CN108317975B - 路面抗滑纹理测试装置及其扫描机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种路面抗滑纹理测试装置及其扫描机构，扫描机构包括支撑架、第一动力源、第一线性模组、第二动力源、第二线性模组及激光传感组件，需要测试路面抗滑纹理的参数时，将扫描机构直接置于路面上，支撑架支撑在地面上，窗口对应的区域为测试范围，测试区域与路面轨迹带的有效范围相当，可以直接置于真实路面对路面抗滑纹理参数进行测试。而且采用半导体激光发射器发激光射线，激光射线经过柱面物镜扩大为条状激光线，条状激光线在目标物体表面产生漫反射，反射光通过2D Ernostar物镜过滤后被光电元件接收的方式能够有效提高测量精度，且扫描速度快。

Description

路面抗滑纹理测试装置及其扫描机构

技术领域

本发明涉及抗滑测试装置技术领域，特别是涉及一种路面抗滑纹理测试装置及其扫描机构。

背景技术

改革开放以来，我国公路交通事业发展迅猛，为国民经济发展和国防建设发挥了重要作用。现代交通运输要求安全、迅速、舒适、环保、经济，作为道路的使用者，首先关心的是行车安全性，其次才是舒适和经济等性能。然而，随着公路的不断建设和公路等级的提高，行车速度越来越快，交通流量也越来越大，高速行车下的交通安全问题也愈加突显。大量资料表明，路面抗滑性能不足是引发交通事故的重要原因之一，因此，提高沥青路面的抗滑性能，谋求最短的刹车距离，成为业内的共识。

沥青路面的抗滑性能由两方面提供：微观纹理构造和宏观纹理构造。微观纹理是影响各种车速情况下路面抗滑性能的主要因素，并基本确定了路面的抗滑水平，而宏观纹理只影响路面抗滑性能随速度衰减的幅度和路面积水情况下的抗滑性能，合理的纹理参数能准确预测路面的抗滑性能。

目前国内外主要采用数字图像、显微镜法、接触式探针轮廓仪等方式测量路面构造纹理，但是由于其精度低、测量范围过小，只能进行室内试验，而无法体现沥青路面的真实特征，因而严重限制其应用。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种可以有效提高测量精度及可以适用于真实路面的路面抗滑纹理测试装置及其扫描机构。

一种路面抗滑纹理测试装置的扫描机构，包括：

支撑架，包括顶部及底部，所述支撑架上形成有贯穿所述顶部及所述底部的窗口；

第一动力源及第一线性模组，均设置于所述支撑架上，所述第一动力源用于为所述第一线性模组提供驱动力，所述第一线性模组沿第一方向延伸；

第二动力源及第二线性模组，可移动地设置于所述第一线性模组上，所述第二动力源用于为所述第二线性模组提供驱动力，所述第二线性模组沿第二方向延伸，所述第一方向与所述第二方向相互垂直；

激光传感组件，可移动地设置于所述第二线性模组上，所述激光传感组件对应位于所述窗口内，所述激光传感组件包括半导体激光发射器、柱面物镜、2D Ernostar物镜、光电元件及计时器，由所述半导体激光发射器激发激光射线，所述激光射线经过所述柱面物镜扩大为条状激光线，所述条状激光线在目标物体表面产生漫反射，反射光通过所述2DErnostar物镜过滤后被所述光电元件接收，所述计时器用于测定所述激光射线从发射到被接收的时间。

在其中一个实施例中，所述激光传感组件还包括偏光片，所述半导体激光发射器的数量为两个，其中一所述半导体激光发射器发出沿所述第一方向的激光射线，另一所述半导体激光发射器发出沿所述第二方向的激光射线，沿所述第一方向的激光射线与沿所述第二方向的激光射线经过所述偏光片后射向所述柱面物镜。

在其中一个实施例中，所述支撑架的顶部设置有支撑垫板，所述第一动力源及所述第一线性模组均设置于所述支撑架上。

在其中一个实施例中，还包括直线导轨，所述直线导轨设置于所述支撑垫板上，且与所述第一线性模组相平行，所述第二线性模组的一端可移动地设置于所述第一线性模组上，所述第二线性模组的另一端可移动地设置于所述直线导轨上。

在其中一个实施例中，还包括支脚，所述支脚设置于所述支撑架的底部。

在其中一个实施例中，所述支脚为可调式支脚，以调节所述支撑架的高度和/或倾斜度。

在其中一个实施例中，所述第一动力源为直流电机，所述第一线性模组为滚珠丝杠副、滚珠导轨副或滚珠直线导轨副；和/或

所述第二动力源为直流电机，所述第二线性模组为滚珠丝杠副、滚珠导轨副或滚珠直线导轨副。

在其中一个实施例中，还包括封闭式拖链，所述封闭式拖链设置于所述支撑架上，且与所述第一线性模组相邻。

一种路面抗滑纹理测试装置，其特征在于，包括：

如以上任意一项所述的扫描机构；

数据采集系统，与所述扫描机构通信连接，所述数据采集系统用于接收所述扫描机构采集的数据；及

电源，用于为所述扫描机构提供电流。

在其中一个实施例中，还包括保护外壳，所述保护外壳可拆卸地罩设于所述扫描机构的外侧。

上述路面抗滑纹理测试装置及其扫描机构至少具有以下优点：

需要测试路面抗滑纹理的参数时，将扫描机构直接置于路面上，支撑架支撑在地面上，窗口对应的区域为测试范围，第二动力源提供驱动力，使激光传感组件相对于第二线性模组沿着第二方向移动直到端部，然后第一动力源提供驱动力，使第二动力源和第二线性模组相对于第一线性模组沿着第一方向移动一定间距，第二动力源再驱动激光传感组件相对于第二线性模组沿着第二方向反向移动至另一端部。

激光传感组件相对于第二线性模组移动的同时对路面进行扫描，由半导体激光发射器激发激光射线，激光射线经过柱面物镜扩大为条状激光线，条状激光线在目标物体表面产生漫反射，反射光通过2D Ernostar物镜过滤后被光电元件接收，计时器用于测定激光射线从发射到被接收的时间，从而计算不同激光射线到目标物的距离，进而得到路面纹理的轮廓。

采用上述路面抗滑纹理测试装置的扫描机构对抗滑纹理参数进行测定时，测试区域与路面轨迹带的有效范围相当，可以直接置于真实路面对路面抗滑纹理参数进行测试。而且采用半导体激光发射器发激光射线，激光射线经过柱面物镜扩大为条状激光线，条状激光线在目标物体表面产生漫反射，反射光通过2D Ernostar物镜过滤后被光电元件接收的方式能够有效提高测量精度，且扫描速度快。

附图说明

图1为一实施方式中的路面抗滑纹理测试装置的示意图；

图2为图1中扫描机构的结构示意图；

图3为图2中激光传感组件的示意图；

图4为一实施方式中半导体激光发射器与偏光片的光线示意图；

图5为测量区域的扫描路线示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

请参阅图1，一实施方式中的路面抗滑纹理测试装置10，用于通过直接测量真实路面的微观纹理构造，以获得路面抗滑性能。具体地，路面抗滑纹理测试装置10包括扫描机构100、数据采集系统200及电源300，数据采集系统200与扫描机构100通信连接，数据采集系统200用于接收扫描机构100采集的数据，电源300用于为扫描机构100提供电流。

请一并参阅图2，扫描机构100包括支撑架110、第一动力源120、第一线性模组130、第二动力源140、第二线性模组150及激光传感组件160。支撑架110主要起承载与固定的作用。支撑架110包括顶部及底部，支撑架110上形成有贯穿顶部及底部的窗口110a。例如，支撑架110可以大致为“回”型支撑架110。窗口110a对应的区域即为测量区域。

具体到本实施方式中，支撑架110的顶部设置有支撑垫板111，第一动力源120及第一线性模组130均设置于支撑垫板111上。支撑垫板111平整光滑，因此可以有效消除激光传感组件160在移动过程中的振动，保证扫描检测数据的稳定性。

具体到本实施方式中，扫描机构100还包括支脚170，支脚170设置于支撑架110的底部。支脚170可以为可调式支脚，以调节支撑架110的高度或倾斜度，因此可以适用于具有一定坡度的路面。支脚170的脚杯可以采用硬质橡胶避震材料，以起到缓冲减震的作用。支脚170的数量可以为四个，四个支脚170分别设置于支撑架110的四个角落。当然，在其它的实施方式中，支脚170的数量也可以为其它数量，只要能够承载支撑架110即可。

第一动力源120及第一线性模组130均设置于支撑架110上。第一动力源120用于为第一线性模组130提供驱动力，第一线性模组130沿第一方向延伸。定义第一方向为沿二维坐标系中的Y轴延伸的方向。

具体地，第一动力源120可以为稳定性较好的直流电机。例如，第一动力源120为功率300W、转速为300RPM、扭矩为0.27N*M的直流电机，电机功率能够提供足够大的动力，可以实现直线路面的纹理测量，也可以实现斜坡路段表面的纹理检测，并且移动过程中电机振动小，噪音低，马力强，可以保证高效稳定地完成大面积测量工作。

第一线性模组130可以为滚珠丝杠副、滚珠导轨副或滚珠直线导轨副，具有定位精度高、磨损小、承载能力强的特点。

第二动力源140及第二线性模组150可移动地设置于第一线性模组130上，第二动力源140用于为第二线性模组150提供驱动力，第二线性模组150沿第二方向延伸，第二方向与第一方向相互垂直。定义第二方向为沿二维坐标系中的X轴延伸的方向。

具体地，第二动力源140可以为稳定性较好的直流电机。例如，第二动力源140为功率300W、转速为300RPM、扭矩为0.27N*M的直流电机，电机功率能够提供足够大的动力，可以实现直线路面的纹理测量，也可以实现斜坡路段表面的纹理检测，并且移动过程中电机振动小，噪音低，马力强，可以保证高效稳定地完成大面积测量工作。

第二线性模组150可以为滚珠丝杠副、滚珠导轨副或滚珠直线导轨副，具有定位精度高、磨损小、承载能力强的特点。

具体到本实施方式中，扫描机构100还包括直线导轨180，直线导轨180设置于支撑垫板111上，且与第一线性模组130相平行。因此，直线导轨180也沿Y轴方向延伸。直线导轨180可以为精密级直线导轨。第二线性模组150的一端可移动地设置于第一线性模组130上，第二线性模组150的另一端可移动地设置于直线导轨180上。直线导轨180用于对第二线性模组150及第二动力源140沿Y轴方向移动起到导向作用。形成类似龙门架形式的搭接结构。因此，当第二动力源140和第二线性模组150扫描时，第一线性模组130和直线导轨180能够保证沿Y轴方向的扫描准确度。

具体到本实施方式中，扫描机构100还包括封闭式拖链190，封闭式拖链190设置于支撑架110上，且与第一线性模组130相邻。具体地，封闭式拖链190也位于支撑垫板111上。封闭式拖链190用于在激光传感组件160往复扫描过程中，能够对内置的电线起到牵引与保护作用。

请一并参阅图3，激光传感组件160可移动地设置于第二线性模组150上。具体地，可以通过连接板安装于第二线性模组150上。激光传感组件160对应位于窗口110a内，以在窗口110a内往复扫描。

激光传感组件160包括半导体激光发射器161、柱面物镜162、2D Ernostar物镜163、光电元件164及计时器(图未示)。由半导体激光发射器161激发激光射线，激光射线经过柱面物镜162扩大为条状激光线，宽度约为30mm～50mm，精度约为0.05mm。随后条状激光线在目标物体20表面(例如真实路面)产生漫反射，反射光通过2D Ernostar物镜163过滤后被光电元件164接收，计时器用于测定激光射线从发射到被接收的时间。2D Ernostar物镜即诺斯塔物镜，是一种大光圈且可以在光线较差情况下不使用三脚架的镜头。

半导体激光发射器161可以以64kHz的频率采集与输出测量数据，其轮廓最高精度达0.01mm，高程精度达0.004mm，最快扫描速度为6.4m/s。半导体激光发射器161测量高度为80±23mm，单点光斑直径为10μm，测量表面属于漫反射型，不需要信号处理器就能独立完成操作。经过验证，设备定位精度可达0.01mm，高程精度为0.005mm。

激光传感组件160的运动轨迹与范围，最小扫描区域为30mm*30mm，对应的纹理测量精度为xy平面0.01mm，z方向为0.005mm，可以评价沥青混合料的碎石原材料表面轮廓粗糙度。最大扫描区域可达到300*300mm，可以评价路面轮迹带有效范围的路面纹理，也可以评价车辙板试件表面构造的粗糙度，且扫描速度快，激光传感器移动速度可达到6.4m/s，1分钟内可完成全范围检测。

半导体激光发射器161采用405nm波长的可见紫色光，抗干扰能力强，加上全封闭、可翻盖、便于拆卸的设备保护外壳，可以保证设备测试环境没有自然光的干扰，测量数据稳定可靠。

请一并参阅图4，激光传感组件160还包括偏光片165，半导体激光发射器161的数量为两个，其中一半导体激光发射器161发出沿第一方向的激光射线，另一半导体激光发射器161发出沿第二方向的激光射线，沿第一方向的激光射线与沿第二方向的激光射线经过偏光片后射向柱面物镜162。可将妨碍测量的多重反射光区分出来并将其消除。X偏光与Y偏光交替照射，计算各拍摄数据的光强度差异。多重反射光在通过X偏光与Y偏光后强度会出现差异，利用这一特性，删除差异较大部位的数据。测量复杂形状的金属或交错位置时便可发挥其作用。

具体到本实施方式中，数据采集系统200可以为微型笔记本电脑。电源300可以为便携式移动电源，便携式移动电源可以便于携带和移动。因此，路面抗滑纹理测试装置10可以分解为几部分，各部分可便携移动，可以在室外快速组装，实现工程现场的高效检测。当然，在其它的实施方式中，数据采集系统200还可以为其它计算机设备。

请再次参阅图1，路面抗滑纹理测试装置10还包括保护外壳400，保护外壳400可拆卸地罩设于扫描机构100的外侧。保护外壳400可以为一种可翻盖、便于拆卸的设备保护外壳，翻盖顶部设置扫描机构100的控制按钮，具备启动、预警、急停、复位等功能。保护外壳400周围设置围闭挡板，底部设置固定的插头连接便携式移动电源300与数据采集系统200。主要为了营造密封无光干扰的工作环境，以及保护扫描机构100不受风吹日晒的侵蚀。

请参阅图5，根据测试原理，每一次激光传感组件160采集的数据以行的形式展现，可以表征每一次扫描的构造物表面的轮廓特征，由m个数据组成；而一次测量过程获取的等间距轮廓为n条，假设激光传感器移动次数为k次，则扫描范围宽度为X＝k*m*x；扫描范围长度为：Y＝n*y。其中x为宽度方向的激光束点间距(mm)，y为激光传感器移动过程中的相邻轮廓线间距，也代表扫描设备的精度，该数值可小于0.01mm。

路面抗滑纹理测试装置10扫描区域的信息经处理后被量化并存储在一个二维矩阵中，二维矩阵进一步表达为如下式所示的紧凑矩阵型离散函数的数学式。

上述路面抗滑纹理测试装置10的工作原理如下：

需要测试路面抗滑纹理的参数时，将扫描机构100直接置于路面上，支撑架110支撑在地面上，窗口110a对应的区域为测试范围，第二动力源140提供驱动力，使激光传感组件160相对于第二线性模组150沿着第二方向移动直到端部，然后第一动力源120提供驱动力，使第二动力源140和第二线性模组150相对于第一线性模组130沿着第一方向移动一定间距，第二动力源140再驱动激光传感组件160相对于第二线性模组150沿着第二方向反向移动至另一端部(具体扫描路线请参考图5)。

激光传感组件160相对于第二线性模组150移动的同时对路面进行扫描，由半导体激光发射器161激发激光射线，激光射线经过柱面物镜162扩大为条状激光线，条状激光线在目标物体表面产生漫反射，反射光通过2D Ernostar物镜163过滤后被光电元件164接收，计时器用于测定激光射线从发射到被接收的时间，从而计算不同激光射线到目标物的距离，进而得到路面纹理的轮廓。

采用上述路面抗滑纹理测试装置10的扫描机构100对抗滑纹理参数进行测定时，测试区域与路面轨迹带的有效范围相当，可以直接置于真实路面对路面抗滑纹理参数进行测试。而且采用半导体激光发射器161发激光射线，激光射线经过柱面物镜162扩大为条状激光线，条状激光线在目标物体表面产生漫反射，反射光通过2D Ernostar物镜163过滤后被光电元件164接收的方式能够有效提高测量精度，且扫描速度快。

上述路面抗滑纹理测试装置10可以有效解决精密仪器不能用于室外高速公路检测的局限性，并大大提高检测效率，同时兼顾测量精度。根据其精确稳定的测量数据，可以对路面抗滑纹理进行全面的评价与抗滑性能预测，并能够科学合理地安排旧路的养护周期，保证道路的行车安全。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种路面抗滑纹理测试装置的扫描机构，其特征在于，包括：

支撑架，包括顶部及底部，所述支撑架上形成有贯穿所述顶部及所述底部的窗口；

第一动力源及第一线性模组，均设置于所述支撑架上，所述第一动力源用于为所述第一线性模组提供驱动力，所述第一线性模组沿第一方向延伸；

第二动力源及第二线性模组，可移动地设置于所述第一线性模组上，所述第二动力源用于为所述第二线性模组提供驱动力，所述第二线性模组沿第二方向延伸，所述第一方向与所述第二方向相互垂直；

激光传感组件，可移动地设置于所述第二线性模组上，所述激光传感组件对应位于所述窗口内，所述激光传感组件包括半导体激光发射器、柱面物镜、2D Ernostar物镜、光电元件、偏光片及计时器，由所述半导体激光发射器激发激光射线，所述半导体激光发射器的数量为两个，其中一所述半导体激光发射器发出沿所述第一方向的激光射线，另一所述半导体激光发射器发出沿所述第二方向的激光射线，沿所述第一方向的激光射线与沿所述第二方向的激光射线经过所述偏光片后射向所述柱面物镜，将妨碍测量的多重反射光区分出来并将其消除，X偏光与Y偏光交替照射，计算各拍摄数据的光强度差异，多重反射光在通过X偏光与Y偏光后强度会出现差异，利用这一特性，删除差异较大部位的数据，所述激光射线经过所述柱面物镜扩大为条状激光线，所述条状激光线在目标物体表面产生漫反射，反射光通过所述2D Ernostar物镜过滤后被所述光电元件接收，所述计时器用于测定所述激光射线从发射到被接收的时间。

2.根据权利要求1所述的扫描机构，其特征在于，所述支撑架的顶部设置有支撑垫板，所述第一动力源及所述第一线性模组均设置于所述支撑架上。

3.根据权利要求2所述的扫描机构，其特征在于，还包括直线导轨，所述直线导轨设置于所述支撑垫板上，且与所述第一线性模组相平行，所述第二线性模组的一端可移动地设置于所述第一线性模组上，所述第二线性模组的另一端可移动地设置于所述直线导轨上。

4.根据权利要求1所述的扫描机构，其特征在于，还包括支脚，所述支脚设置于所述支撑架的底部。

5.根据权利要求4所述的扫描机构，其特征在于，所述支脚为可调式支脚，以调节所述支撑架的高度和/或倾斜度。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的扫描机构，其特征在于，所述第一动力源为直流电机，所述第一线性模组为滚珠丝杠副、滚珠导轨副或滚珠直线导轨副。

7.根据权利要求1至5中任意一项所述的扫描机构，其特征在于，所述第二动力源为直流电机，所述第二线性模组为滚珠丝杠副、滚珠导轨副或滚珠直线导轨副。

8.根据权利要求1至5中任意一项所述的扫描机构，其特征在于，还包括封闭式拖链，所述封闭式拖链设置于所述支撑架上，且与所述第一线性模组相邻。

9.一种路面抗滑纹理测试装置，其特征在于，包括：

如权利要求1至8中任意一项所述的扫描机构；

数据采集系统，与所述扫描机构通信连接，所述数据采集系统用于接收所述扫描机构采集的数据；及

电源，用于为所述扫描机构提供电流。

10.根据权利要求9所述的路面抗滑纹理测试装置，其特征在于，还包括保护外壳，所述保护外壳可拆卸地罩设于所述扫描机构的外侧。