CN110375657B - 一种建筑结构用新型水平位移激光测量装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及建筑结构水平位移测量技术领域,特别涉及一种建筑结构用新型水平位移激光测量装置,通过设置移动机构,移动机构包括导轨和驱动机构,水平位移激光测量器设置在导轨上,驱动机构与水平位移激光测量器相连,驱动机构能够驱动水平位移激光测量器在导轨上沿导轨进行移动,同时驱动机构连接有位移控制器,通过位移控制器控制水平位移激光测量器在水平方向上移动的距离,用这种结构替代传统的水平位移激光测量器,增加了水平位移测量器的水平测量范围,解决了高层建筑结构较大水平位移检测范围的问题;其对应的使用方法,通过加入水平像素值修正和光强值修正,提高位移测量激光像素点判断的准确性以及像素坐标精度,解决了传统测量精度低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及建筑结构水平位移测量技术领域,特别涉及一种建筑结构用新型水平位移激光测量装置,以及一种建筑结构用新型水平位移激光测量方法。
背景技术
在高层建筑结构、水塔和铁塔等高耸结构、桥梁、大坝等建筑物或构筑物的施工和运营过程中,需要对其水平位移进行测量和监测,以监控其安全和健康状态。上述结构高度大,可产生数十厘米的较大水平位移,目前主要通过人工方法进行测量,既耗时又成本高,且测量精度较低,更难以实现自动化测量和监测。为此,可采用激光位移测量方法进行建筑结构的水平位移测量,把水平位移的激光测量器(位移测量器)固定于建筑结构上,由远离建筑结构的固定激光器向位移测量器的投影屏投射位移测量的激光点,通过位移测量器中的摄像头提取激光点像素信息,进而获得建筑结构的水平移动位移。
而位移激光测量器的测量范围一般不大,用普通的位移激光测量器测量范围不能够满足超高层建筑由风载和不均匀沉降产生的较大水泡位移测量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的位移激光测量测量器的量程不满足高层建筑结构的水平位移检测,特别是无法满足超高层建筑结构中由风载和不均匀沉降产生的较大水平位移测量的问题,提供一种提高建筑结构水平位移激光测量范围和精度的装置。
为了实现上述发明目的,本发明提供了以下技术方案:
一种建筑结构用新型水平位移激光测量装置,包括移动机构,所述移动机构包括导轨,所述水平位移激光测量器设置在所述导轨上并能够沿所述导轨进行移动,所述移动机构上设置有与所述水平位移激光测量器相连接的驱动机构和与所述驱动机构相连接的位移控制器,通过所述驱动机构驱动所述水平位移激光测量器沿所述导轨移动,通过所述位移控制器控制所述水平位移激光测量器移动的距离。
所述建筑结构即建筑物和构筑物,包括普通民用建筑,高层建筑结构、超高层建筑结构、高耸结构、桥梁和高边坡等结构。
通过设置移动机构,所述移动机构包括导轨和驱动机构,所述水平位移激光测量器设置在导轨上,所述驱动机构与所述水平位移激光测量器相连,所述驱动机构能够驱动所述水平位移激光测量器在所述导轨上沿所述导轨进行移动,通过这种结构使所述水平位移激光测量器能够进行水平方向上的移动,使水平位移测量器的水平测量范围增加,同时所述驱动机构连接有位移控制器,所述位移控制器能够控制所述水平位移激光测量器移动的距离,通过所述位移控制器控制所述水平位移激光测量器在水平方向上移动的距离,用这种结构替代传统的水平位移激光测量器,增加了水平位移测量器的水平测量范围,能够解决传统位移激光测量测量器量程不满足建筑结构的较大水平位移检测的问题,特别是解决了传统位移激光测量测量器无法满足超高层建筑结构中由风载和不均匀沉降产生的较大水平位移测量的问题。
优选的,所述驱动机构包括步进电机,所述步进电机连接有步进电机驱动器,通过所述步进电机驱动器驱动所述步进电机运行,所述步进电机驱动器连接有所述位移控制器,通过所述位移控制器来控制所述步进电机旋转的步距角的个数,即控制所述水平位移激光测量器移动的距离。
优选的,所述驱动机构还包括丝杆,所述丝杆与所述步进电机相连接,所述水平位移激光测量器设置在所述丝杆上,通过控制所述步进电机旋转的角度来控制所述丝杆的旋转角度,进而控制所述水平位移激光测量器的水平位移。
优选的,所述水平位移激光测量器上设置有形状适配于所述丝杆的第一滑块,所述水平位移激光测量器通过第一滑块与所述丝杆相连接。
优选的,所述水平位移激光测量器上设置有形状适配于所述导轨的第二滑块,所述水平位移激光测量器通过第二滑块与所述导轨相连接。
优选的,所述导轨和第二滑块的形状均为梯形。
优选的,所述水平位移激光测量器中设置有摄像头,所述摄像头用于获取所述水平位移激光测量器中的投影屏上激光点的像素坐标。
一种建筑结构用新型水平位移激光测量方法,如下步骤:
S100、将建筑结构用新型水平位移激光测量装置设置在建筑墙上,在地面上打开激光发射器,并调整激光投射在水平位移激光测量器中的投影屏上,激光投射在投影屏上的点即初始投射点;
S200、调整水平位移激光测量器,使激光发射器发出的激光与投影屏中点处法线重合;
S300、进行第一水平位移测量,根据摄像头获取的投影屏上激光点的像素坐标进行水平位移值的计算,该测量点的水平位移值达到设定值时,控制驱动机构驱动水平位移激光测量器进行移动,直至激光投射在投影屏上的点恢复至初始投射点的位置,该点即新的初始投射点;其中,设定值小于建筑结构用新型水平位移激光测量装置的满量程的1/2;
S400、进行第二水平位移测量,通过水平位移激光测量器进行测量,测量的结果为第二水平位移测量值,所述测量点的水平位移值为设定值和第二水平位移测量值的总和。
通过步骤S100将建筑结构用新型水平位移激光测量装置设置在建筑墙上,打开激光发射器,调整初始投射点,通过步骤S200,调整激光发射器使其发出的激光与投影屏中点处法线重合,此两步为激光测量准备;通过步骤S300进行第一水平位移测量,通过像素坐标计算水平位移值,在该水平位移值超过设定值时,取第一水平位移值为设定值,控制驱动机构驱动水平位移激光测量器进行移动,直至激光投射在投影屏上的点恢复至初始投射点的位置,通过步骤S300进行第一水平位移测量,且该测量值为设定值;通过步骤S400进行第二水平位移测量,测量后得到第二水平位移测量值,设定值和第二水平位移测量值的综合即此次水平位移测量结果,通过四步对增大了测量范围的建筑结构用新型水平位移激光测量装置施工方法进行规范,通过这种施工方法能够简便快捷的进行大位移的水平位移激光测量,两步测量避免位移测量的激光脱靶,解决了现有位移激光测量测量器的量程小导致的缺少一种大位移水平位移激光测量方法的问题,特别解决了无法满足超高层建筑结构中由风载和不均匀沉降产生的较大水平位移快捷测量的问题,这种方法实时快捷,在任何时候均可进行测量,并进行安全预警预报。
优选的,所述步骤S200和步骤S400之间包括对投射点的像素值的视角修正,该投射点包括初始投射点、新的初始投射点和激光在第二水平位移测量中的最终投射点;
αx0和αy0分别为由标定确定的投影屏中点的水平和竖向的位移系数,(X0,Y0)及(X,Y)分别为摄像头提取的平面投影屏中点处的像素值和某点像素值,h为摄像头焦点至投影屏中点距离。
优选的,所述步骤S200和步骤S400之间包括对投射点的光强值的修正,该投射点包括初始投射点、新的初始投射点和激光在第二水平位移测量中的最终投射点;
其中I0为摄像头从投影屏上提取的对应像素点光强值,αx0和αy0分别为由标定确定的投影屏中点的水平和竖向的位移系数,(X0,Y0)及(X,Y)分别为投影屏中点的像素值和某点像素值,h为摄像头焦点至投影屏中点距离。
通过设置像素值的修正和光强值的修正,根据位移测量的激光点在位移测量器投影屏上的不同位置,基于投影的视角和光强关系,即通过水平像素值的修正公式和光强值修正公式对像素点的位移系数和光强值进行补偿修正,提高位移测量激光像素点判断的准确性以及像素坐标精度,据此有效提高水平位移的激光测量精度,解决了激光位移测量受环境自然光干扰而影响测量精度的问题。
与现有技术相比,本发明的有益效果:
1、通过设置移动机构,所述移动机构包括导轨和驱动机构,所述水平位移激光测量器设置在导轨上,所述驱动机构与所述水平位移激光测量器相连,所述驱动机构能够驱动所述水平位移激光测量器在所述导轨上沿所述导轨进行移动,通过这种结构使所述水平位移激光测量器能够进行水平方向上的移动,使水平位移测量器的水平测量范围增加,同时所述驱动机构连接有位移控制器,所述位移控制器能够控制所述水平位移激光测量器移动的距离,通过所述位移控制器控制所述水平位移激光测量器在水平方向上移动的距离,用这种结构替代传统的水平位移激光测量器,增加了水平位移测量器的水平测量范围,能够解决传统位移激光测量测量器量程不满足建筑结构的较大水平位移检测的问题,特别是解决了传统位移激光测量测量器无法满足超高层建筑结构中由风载和不均匀沉降产生的较大水平位移测量的问题。
2、通过步骤S100将建筑结构用新型水平位移激光测量装置设置在建筑墙上,打开激光发射器,调整初始投射点,通过步骤S200,调整激光发射器使其发出的激光与投影屏中点处法线重合,此两步为激光测量准备;通过步骤S300进行第一水平位移测量,通过像素坐标计算水平位移值,在该水平位移值超过设定值时,取第一水平位移值为设定值,控制驱动机构驱动水平位移激光测量器进行移动,直至激光投射在投影屏上的点恢复至初始投射点的位置,通过步骤S300进行第一水平位移测量,且该测量值为设定值;通过步骤S400进行第二水平位移测量,测量后得到第二水平位移测量值,设定值和第二水平位移测量值的综合即此次水平位移测量结果,通过四步对增大了测量范围的建筑结构用新型水平位移激光测量装置施工方法进行规范,通过这种施工方法能够简便快捷的进行大位移的水平位移激光测量,两步测量避免位移测量的激光脱靶,解决了现有位移激光测量测量器的量程小导致的缺少一种大位移水平位移激光测量方法的问题,特别解决了无法满足超高层建筑结构中由风载和不均匀沉降产生的较大水平位移快捷测量的问题,这种方法实时快捷,在任何时候均可进行测量,并进行安全预警预报。
3、通过设置像素值的修正和光强值的修正,根据位移测量的激光点在位移测量器投影屏上的不同位置,基于投影的视角和光强关系,即通过水平像素值的修正公式和光强值修正公式对像素点的位移系数和光强值进行补偿修正,提高位移测量激光像素点判断的准确性以及像素坐标精度,据此有效提高水平位移的激光测量精度,解决了激光位移测量受环境自然光干扰而影响测量精度的问题。
附图说明:
图1为水平位移激光测量器和激光发射器的安装示意图;
图2为移动机构的结构示意图;
图3为图2中沿移动机构A-A剖面示意图;
图4为图2中沿移动机构B-B剖面示意图;
图6为投影屏不同位置的位移测量激光点的示意图。
图中标记:1-水平位移激光测量器;2-丝杆;3-导轨;4-轴承;5-轴承座;6-步进电机;7-位移控制器;8-激光点;9-投影屏;10-第一支座;11-第二支座;12-第一滑块;13-第二滑块;14-摄像头;15-激光发射器;16-摄像头焦点;17-投影屏中点。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例,凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1所示,把水平位移激光测量器1与移动机构安装于高层建筑外墙之上,并把激光发射器15安装在远离建筑结构并与水平位移激光测量器1之间具有良好通视性的地方;调整激光发射器15方位对准水平位移激光测量器1的投影屏9,并使激光发射器15发出的激光与投影屏中点17处法线重合。
所述建筑结构即建筑物和构筑物,包括普通民用建筑,高层建筑结构、超高层建筑结构、高耸结构、桥梁和高边坡等结构;由于测量点高度越大水平位移范围越大,该装置在应用在高度较高的建筑结构如超高层建筑结构中效果最为明显。
如图2所示,一种建筑结构用新型水平位移激光测量装置,包括移动机构,所述移动机构包括导轨3,所述水平位移激光测量器1设置在所述导轨3上并能够沿所述导轨3进行移动,所述移动机构上设置有与所述水平位移激光测量器1相连接的驱动机构和与所述驱动机构相连接的位移控制器7,通过所述驱动机构驱动所述水平位移激光测量器1沿所述导轨3移动,通过所述位移控制器7控制所述水平位移激光测量器1移动的距离。
驱动机构包括步进电机6,所述步进电机6连接有步进电机驱动器,通过所述步进电机驱动器驱动所述步进电机6运行,所述步进电机驱动器连接有所述位移控制器7,通过所述位移控制器7来控制所述步进电机6旋转的步距角的个数,即控制所述水平位移激光测量器1移动的距离。
步进电机6控制原理:
在需要对水平位移激光测量器1进行水平移动时,位移控制器7根据所需移动值,输入所述步进电机驱动器对应的脉冲个数,由步进电机驱动器驱动步进电机6旋转对应步距角的个数,从而实现控制所述水平位移激光测量器1移动的距离。
驱动机构还包括丝杆2,所述丝杆2与所述步进电机6相连接,所述水平位移激光测量器1设置在所述丝杆2上,通过控制所述步进电机6旋转的角度来控制所述丝杆2的旋转角度,进而控制所述水平位移激光测量器1的水平位移。
该丝杆2为滚珠丝杆。
滚珠丝杆的左右端均设置有轴承4和轴承座5;滚珠丝杆下方的导轨3和滚珠丝杆配合能够使水平位移激光测量器1不发生旋转运动,只发生水平平移运动。
滚珠丝杆的左端设置有第一支座10,右端设置有第二支座11,通过第一支座10安装步进电机6、位移控制器7和步进电机驱动器,通过第一支座10和第二支座11安装滚珠丝杆和导轨3。
此外,驱动机构中的丝杆2和步进电机6还可以用气缸和气缸传感器来代替,同样可以实现高精度的位移控制,此时,第一滑块12的形状则应适配于气缸的伸缩杆。
另外激光在投影屏9上投射点即为激光点8,具体在实施例2中表现为初始投射点、新的初始投射点和激光在第二水平位移测量中的最终投射点。
如图3所示,图3为图2中沿移动机构A-A剖面示意图,且为了方便理解结构,将该剖面示意图放大了三倍;水平位移激光测量器1中设置有摄像头14,所述摄像头14用于获取所述水平位移激光测量器1中的投影屏9上激光点8的像素坐标。
水平位移激光测量器1上设置有形状适配于所述丝杆2的第一滑块12,所述水平位移激光测量器1通过第一滑块12与所述丝杆2相连接。
水平位移激光测量器1上设置有形状适配于所述导轨3的第二滑块13,所述水平位移激光测量器1通过第二滑块13与所述导轨3相连接。
导轨3和第二滑块13的形状如图示均为梯形,该形状还可以是方形,半圆形,椭圆形等具有开口的可以配合互相嵌套的形状。
如图4所示,摄像头14设置在投影屏9中心线处,摄像头14用于获取所述水平位移激光测量器1中的投影屏9上激光点8的像素坐标,第一滑块12和导轨3相互适配,水平位移激光测量器1通过第一滑块12能够在导轨3上沿导轨3的方向进行移动,通过步进电机6驱动。
实施例2
一种建筑结构用新型水平位移激光测量方法,如下步骤:
S100、将建筑结构用新型水平位移激光测量装置设置在建筑墙上,在地面上打开激光发射器15,并调整激光投射在水平位移激光测量器1中的投影屏9上,激光投射在投影屏9上的点即初始投射点;
S200、调整水平位移激光测量器1,使激光发射器15发出的激光与投影屏中点17处法线重合;
S300、进行第一水平位移测量,根据摄像头14获取的投影屏9上激光点8的像素坐标进行水平位移值的计算,该测量点的水平位移值达到设定值时,控制驱动机构驱动水平位移激光测量器1进行移动,直至激光投射在投影屏9上的点恢复至初始投射点的位置,该点即新的初始投射点;其中,设定值小于建筑结构用新型水平位移激光测量装置的满量程的1/2;
S400、进行第二水平位移测量,通过水平位移激光测量器1进行测量,测量的结果为第二水平位移测量值,所述测量点的水平位移值为设定值和第二水平位移测量值的总和。
其中步骤S100到S300中的初始透射点优选为投影屏中点17。
步骤S200和步骤S400之间包括对投射点的像素值的视角修正,以及对投射点的光强值的修正。
如图5和图6所示,激光点8位移的示意图,首先取水平位移激光测量器1的水平位移测量满量程为12cm,即原水平位移激光测量器1的左右水平位移测量范围为±6cm,摄像头焦点16至投影屏中点17的距离h=10cm;设定水平位移激光测量器1向左或向右移动的位移设定值w0=5cm,即步骤S300中的设定值w0=5cm,水平位移测量满量程扩大为为(12cm+2×5cm)=22cm,左右水平位移测量范围扩大为±11cm。
基于摄像头焦点16的同球面上相同弧长对应的像素点数量相同的原理,对投影屏9上激光点8像素值作视角修正,避免平面投影屏9上不同位置像素点坐标的视角误差;修正后水平像素值为Xα=a0(X-X0)+a1(X-X0)3/6,其中系数αx0和αy0分别为由标定确定的投影屏中点17的水平和竖向的位移系数,(X0,Y0)及(X,Y)分别为摄像头14提取的平面投影屏中点17处的像素值和某点像素值,h为摄像头焦点16至投影屏中点17距离。
所述的提高建筑结构水平位移激光测量精度方法,基于摄像头14从平面投影屏9上不同位置提取的像素点光强值随视角变化的情况进行修正,并依据修正后的光强值判别激光点8和非激光点的像素点,提高相应像素点判别的准确性;修正后像素点光强值为其中I0为摄像头14从投影屏9上提取的对应像素点光强值,(X0,Y0)及(X,Y)分别为投影屏中点17的像素值和某点像素值。
所述的提高建筑结构水平位移激光测量精度方法,基于修正后的光强值甄别出测量水平位移的激光像素点,进而对激光像素点的像素值作视角修正,由位移与激光点8中心像素值之间的比例关系计算出建筑结构水平位移;光强值修正方法提高激光像素点判别的准确性,像素值的视角修正方法提高了平面投影屏9上不同位置激光点8像素坐标精度,据此有效提高了建筑结构水平位移激光测量精度。
(一)水平像素值的具体修正:
经标定确定投影屏中点17水平和竖向方向的位移系数:αx0=αy0=0.0083333cm/Pixel;
对于平面投影屏9上不同位置(像素值X和Y不同)的像素点的水平像素值按照Xα=a0(X-X0)+a1(X-X0)3/6进行修正计算;相应的像素点光强按照I=I0·(1+(0.00083333)2×[(X-X0)2+(Y-Y0)2])进行修正计算。
根据上述修正后的光强值判断出测量水平位移的激光像素点,并基于上述的水平像素值修正计算方法对激光像素点的像素值作出修正计算。建筑结构的水平位移w根据测得的激光点8的中点像素值按照计算;当测得的水平位移w=5cm或w=-5cm时,由移动机构把位移测量器投影屏中心点17调回至原来位置(与激光点8中心重合),继续进行水平位移测量,此后根据重新测得的激光点8的中点像素值按照 计算建筑结构的水平位移,其中向右移动时取w0=5cm,向左移动时取w0=-5cm。上述的建筑结构水平位移测量方法有效提扩大了水平位移测量范围,并提高了位移测量精度。
(二)光强值的具体修正:
Claims (9)
1.一种建筑结构用新型水平位移激光测量方法,其特征在于,包括一种建筑结构用新型水平位移激光测量装置,所述建筑结构用新型水平位移激光测量装置包括移动机构,所述移动机构包括导轨(3),所述水平位移激光测量器(1)设置在所述导轨(3)上并能够沿所述导轨(3)进行移动,所述移动机构上设置有与所述水平位移激光测量器(1)相连接的驱动机构和与所述驱动机构相连接的位移控制器(7),通过所述驱动机构驱动所述水平位移激光测量器(1)沿所述导轨(3)移动,通过所述位移控制器(7)控制所述水平位移激光测量器(1)移动的距离;
还包括如下步骤:
S100、将建筑结构用新型水平位移激光测量装置设置在建筑墙上,在地面上打开激光发射器(15),并调整激光投射在水平位移激光测量器(1)中的投影屏(9)上,激光投射在投影屏(9)上的点即初始投射点;
S200、调整水平位移激光测量器(1),使激光发射器(15)发出的激光与投影屏中点(17)处法线重合;
S300、进行第一水平位移测量,根据摄像头(14)获取的投影屏(9)上激光点(8)的像素坐标进行水平位移值的计算,测量点的水平位移值达到设定值时,控制驱动机构驱动水平位移激光测量器(1)进行移动,直至激光投射在投影屏(9)上的点恢复至初始投射点的位置,该点即新的初始投射点;其中,设定值小于建筑结构用新型水平位移激光测量装置的满量程的1/2;
S400、进行第二水平位移测量,通过水平位移激光测量器(1)进行测量,测量的结果为第二水平位移测量值,所述测量点的水平位移值为设定值和第二水平位移测量值的总和。
2.根据权利要求1所述一种建筑结构用新型水平位移激光测量方法,其特征在于,所述驱动机构包括步进电机(6),所述步进电机(6)连接有步进电机(6)驱动器,通过所述步进电机(6)驱动器驱动所述步进电机(6)运行,所述步进电机(6)驱动器连接有所述位移控制器(7),通过所述位移控制器(7)来控制所述步进电机(6)旋转的步距角的个数,即控制所述水平位移激光测量器(1)移动的距离。
3.根据权利要求2所述一种建筑结构用新型水平位移激光测量方法,其特征在于,所述驱动机构还包括丝杆(2),所述丝杆(2)与所述步进电机(6)相连接,所述水平位移激光测量器(1)设置在所述丝杆(2)上,通过控制所述步进电机(6)旋转的角度来控制所述丝杆(2)的旋转角度,进而控制所述水平位移激光测量器(1)的水平位移。
4.根据权利要求3所述一种建筑结构用新型水平位移激光测量方法,其特征在于,所述水平位移激光测量器(1)上设置有形状适配于所述丝杆(2)的第一滑块(12),所述水平位移激光测量器(1)通过第一滑块(12)与所述丝杆(2)相连接。
5.根据权利要求4所述一种建筑结构用新型水平位移激光测量方法,其特征在于,所述水平位移激光测量器(1)上设置有形状适配于所述导轨(3)的第二滑块(13),所述水平位移激光测量器(1)通过第二滑块(13)与所述导轨(3)相连接。
6.根据权利要求5所述一种建筑结构用新型水平位移激光测量方法,其特征在于,所述导轨(3)和第二滑块(13)的形状均为梯形。
7.根据权利要求6所述一种建筑结构用新型水平位移激光测量方法,其特征在于,所述水平位移激光测量器(1)中设置有摄像头(14),所述摄像头(14)用于获取所述水平位移激光测量器(1)中的投影屏(9)上激光点(8)的像素坐标。
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