CN202101649U

CN202101649U - 二维微小扭转角测量系统

Info

Publication number: CN202101649U
Application number: CN2011202153408U
Authority: CN
Inventors: 张开洪; 张奔牛; 张文会; 李聪
Original assignee: Chongqing Jiaotong University
Current assignee: Chongqing Jiaotong University
Priority date: 2011-06-23
Filing date: 2011-06-23
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2021-06-23

Abstract

本实用新型公开了一种二维微小扭转角测量系统，包括激光发射子系统、反射子系统、数据采集子系统和数据处理子系统，进行二维扭转角测量时，数据采集子系统放置在稳定参考点，激光发射子系统固定于数据采集子系统顶端，数据处理子系统分别与激光发射子系统和数据采集子系统相连接，反射子系统放置在待测点，根据激光传播延迟时间可计算测量距离，而由测量距离和激光光斑中心位移可计算被测结构二维扭转角度，本实用新型具有结构简单、实时性好、测量距离远、精度高，二维扭转角同时测量等特点，可广泛用于桥梁、大坝、大型钢结构、高层建筑等土木工程扭转变形的定时检测和长期实时监测。

Description

二维微小扭转角测量系统

技术领域

本实用新型涉及一种二维扭转角的测量装置，可用于测量桥梁、大坝、大型钢结构、高层建筑等大型土木工程纵向和横向扭转变形角度。

背景技术

桥梁、大坝、大型钢结构、高层建筑等大型土木工程建设和使用过程的检测中，正向和侧向扭转变形角度是一个重要的参数，它通常作为仪器测量的补偿值使用，以减小测量误差。

现在常用的测量扭转角的方法是莫尔条纹法，此法采用CCD传感器接受光斑条纹，由于受到CCD接受面积的限制只能测量±30分之间的角度变化，同时测量的距离受限，受测量地的客观因素影响较大。

因此，有必要研究出一种新的测量系统，能够克服上述缺点，得到具有较高精度的测量结果。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种二维微小扭转角的测量系统，能够克服现有测角仪器需要人工操作刻度盘、不能方便地进行实时测量等缺点。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

该二维微小扭转角测量系统，包括激光发射子系统、反射子系统、数据采集子系统和数据处理子系统；

所述激光发射子系统包括激光控制模块和激光发射装置，所述激光控制模块根据数据处理子系统发出的指令，控制激光发射装置发射激光束至反射子系统；

所述反射子系统包括涂层反射板，所述涂层反射板固定于被测点，对激光发射装置发出的激光束进行镜面反射至至数据采集子系统；

所述数据采集子系统包括半透明漫反射标靶、摄像装置和图像传输模块，所述摄像装置对透射到漫反射标靶上的光斑进行图像采集，并通过图像传输模块发送到数据处理系统；

所述数据处理子系统包括数据处理主机，所述数据处理主机接收数据采集子系统传送的图像数据，对二维扭转角进行实时测量计算，同时与激光控制模块控制连接，实现对激光发射子系统的控制。

进一步，所述激光发射子系统固定在数据采集子系统顶部；

进一步，所述激光发射子系统还包括激光角度调节机构，所述激光角度调节机构用于调整激光束方向；

进一步，所述反射子系统还包括可调支架I，所述涂层反射板设置于可调支架I的顶部，所述可调支架I上还设置有脚螺旋I和整平水泡I，用于系统整平。

进一步，所述数据采集子系统还包括可调支架II，所述半透明漫反射标靶和摄像装置均设置在可调支架的顶部，所述半透明漫反射标靶的发射光接收面朝向涂层反射板，所述半透明漫反射标靶的另一面与摄像装置的摄像镜头相对应；

进一步，所述可调支架II上还设置有整平水泡II和脚螺旋II，用于系统整平；

进一步，所述数据采集子系统的半透明漫反射标靶为半透明亚克力板；

进一步，所述摄像装置为高分辨率摄像机，所述图像传输模块与高分辨率摄像机集成为一体，数据通过USB数据线与数据处理系统进行数据传递。

本实用新型中，数据处理子系统可以控制激光发射并记录发射时间，同时可以用于记录接受图像信息的时间，以实现对激光往返距离的测量；另一方面可以实现背景图像和带激光光斑图像采集，从而可通过背景和激光图像的差分运算，并利用畸变光斑零噪声中心定位算法简单而高效地对周围环境光线造成的图像噪声信号进一步过滤，最后通过激光往返的距离与漫反射标靶上光斑的位置计算出扭转角度。

本实用新型的有益效果是：

1.实时性好，初始化后不需人工干预，系统就可以自动工作，及时反映扭转角度的变化。节省了人力、物力和财力，提高了测量的效率，可以对人工测量比较困难的地方进行测量；

2.采集精度高，激光发射在经过远距离的反射之后可以将小角度的形变显示为比较大的光斑位移量的变化，这能有效的减小用肉眼读刻度盘造成的误差，提高测量的精度，当距离为100m时可以精确到1.27秒。

3.本实用新型采用漫反射标靶采集光斑图像，可以大大提高测量范围，且可以进行远距离的实时测量；此系统可以运用到各种需要测量沿被测面纵向和横向扭转角的场合，能够对人力测量不方便的地方进行实时测量。

本实用新型的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为二维微小扭转角系统的整体示意图；

图2为激光发射子系统的结构示意图；

图3为反射子系统的结构示意图；

图4为数据采集子系统的结构示意图；

图5为数据处理子系统的结构示意图；

图6为激光束反射分析图；

图7为反射端细节分析图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本实用新型，而不是为了限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实用新型的二维微小偏转角测量系统，包括反射子系统I、激光发射子系统II、数据采集子系统III和数据处理子系统IV；

其中，所述激光发射子系统固定在数据采集子系统顶部。如图2所示，该激光发射子系统包括激光控制模块1和激光发射装置2，激光控制模块1根据数据处理子系统发出的指令，控制激光发射装置2发射激光束至反射子系统；

作为进一步的改进，激光发射子系统还包括激光角度调节机构3，通过激光角度调节机构3的角度微调螺旋的转数控制激光的入射角度，激光发射装置2的前方用高倍凸透镜使激光束高度汇聚。

如图3所示，该反射子系统包括涂层反射板4，所述涂层反射板4固定于被测点，对激光发射装置3发出的激光束进行镜面反射至至数据采集子系统；反射板直接采用涂层反射，不用平面镜以防止反复反射与折射造成的角度误差，同时也不用棱镜，避免因为当发生扭转时激光与棱镜面不垂直，进而发生折射造成的测量错误。

作为进一步的改进，反射子系统还包括可调支架I 6，所述涂层反射板4设置于可调支架I 6的顶部，可调支架I 6上还设置有脚螺旋I 5和整平水泡I 7，用于系统整平。

如图4所示，数据采集子系统包括半透明漫反射标靶8、摄像装置9和图像传输模块，所述摄像装置9对透射到漫反射标靶8上的光斑进行图像采集，并通过图像传输模块发送到数据处理系统；

作为进一步的改进，数据采集子系统还包括可调支架II 12，半透明漫反射标靶8和摄像装置9均设置在可调支架II 12的顶部，半透明漫反射标靶8的发射光接收面朝向涂层反射板4，半透明漫反射标靶8的另一面与摄像装置9的摄像镜头相对应；可调支架II 12上还设置有整平水泡II 10和脚螺旋II 11，用于系统整平。

作为进一步的改进，所述数据采集子系统的半透明漫反射标靶为半透明亚克力板，在保证激光束能够透射到标靶的另一侧形成稳定光斑的同时，可有效地过滤干扰光线。另外通过打磨使标靶表面呈漫反射特性，避免了激光束的二次汇聚反射的干扰。

如图5所示，数据处理子系统包括数据处理主机，所述数据处理主机接收数据采集子系统传送的图像数据，对二维扭转角进行实时测量计算，同时通过串口线14与激光控制模块1控制连接，实现对激光发射子系统的控制。

本实施例中，所述摄像装置为高分辨率摄像机，所述图像传输模块与高分辨率摄像机集成为一体，数据通过USB数据线13与数据处理系统进行数据传递。

本实用新型的工作过程如下：

1）按照图1方式，把反射子系统，激光发射与数据采集支架置于已经测好距离的两个点，并对二者进行整平，使它们处在同一高度；

2）根据先前已知的往返距离测出系统的延时误差T，将其输入数据处理系统用于后期计算使用；

3）测量出激光发射装置与漫反射标靶中心的距离R，并根据漫反射标靶的尺寸对图片像素点进行标定，以便后期计算使用；

4）准备工作做完后标定值与延时T就可以永久使用，然后根据测量需要按照图1放置反射子系统到待测点，放置激光发射与数据处理子系统于参考点，对二者进行整平和高度调整；

5）调整激光角度调节机构的角度微调螺旋使激光照射到漫反射标靶中心，如果不能照射到标靶中心，则再次调整两个支架的高度，使激光射到标靶中心，然后根据转数记录此时激光与反射镜的入射角θ，录入数据处理系统；

6）把各个仪器都启动，就可以实时的测量侧向与正向的扭转角度了。数据采集系统会采集光斑的图像，并将其传输到数据处理系统；

7）数据处理系统会记录激光往返的时间t，同时通过背景和激光图像的差分运算，利用畸变光斑零噪声中心定位算法计算出光斑的位移量r，根据测量参数θ、R、r、t就可以计算出扭转角度。

以下以正向扭转来分析具体的计算方法（参考图6和图7）：

设扭转角度为α，扭转后的入射角为β，那么

Figure 2011202153408100002DEST_PATH_IMAGE001

。

已知激光与漫反射标靶的夹角应为

；光斑位移量为r，根据激光往返的时间t、系统的延时误差T和光速c可计算出激光往返距离

Figure 2011202153408100002DEST_PATH_IMAGE003

。

令γ所对的边的长度为x，则根据正弦与余弦定理可以联系方程组：

…………………………………………………………(1)

Figure 2011202153408100002DEST_PATH_IMAGE005

…………………………………….(2)

解方程组可以求出β，然后根据

，就可以算出扭转角α。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims

1.二维微小偏转角测量系统，其特征在于：包括激光发射子系统、反射子系统、数据采集子系统和数据处理子系统；

所述激光发射子系统包括激光控制模块（1）和激光发射装置（2），所述激光控制模块（1）根据数据处理子系统发出的指令，控制激光发射装置（2）发射激光束至反射子系统；

所述反射子系统包括涂层反射板（4），所述涂层反射板（4）固定于被测点，对激光发射装置（3）发出的激光束进行镜面反射至至数据采集子系统；

所述数据采集子系统包括半透明漫反射标靶（8）、摄像装置（9）和图像传输模块，所述摄像装置（9）对透射到漫反射标靶（8）上的光斑进行图像采集，并通过图像传输模块发送到数据处理系统；

所述数据处理子系统包括数据处理主机，所述数据处理主机接收数据采集子系统传送的图像数据，对二维扭转角进行实时测量计算，同时与激光控制模块（1）控制连接，实现对激光发射子系统的控制。

2.根据权利要求1所述的二维微小扭转角测量系统，其特征在于：所述激光发射子系统固定在数据采集子系统顶部。

3.根据权利要求1或2所述的二维微小扭转角测量系统，其特征在于：所述激光发射子系统还包括激光角度调节机构（3），所述激光角度调节机构（3）用于调整激光束方向。

4.根据权利要求1所述的二维微小扭转角测量系统，其特征在于：所述反射子系统还包括可调支架I（6），所述涂层反射板（4）设置于可调支架I的顶部，所述可调支架I（6）上还设置有脚螺旋I（5）和整平水泡I（7），用于系统整平。

5.根据权利要求1所述的二维微小扭转角测量系统，其特征在于：所述数据采集子系统还包括可调支架II（12），所述半透明漫反射标靶（8）和摄像装置（9）均设置在可调支架的顶部，所述半透明漫反射标靶（8）的发射光接收面朝向涂层反射板（4），所述半透明漫反射标靶（8）的另一面与摄像装置（9）的摄像镜头相对应。

6.根据权利要求5所述的二维微小扭转角测量系统，其特征在于：所述可调支架II（12）上还设置有整平水泡II（10）和脚螺旋II（11），用于系统整平。

7.根据权利要求1或4或5或6所述的二维微小扭转角测量系统，其特征在于：所述数据采集子系统的半透明漫反射标靶为半透明亚克力板。

8.根据权利要求1所述的二维微小扭转角测量系统，其特征在于：所述摄像装置为高分辨率摄像机，所述图像传输模块与高分辨率摄像机集成为一体，数据通过USB数据线与数据处理系统进行数据传递。