准数学平面S平行，实际被测面（图2中201）与前面规定的标准数学平面S（图2中202）之间有一定的差异，其表面不是严格的平面而是一个弧度较为平缓的曲面。平面状激光（图2中203）与标准数学平面S的交线在此图中反映为点M（图2中204），激光面与标准数学平面S的夹角为i（图2中205）。206是M点的标准数学平面S的法线，其与被测面的交点K（图2中207）和激光与被测面的交点J（图2中208）间的距离即是此处被测面上激光亮线和激光平面与标准数学平面S之间的交线以标准平面S的法线为投影线的在被测面上的投影之间的距离，记为a（图中209）。K、M两点的距离记为b（图中210），它代表着被测面上的K点距离标准数学平面S的差距。在被测面的弯曲弧度非常小时，b和a之间的关系可以表示为

b=a*tan（i）。

则只要测出a的值，就能够计算出b的值来，即，只要观测出平面状激光在被测面C上留下的亮线和激光平面A与标准数学平面S之间的交线以标准平面的法线为投影线的在被测面上的投影之间的距离，就可以知道被测面上这条投影区域中每个位置的在z轴上相对标准数学平面S的差距。

接下来采用测量装置中的数码摄像设备，从垂直标准数学平面S的方向，拍摄当前被测面C受激光照射的照片，然后通过计算机读出照片中各个表示激光照射区域的像素点，在照片中，激光平面A与标准数学平面S之间的交线以标准平面S的法线为投影线的在被测面C上的投影的图像一定是一条标准的直线L（图3中301），其在照片中的倾斜角由当前激光平面与标准数学平面S的交线在竖直水平直角坐标线里的倾斜角决定，而对于每一张照片，当前的这个倾斜角的是确定的，在照片中可以用确定的坐标方程来表示；照片中激光照射区域也是一条线I（图3中302），它是激光平面A与被测面C的交线的图像，在被测面上的直线L所在区域不是完全平整时，I会是一条曲线。线I上存在着很多个像素点（图3中举出5个：311、312、313、314和315），计算照片上各个像素点到直线L的距离，并乘上一个与设备到被测面的距离d相关的倍率就可以得到各点的a值，进而用公式b=a*tan（i）就可计算出照片上激光照亮区域的各个像素点到直线L上的垂点所对应的以标准平面S的法线为投影线的在被测面上的投影点相对于标准平面S的凹凸差距值。例如，在图3中，311和314这两个曲线I上的像素点就正好在直线L上，a=0，b=0，那么这两个点在直线L上的垂点就和它们本身重合，则该两点的以标准平面S的法线为投影线的在被测面上的投影点就位于标准平面S上，它们本身也就在标准平面S上，z轴坐标为0；而312、313和315这三个像素点不在直线L上，它们两个点的a值可以测量计算出来，进而可以得到b，然后就可以知道它们三个点在L上的垂点322、323和325的相对于标准平面S在z轴上的偏差值b。在这里315与312、313不在L的同一侧，则表明这三个点中315和312、313的凹凸性质不一样（z轴坐标也就是b值的正负性不一样），可以为一个凹陷两个凸出或者一个凸出两个凹陷，具体情况由当前激光平面A与标准平面S间的关系而定。

为了便于观察和计算，直线L还可以使用另一道平面状激光（所在平面记为B）照射被测面来确定。设定B与标准数学平面S之间的夹角为90°，即两面垂直，而且B与S的交线和A与S的交线要重合。则这道激光的所在平面B和摄像设备的观察方向平行，所以这道激光在被测面上照亮的区域在照片中看来就一定是条直线，而且就和直线L重合，那么在照片里就可方便地找到直线L。可以设定让在平面A上的那道激光与在平面B上的那道激光具有不同的颜色，这样一来照片中一种颜色的区域代表直线L，另一种颜色的区域代表曲线I，可以更明显、更直观地显现出两条线的相对位置，有助于直接定性的观察判断。

用上面的方法可以确定被测面上任意一个倾斜角的L直线经过的区域上的各点相对于标准平面S的凹凸差异值。为了得到整个被测面的数据，可以让激光所在平面A以一定的角速度绕轴旋转，期间保持平面A与平面S的夹角i不变，同时不断拍跟踪拍摄照片分析计算，直到使得照片里的L直线扫过整个被测面，则这样一来就可以得到被测面在照片上每个像素点代表的区域的相对于标准数学平面S在z轴上的偏差值。

当被测面不是竖直放置的时候，测量计算的过程原理也都和前文相同，只是在变换测量激光位置时可以使用其他方法（当然在可行的情况下，也可以仍用前面提到的这个方法）。例如在对一个大型的水平被测面（如路面、桥面、建筑地面等）进行测量时，可以将测量设备安装在车上，拍摄方向竖直向下，设定标准数学平面S水平，让车辆以一定的速度在被测面上行驶，直到照片中直线L扫过全部的被测区域。

对整个被测面的测量、计算完成后，可以根据被测面上各个测量点相对于标准平面的z轴坐标差距b画出一张z轴坐标的等高线图，直观、明显地反映被测面各个位置相对于标准平面的凹凸情况；从而表现出被测面局部、整体的平整度结果以及整体相对于标准平面的倾斜度结果。而摄像方向以及标准平面的法线方向都是已知的，通过相对倾斜度，就能得到被测面在空间中整体所处的倾斜程度。

本发明的主要特点是，将被测面在垂直方向上的偏差用激光照射的方式转换成平行方向上的偏差，使得对偏差的测量难度大大降低。且所需测量的特征全部落在被测面上，只需拍摄照片分析即可，不需要在测量设备上安装复杂的测量工具，成本低廉而又保证结果精确、操作快速。

本发明的主要优点是，测量计算自动进行，设备摆放、操作和处理简单，结果准确、直观，测量面积区间大，测量领域范围广，设备成本低廉，适用于各领域工程上的各类近似平面的平整度和倾斜度测量作业。

以上所述方案仅为本发明的较佳使用案例，并不具有限制本发明的效果，凡在本发明的原则和精神之内做出任何修改、等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光学测量近似平面平整度和倾斜度的方法，利用测量平面状激光与被测面的交线和其与人为规定的标准平面的交线这两条交线在被测面上的投影之间的偏差，加以计算得出被测面与标准面在各位置处的偏移量，进而得到整个被测面的平整度、倾斜度数据，其特征在于，包括如下步骤：

（1）人为定义一个实际被测平面对应的标准数学平面，应当尽可能接近被测面；

（2）在距离该标准平面一定距离的地方放置有能发射出某种颜色的平面状激光的激光发射器来向被测面发射激光，使得激光平面与该标准数学平面间有一个非90°的夹角，则被测面上出现的被激光照射照亮的区域位于激光平面与实际被测面两面的交线上；

（3）而如果被测面不完全和标准数学平面重合（即存在不平整的情况），则激光在被测面上照亮的区域会和激光平面与标准数学平面之间的交线以标准平面的法线为投影线的在被测面上的投影之间存在偏差，通过这个偏差量进行相应计算可以得出投影线上各个位置的相对于标准数学平面的差距值；

（4）通过数码拍摄装置摄取被测面受激光照射的图片，收集被测面上各位置处的这些偏差的数据，并运用计算机处理图片做相应的分析，计算得出被测面上当前激光平面与标准数学平面之间的交线的以标准平面的法线为投影线的在被测面上的投影区域中每一点相对于标准数学平面的凹凸差距值；

（5）改变平面型激光发射器的发射方向或位置，让激光照亮区域以及激光平面与标准数学平面之间的交线以标准平面的法线为投影线的在被测面上的投影扫过整个被测面，并同步多次重复进行步骤4，直到能够计算出整个被测面在照片中任意像素点代表的位置的相对于标准平面的凹凸差距值，从而获取被测面的整体平整度数据；

（6）整个被测面相对于标准平面的差异情况得到以后，同时就知道了被测面相对于标准平面的整体倾斜程度，其后只要读出设备摆放时确定的摄像方向，就可以通过计算得到被测面在空间中整体的倾斜程度。

2.根据权利要求1所述的，一种光学测量平面平整度和倾斜度的方法，其特征在于，定义标准数学平面方式是，使用一个激光测距器，向着大致垂直与被测面的方向测量到被测面上一点的距离，则确定一个经过该点且以测距激光路径为法线的平面为标准数学平面。

3.根据权利要求1所述的，一种光学测量平面平整度和倾斜度的方法，其特征在于，确定激光平面与标准数学平面之间的交线的以标准平面的法线为投影线的在被测面上的投影的方式是，使用与标准数学平面成90°射出的另一种颜色平面状激光，通过调整匹配使得这道激光所在平面和前面那道激光所在平面两个平面的与标准数学平面之间的交线相互重合，则该投影位于此道激光在被测面上照亮的区域。

4.根据权利要求1所述的，一种光学测量平面平整度和倾斜度的方法，其特征在于，通过平移或者绕一根轴旋转面状激光发生器，来使得激光照亮区域以及激光平面与标准数学平面之间的交线以标准平面的法线为投影线扫过整个被测面。

5.根据权利要求1所述的，一种光学测量平面平整度和倾斜度的方法，其特征在于，扫描、拍摄、计算结束后，通过绘制等高线图的方式来描述被测平面的平整度和倾斜度。

6.一种光学测量近似平面平整度和倾斜度的方法，其特征在于，通过观察两道以不同角度射向被测面的平面状激光在被测面上形成的照亮区域间的差异，来定性判断被测面的平整和倾斜程度。