CN117109535B - 一种倾角测量装置及其动态测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种倾角测量装置及其动态测量方法,该装置主要包括本体、隔板、靶标模块、摄像模块、重力球、连接杆及传感模块,隔板将本体分为上下两个空间,所述上部空间设置有摄像模块和靶标模块,所述摄像模块与靶标模块通过连接杆与重力球连接,本技术方案通过重力球始终保持竖直向下的状态来保证摄像模块始终保持水平和靶标模块处于竖直状态,采用图像识别方法监测靶标模块的竖向位移,所述摄像模块的球心至靶标头球心的距离为定值,因而根据反三角函数计算实现结构的倾角测量。本发明具有成本低,测量精度高、稳定性好、可实现动态测量等特点。
Description
技术领域
本发明涉及结构状态监测领域,具体涉及一种倾角测量装置及其动态测量方法。
背景技术
随着结构数字孪生概念的普及和深化,大型或重要结构几乎都建立了健康监测系统,而健康监测中结构变位测量尤其重要,倾角作为结构变形的一个表征参数,因此倾角仪的应用场景也越来越广泛,涉及桥梁施工及运维监测、大坝运维监测、地震监测等众多场景,倾角传感器可以监测结构的细微变化,监测结构的健康状况,从而对结构安全性进行评价;
传统倾角测量技术主要通过牛顿第二定律实现倾角测量,主要包括如下技术:
固体摆式倾角传感器测量技术,系统主要由摆锤、摆线、支架组成,摆受重力G和摆拉力T的作用,其合外力F=G sinθ=mg sinθ,θ为摆线与垂直方向的夹角,即为系统的倾角;
液体摆式倾角传感器测量技术,液体摆的构造基本原理是在玻璃壳体内配有导电液,并有三根铂电极和外界相互连接,三根电极相互平行间隙且一致;当系统水平时,电极插入导电液的深度一致。当系统倾斜时,电极间的导电液不一致,三根电极浸入液体的深度也发生变化,但中间电极浸入深度保持不变,因此通过引起输出电信号转变而感知倾角的变化;
气体摆式倾角传感器测量技术,“气体摆”式惯性元件由密闭腔体、气体和热线组成,当腔体所在平面相对水平面倾斜或腔体受到加速度的作用时,热线的阻值发生改变,而且热线阻值的转变是角度θ或加速度的函数,因此实现倾角测量;
除此之外,还包括基于激光、光纤光栅等技术的倾角测量方法,目前现有倾角设备高精度设备价格昂贵,通用性差,不能适用不同结构部位的测量,且满足不了更高精度测量的需求、动态测量精度低,难以具备高密度装备高精度倾角仪的监测条件,导致结构的微小倾角变位难以测量。
发明内容
本发明为解决现有技术中存在的问题,提出了一种倾角测量装置及其测量方法,主要解决现有倾角监测设备精度低,结构微小倾角变位难以实现动态测量的问题。
本发明的目的通过下述方案实现:
一种倾角测量装置,主要包括:本体、隔板、摄像模块、靶标模块、重力球、连接杆及传感模块;
所述本体中间设有隔板,所述隔板将本体分为上下两个空间,即上部空间和下部空间,所述上部空间设置有摄像模块和靶标模块,所述摄像模块与隔板上设置的摄像模块底座通过销轴连接,所述靶标模块与隔板上设置的靶标模块底座通过销轴连接;所述摄像模块和靶标模块的底部分别固定有连接杆,在摄像模块、靶标模块下方位置的隔板上分别开设有槽孔,通过槽孔使得连接杆从上部空间穿至下部空间,在两个连接杆的端部分别固定有重力球;所述传感模块与摄像模块通过数据传输线进行通讯。
可选的,所述摄像模块为球体形状,并设置孔洞,所述孔洞内设小体积摄像头。
可选的,所述靶标模块包括靶标和靶标头,所述靶标头的上部固定靶标,所述靶标头的下部与连接杆固定连接,所述靶标头通过销轴和靶标模块底座连接,所述销轴两端采用螺帽固定。
可选地,所述靶标为发光靶标,靶标内部可设置LED阵列。
优选地,所述连接杆与槽孔连接处设置软性密封圈,
优选地,所述隔板上设置有注油嘴,通过注油嘴将防锈油注满下部空间,在所述本体下部空间里注满防锈油,以克服重力球的惯性作用,从而保证动态监测过程中摄像模块和靶标的稳定性,从而保证监测数据的稳定性。
优选地,所述隔板上还设置有排气管,通过注油嘴向下部空间注油时,下部空间的气体通过排气管排出。
可选地,所述注油嘴端部的注油口略高于排气管端部的排气口,当油从排气口溢出时,封堵排气口,继续注入,直至注油口溢出时进行封堵。
一种动态倾角测量方法,包括:
所述摄像模块通过重力球在重力作用下始终保持竖直向下的状态来保证摄像模块始终保持水平状态,从而保证摄像头视线始终处于水平状态;
所述靶标通过重力球在重力作用下始终保持竖直向下的状态来保证靶标始终保持竖直状态;
所述摄像模块中心O1与靶标头中心O2的距离L为固定值,靶标中心O3至靶标头中心O2的距离h为固定值;
将倾角测量装置安装固定在被测结构上,安装完成后,传感模块通过摄像模块记录下安装完成后图像中心O4与靶标中心O3的初始距离Δh1,计算得到图像中心O4与靶标头中心O2的距离h+Δh1;
通过传感模块可以采用如下关系式计算摄像模块球心与靶标头中心连线的初始倾角θ0:
采用图像识别方法实时监测运营过程中靶标模块中心的竖向位移变化,即图像中心O4与靶标中心O3的距离,采用下式计算摄像模块中心O4与靶标头中心O2连线的实时倾角θi:
通过计算摄像模块中心与靶标头中心连线的实时倾角θi状态与初始位置倾角θ0的差值θ,即:
θ=θi-θ0
从而实现结构动态倾角高精度测量。
与现有技术比较,本发明具有的有益效果:
1.本申请的倾角测量装置具有很强的通用性和适应性,如图4所示,利用固定板与被测结构组合设置,可以适应水平、竖直和斜体等不同角度的结构进行测量安装,测量水平结构可以将固定板设置于顶板或者底板,竖直结构则可以将固定板设置于侧板,对于斜体结构则可以增加楔形块来实现。这避免了对不同结构需要采用不同的测量装置的麻烦,
2.采用图像识别方式获得角度值是非常准确和智能化的方案。相比简单的惯性传感器,图像识别可避免由于加速度积分误差造成的数据飘移,提高了动态测量的精度和稳定性。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的倾角测量装置立面构造图;
图2为本发明具体实施方式的倾角测量装置立面平面图;
图3为本发明具体实施方式的倾角测量装置内部结构轴侧图;
图4为本发明具体实施方式的倾角测量装置安装示意图;
图5为本发明具体实施方式的倾角测量装置测量原理图;
图中,1.本体,101.上部空间,102.下部空间,2.隔板,201.槽孔,3.摄像模块,4.靶标模块,401.靶标,402.靶标头,5.连接杆,6.重力球,7.传感模块,8.摄像模块底座,9.靶标模块底座,10.销轴,11.密封圈,12.注油嘴,13.排气管。
具体实施方式
为更详细、更清晰地阐述本发明的内容,结合以下附图进行说明,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1-图3所示,一种倾角测量装置,主要包括:本体1、隔板2、摄像模块3、靶标模块4、重力球6、连接杆5及传感模块7;
所述本体1中间设有隔板2,所述隔板2将本体1分为上下两个空间,即上部空间101和下部空间102,所述上部空间101设置有摄像模块3和靶标模块4,所述摄像模块3和靶标模块4之间有一定距离,且位置相对,保证摄像模块的水平视线能照射到靶标模块上;
所述摄像模块3与隔板2上设置的摄像模块底座8通过销轴10连接,所述靶标模块4与隔板2上设置的靶标模块底座9通过销轴10连接;所述摄像模块底座8以及靶标模块底座9的下端与隔板2可选择焊接固定;
所述摄像模块3和靶标模块4的底部分别固定有连接杆5,在摄像模块3、靶标模块4下方位置的隔板2上分别开设有槽孔201,通过槽孔201使得连接杆5从上部空间101穿至下部空间102,根据装置测量范围来制定槽孔大小,若想测量范围大,槽孔的长度就相对大些;在两个连接杆5的端部分别固定有重力球6;所述传感模块7与摄像模块3通过数据传输线进行通讯。
可选的,所述摄像模块3为球体形状,并设置孔洞,所述孔洞内设小体积摄像头。所述摄像模块3通过重力球6在重力作用下始终保持竖直向下的状态来保证摄像模块始终保持水平状态,从而保证摄像头视线始终处于水平状态;
可选的,所述靶标模块4包括靶标401和靶标头402,所述靶标头402的上部固定靶标401,所述靶标头402的下部与连接杆5固定连接,所述靶标头402通过销轴10和靶标模块底座9连接,所述销轴10两端采用螺帽固定;所述靶标401通过重力球6在重力作用下始终保持竖直向下的状态来保证靶标始终保持竖直状态;
可选地,所述靶标401为发光靶标,为靶标内部设置LED阵列的发光靶标。
优选地,所述连接杆5与槽孔201连接处设置软性密封圈,密封圈用一种很软的材质,不影响重力球的摆动。
优选地,所述隔板2上设置有注油嘴12,通过注油嘴12将防锈油注满下部空间102,在下部空间里注满防锈油,以克服重力球6的惯性作用,从而保证动态监测过程中摄像模块3和靶标模块4的稳定性,从而保证监测数据的稳定性。
优选地,所述隔板2上还设置有排气管13,通过注油嘴12向下部空间102注油时,下部空间102的气体通过排气管13排出。
可选地,所述注油嘴12端部的注油口略高于排气管13端部的排气口,当油从排气口溢出时,封堵排气口,继续注入,直至注油口溢出时进行封堵。
如图4所示,本体1根据不同被测结构部位进行加工安装,本体1通过固定螺栓或焊接与被测结构连接;
基于上述的一种倾角测量装置,本发明还提供了一种动态倾角测量方法,包括:
所述摄像模块3通过重力球在重力作用下始终保持竖直向下的状态来保证摄像模块始终保持水平状态,从而保证摄像头视线始终处于水平状态;
所述靶标模块4通过重力球在重力作用下始终保持竖直向下的状态来保证靶标始终保持竖直状态;
采用图像识别方法实时监测运营过程中靶标相对竖向位移变化,实现结构倾角动态测量。
为了避免安装时难以达到完全水平或者垂直的困难,优选地,安装完成后确定装置的初始倾角;
如图5所示,所述摄像模块中心O1与靶标头中心O2的距离L为固定值,靶标中心O3至靶标头中心O2的距离h为固定值;
将倾角测量装置安装固定在被测结构上,安装完成后,所述传感模块7通过摄像模块3记录下安装完成后图像中心O4与靶标中心O3的初始距离Δh1,计算得到图像中心O4与靶标头中心O2的距离h+Δh1;
通过传感模块采用反三角函数计算结构初始倾角,具体采用如下关系式计算摄像模块球心与靶标头中心连线的初始倾角θ0:
采用图像识别方法实时监测运营过程中靶标模块中心的竖向位移变化,即图像中心O4与靶标中心O3的距离,采用下式计算摄像模块中心O4与靶标头中心O2连线的实时倾角θi:
通过计算摄像模块中心与靶标头中心连线的实时倾角θi状态与初始位置倾角θ0的差值θ,即:
θ=θi-θ0
从而实现结构动态倾角高精度测量。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种倾角测量装置,其特征在于,主要包括:本体(1)、隔板(2)、摄像模块(3)、靶标模块(4)、重力球(6)、连接杆(5)及传感模块(7);
所述本体(1)中间设有隔板(2),所述隔板(2)上设置有排气管(13),所述隔板(2)将本体(1)分为上下两个空间,即上部空间(101)和下部空间(102),所述上部空间(101)设置有摄像模块(3)和靶标模块(4),所述摄像模块(3)与隔板上设置的摄像模块底座(8)通过销轴(10)连接,所述靶标模块(4)与隔板上设置的靶标模块底座(9)通过销轴(10)连接;所述摄像模块(3)和靶标模块(4)的底部分别固定有连接杆(5),在摄像模块(3)、靶标模块(4)下方位置的隔板(2)上分别开设有槽孔(201),通过槽孔(201)使得连接杆(5)从上部空间(101)穿至下部空间(102),所述连接杆(5)与槽孔(201)连接处设置软性密封圈(11),在两个连接杆(5)的端部分别固定有重力球(6);所述传感模块(7)与摄像模块(3)通过数据传输线进行通讯,所述靶标模块(4)包括靶标(401)和靶标头(402),所述靶标头(402)的上部固定靶标(401),所述靶标头(402)的下部与连接杆(5)固定连接,所述靶标头(402)通过销轴(10)和靶标模块底座(9)连接,所述销轴(10)两端采用螺帽固定,所述隔板(2)上设置有注油嘴(12),通过注油嘴(12)将防锈油注满下部空间(102),所述注油嘴(12)端部的注油口略高于排气管(13)端部的排气口。
2.根据权利要求1所述的一种倾角测量装置,其特征在于,所述摄像模块(3)为球体形状并设置孔洞,所述孔洞内设小体积摄像头。
3.根据权利要求1所述的一种倾角测量装置,其特征在于,所述靶标(401)为发光靶标。
4.一种动态倾角测量方法,基于权利要求1~3任一项所述的一种倾角测量装置,其特征在于:所述动态倾角测量方法包括:
所述摄像模块通过重力球在重力作用下始终保持竖直向下的状态来保证摄像模块始终保持水平状态,从而保证摄像头视线始终处于水平状态;
所述靶标通过重力球在重力作用下始终保持竖直向下的状态来保证靶标始终保持竖直状态;
所述摄像模块中心O1与靶标头中心O2的距离L为固定值,靶标中心O3至靶标头中心O2的距离h为固定值;
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θ=θi-θ0,
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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