CN110702070A - 一种用于隧道断面测量的2d/3d线激光测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于隧道断面测量的2D/3D线激光测量装置，由线激光测距传感器、基座、滚轮、支承横杆、轨道平板、脚架构成。线激光测距传感器包括半导体激光器、准直透镜、成像透镜、接收器、信号处理器；基座包括转轴、侧板Ⅰ、侧板Ⅱ、数据无线传输端口、底板；滚轮通过轮轴连接，并配有C型挡板；水准管Ⅱ固定于水平横杆上；轨道平板包括轨道、螺栓、矩形钢片、原点孔、水准管Ⅰ、螺栓孔；延长轨道平板包括轨道、螺栓、水准管Ⅰ、螺栓孔；脚架包括固定杆、微调螺旋、固定旋钮、活动杆。与现有装置相比，本发明测量速度快、测点多、精度高、稳定性好，不仅可以进行2D断面测量，还可以生成3D围岩轮廓以增强直观可查性，使断面监测更加全面到位。

Description

一种用于隧道断面测量的2D/3D线激光测量装置

技术领域

本发明属于隧道工程、地下硐室工程监测技术领域，尤其涉及一种用于隧道断面测量的2D/3D线激光测量装置，用于测量工程开挖断面轮廓2D平面与3D空间上的超欠挖量、平整度变化情况等。

背景技术

传统的隧道断面测量仪器或装置主要基于红色点激光，即测量光斑为一个红点进行一维测量，红色激光束较粗，测量精度一般低于蓝色激光。采用传统的点激光测量仪进行断面测量时，一方面，需要设置一次断面测量所要捕捉的点数，点数设置越多，测量越全面，从而形成接近真实的二维轮廓面，但测量时耗时越久，测量速度也就越慢，因此，在隧道内有限的监测时间内所能测到的断面数也就越少，容易拖延隧道施工的按时进行；另一方面，在遇到富水地层的隧道施工时，由于隧道断面轮廓表面积水量大，无法产生较好的漫反射，致使传统的点激光测量仪往往无法接收到被测点的漫反射光，不仅无法捕获当前被测点的距离数据，激光测距传感器也会停滞不动，直到能够捕捉到当前被测点信号或者手动操作跳过测点，最终导致断面点数捕捉不全面，同时又增加了时间成本；另外，传统的点激光测量仪由于激光测距传感器在掘进方向处于固定状态，由此导致测量的断面离原始断面越远，测量误差就越大。综上所述，目前还没有一款能够既省时又精确地测量隧道2D/3D断面轮廓的激光测量装置。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于隧道断面测量的2D/3D线激光测量装置，该用于隧道断面轮廓测量的线激光测量装置可以解决现有技术中存在的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于隧道断面测量的2D/3D线激光测量装置，测量装置主要包括线激光测距传感器、基座、滚轮、水平横杆、轨道平板、延长轨道平板、脚架。所述线激光测距传感器通过两个活动转轴安装于基座内部；所述基座与滚轮相连成整体，使用时在轨道平板上前行活动；所述轨道与水平横杆相连形成二维平面，通过脚架连接支撑于地面。

所述线激光测距传感器包括半导体激光器、准直透镜、成像透镜、接收器、信号处理器。所述半导体激光器作为光源产生波长400纳米以上的蓝色半导体激光束或更高精度的激光束，透过所述准直透镜扩大为线条状激光，即线激光；线激光照射到被测物体表面产生的漫反射光透过成像透镜被所述接收器形成高精度轮廓图像，通过所述信号处理器转化为距离数据。

所述准直透镜将激光光源中每一点的光线变成一束平行的准直光柱；所述成像透镜包括至少一组接收镜片；所述接收器为一种线性CCD，即Charge-Coupled Device或电荷耦合元件，是一种高度敏感的感光元件用于成像阵列，当遇到表面含水的被测物，可以优化反射光的强弱波形，提高接收稳定性。

所述基座用于安置所述线激光测距传感器，所述基座包括侧板Ⅰ、侧板Ⅱ、转轴、底板；所述侧板Ⅱ装有数据无线传输端口；两个所述转轴用于连接所述线激光测距传感器与所述侧板Ⅰ和侧板Ⅱ；所述底板用于连接所述侧板Ⅰ与侧板Ⅱ底部。

所述滚轮由大小两个圆盘拼接而成，外侧圆盘周边套设防滑橡胶，每两个所述滚轮通过一根轮轴连接，安装于所述底板的底部位置；所述滚轮嵌套于所述轨道平板之上，使整体所述滚轮能够作直线平动而不会左右偏离；所述滚轮外侧圆心处设置C型挡板，用于防止由于所述线激光测距传感器运动时意外产生的左右倾覆与掉落。

所述轨道平板包括钢板、轨道、原点孔、螺栓孔、水准管Ⅰ，末端上部进行切槽处理，用于与所述延长轨道平板端头拼接。两条所述轨道分别位于所述钢板两侧，轨道表面进行平行刻痕处理，用以增加所述轨道与所述滚轮之间的摩擦系数；所述原点孔为所述轨道平板中轴线起始段的开孔，用于激光测量初始高程；所述螺栓孔用于连接所述水平横杆以及拼接所述延长轨道平板；所述水准管Ⅰ用于判定所述轨道平板的水平度。

所述延长轨道平板端头下部切槽处理，用于与所述轨道平板末端相拼接；所述水平横杆包括钢杆、螺栓孔、水准管Ⅱ，通过矩形钢片与螺栓组合将所述水平横杆与所述轨道平板进行紧密连接；所述水准管Ⅱ用于判定所述水平横杆的水平度。

所述脚架包括固定杆、活动杆、固定旋钮、微调螺旋。所述固定杆与所述水平横杆两端、所述轨道平板末端或所述延长轨道平板末端连接，连接处设置折叠铰或采用螺钉连接；所述活动杆通过所述固定旋钮调整装置的整体高度，并可用于对所述水平横杆水平度的粗调；所述活动杆底部为圆锥体金属合金，便于插入固定；所述微调螺旋用于对所述水平横杆水平度的微调。

所述线激光测距传感器外壳、基座、滚轮、水平横杆、轨道平板、延长轨道平板、脚架均由镀铬硬质不锈钢合金材料制成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.采用线激光测距传感器，一条线激光最多可包含上千个测点，足以形成2D断面轮廓所需的测点数。

2.一条线激光的扫描时间相当于传统点激光捕捉一个测点的时间，且平均一个断面只需扫描3～4次，即线激光测距传感器的转动次数，大大缩短单个断面测量时间。

3.采用轨道行进式激光扫描，保证每个断面的测量都为当前断面测量，与初始断面的测量精度无异。

4.由于单个断面的测量速度快，可以每隔一个行进方向的短间距进行断面测量，在后处理中将所有2D扫描轮廓按顺序纵向拼接成为接近真实的3D隧道开挖轮廓。

5.对含水等透明表面上的光线进行光强度的优化处理，提高测量精度与稳定性。

附图说明

图1为本发明的线激光测量装置立体图；

图2为本发明的线激光测量装置正立面图；

图3为本发明的水平横杆与轨道平板俯视图；

图4为本发明的线激光测量装置侧立面图；

图5为本发明的线激光测距传感器内部结构示意图；

图6为本发明的线激光测量装置隧道测量示意图；

图7为本发明的线激光测量数学原理示意图。

图中，1为线激光测距传感器，2为基座，3为滚轮，4为水平横杆，5为轨道平板，6为延长轨道平板，7为脚架，8为水准管Ⅱ，9为固定杆，10为微调螺旋，11为固定旋钮，12为活动杆，13为轨道，14为螺栓，15为矩形钢片，16为原点孔，17为水准管Ⅰ，18为螺栓孔，19为转轴，20为侧板Ⅰ，21为侧板Ⅱ，22为数据无线传输端口，23为底板，24为轮轴，25为C型挡板，26为半导体激光器，27为准直透镜，28为成像透镜，29为接收器，30为信号处理器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参照图1,2所示，所述滚轮3嵌套于所述轨道平板5之上，使所述滚轮3整体能够作直线平动而不会左右偏离；所述C型挡板25用于防止由于所述线激光测距传感器1运动时意外产生的左右倾覆与掉落。

参照图3所示，所述轨道13表面进行平行刻痕处理，用以增加所述轨道13与所述滚轮3之间的摩擦系数；所述原点孔16用于激光测量初始高程；所述螺栓孔18用于连接所述水平横杆4或拼接所述延长轨道平板6；所述水准管Ⅰ17用于判定所述轨道平板5的水平度；所述水准管Ⅱ8用于判定所述水平横杆4的水平度。

参照图4所示，所述固定旋钮11用于调整装置的整体高度，并可用于对所述水平横杆4水平度的粗调；所述微调螺旋10用于对所述水平横杆水平度的微调。

参照图5所示，所述半导体激光器26用于产生波长400纳米以上的蓝色半导体激光束或更高精度的激光束，透过所述准直透镜27扩大为线条状激光，即线激光；线激光照射到被测物体表面产生的漫反射光透过所述成像透镜28在所述接收器29中形成高精度轮廓图像，通过所述信号处理器转化为距离数据。

实施例

一种用于隧道断面测量的2D/3D线激光测量装置，主体结构如图1～5所示，该测量装置包括线激光测距传感器1，基座2，滚轮3，水平横杆4，轨道平板5，延长轨道平板6，脚架7。其中，线激光测距传感器1包括半导体激光器26，准直透镜27，成像透镜28，接收器29，信号处理器30；基座2包括转轴19，侧板Ⅰ20，侧板Ⅱ21，数据无线传输端口22，底板23；滚轮3通过轮轴23连接，并配有C型挡板25；水准管Ⅱ8固定于水平横杆4上；轨道平板5包括轨道13，螺栓14，矩形钢片15，原点孔16，水准管Ⅰ17，螺栓孔18；延长轨道平板6包括轨道13，螺栓14，水准管Ⅰ17，螺栓孔18；脚架7包括固定杆9，微调螺旋10，固定旋钮11，活动杆12。

具体实施方案以图1～7为例，测量隧道断面轮廓超欠挖或平整度时，所要达到的最直接测量目的是获取断面中心到轮廓边界的实际距离，通过实际与设计的差值定量化判断隧道开挖断面轮廓的超欠挖或平整度情况。使用本发明装置进行隧道断面测量时，可遵循如下操作：

(1)如图1～4所示，将测量主机，包括线激光测距传感器1、基座2、滚轮3，穿过C型挡板25安装于轨道平板5上，确保滚轮3与轨道13匹配贴合，采用螺栓14与矩形钢片15将水平横杆4与轨道平板5连接，确保水平横杆4始终垂直于轨道平板5并紧密贴合，根据测量范围需要，可采用螺栓14连接轨道平板5与延长轨道平板6以延长测量范围。

(2)如图6所示，用全站仪或经纬仪在指定测量位置确定一条与隧道断面平行的轴线A，并在轴线A上确定当前断面的拱底地面中点O，即与隧道走向中心线B的交点，同时注意记录标准断面圆心的高程。将水平横杆4相应的两根脚架7固定于轴线A的位置，采用皮尺辅助使水平横杆4中点的竖向投影与O点重合，轨道平板5相应的两根脚架7自然落地，至此，装置整体立地。依次调节脚架7的固定旋钮11和微调螺旋10，分别对水准管Ⅱ8和水准管Ⅰ17进行整平。

(3)当测量主机最初停留在原始位置时，对主机进行归零操作，此时线激光测距传感器1所发出的中心点激光铅直穿过原点孔16照射到拱底地面，获取线激光测距传感器1光源到拱底地面中心点的距离，即DO′的长度，如图7所示，同时采用站仪或经纬仪记录O′点的高程。设定测量主机单次扫描的最大角度与单次转动角度，即每扫描完一段轮廓转动相应的角度，直至回到归零位置；同时设定测量主机的单次前进间距，即每个测量断面的间隔距离，并设定结束测量的停留位置，所有设定完毕之后开始正式进入自动测量程序。测量主机的机械运动及数据传递均由手机终端无线控制并进行实时后处理，后处理可以获取超欠挖量、实际断面2D轮廓面，将2D轮廓面依次序连接，最终可形成3D隧道围岩轮廓。

断面测量的基本数学原理为：如图7所示，D为光源位置，C为设计断面圆心位置，O′为测量主机铅直方向的拱底中心位置。DEF为单次实际扫描的区域，需要计算轮廓EF范围内每一点到圆心C的距离，在此以DE距离为例。由圆心C点高程和O′点高程可以得到CO′距离，由步骤3可知DO′距离，容易求得CD距离，测量主机自动记录转过角度α(在EF范围内的每一个激光点到原始位置的角度也均容易求得)，根据余弦定理可求得CE，即

由此，线性超欠挖＝CE-设计半径R。同理，可求出单次扫描断EF内其他测点的相关值。

Claims (9)

1.一种用于隧道断面测量的2D/3D线激光测量装置，其特征在于：包括线激光测距传感器、基座、滚轮、水平横杆、轨道平板、延长轨道平板、脚架，线激光测距传感器通过两个活动转轴安装于基座内部；基座与滚轮相连成整体；轨道与水平横杆相连形成二维平面，通过脚架连接支撑于地面。

2.根据权利要求1所述的一种用于隧道断面测量的2D/3D线激光测量装置，其特征在于：线激光测距传感器包括半导体激光器、准直透镜、成像透镜、接收器、信号处理器。

3.根据权利要求2所述的一种用于隧道断面测量的2D/3D线激光测量装置，其特征在于：成像透镜包括至少一组接收镜片；接收器为一种线性CCD即Charge-Coupled Device或称之为电荷耦合元件，是一种高度敏感的感光元件。

4.根据权利要求1所述的一种用于隧道断面测量的2D/3D线激光测量装置，其特征在于：基座用于安置所述线激光测距传感器，基座包括侧板Ⅰ、侧板Ⅱ、转轴、底板；侧板Ⅱ装有数据无线传输端口；两个转轴连接所述线激光测距传感器与侧板Ⅰ和侧板Ⅱ；底板连接侧板Ⅰ与侧板Ⅱ底部。

5.根据权利要求1所述的一种用于隧道断面测量的2D/3D线激光测量装置，其特征在于：滚轮由大小两个圆盘拼接而成，外侧圆盘周边套设防滑橡胶，每两个所述滚轮通过一根轮轴连接，安装于所述底板的底部位置；滚轮嵌套于所述轨道平板之上；滚轮外侧圆心处设置C型挡板。

6.根据权利要求5所述的一种用于隧道断面测量的2D/3D线激光测量装置，其特征在于：轨道平板包括钢板、轨道、初始点孔、螺栓孔、水准管Ⅰ，末端上部进行切槽处理，与延长轨道平板端头拼接，两条所述轨道分别位于钢板两侧，轨道表面进行平行刻痕处理；初始点孔为轨道平板中轴线起始段的开孔；螺栓孔处连接水平横杆或拼接延长轨道平板。

7.根据权利要求6所述的一种用于隧道断面测量的2D/3D线激光测量装置，其特征在于：延长轨道平板端头下部切槽处理，与轨道平板末端相拼接；水平横杆包括钢杆、螺栓孔、水准管Ⅱ，通过矩形钢片与螺栓组合将水平横杆与所述轨道平板进行紧密连接。

8.根据权利要求1所述的一种用于隧道断面测量的2D/3D线激光测量装置，其特征在于：脚架包括固定杆、活动杆、固定旋钮、微调螺旋，固定杆与水平横杆两端、轨道平板末端或延长轨道平板末端连接，连接处设置折叠铰；活动杆通过固定旋钮调整装置的整体高度；活动杆底部为圆锥体金属合金。

9.根据权利要求1所述的一种用于隧道断面测量的2D/3D线激光测量装置，其特征在于：线激光测距传感器外壳、基座、滚轮、水平横杆、轨道平板、延长轨道平板、脚架均由镀铬硬质不锈钢合金材料制成。

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