CN205785191U - 一种隧道横断面轮廓缺陷检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种隧道横断面轮廓缺陷检测装置，包括：检测车；增量式旋转编码器，其安装于检测车的左后轮上；三组断面图像采集机构，三组断面图像采集机构分别设置于检测车的顶部、左侧和右侧，包括线激光传感器和CCD面阵相机，线激光传感器、CCD面阵相机的输入端与增量式旋转编码器的脉冲输出端连接，CCD面阵相机的镜头上设置有滤光镜。本实用新型相较于现有技术，通过分析光线形状的变形可以得到隧道横断面轮廓的状况，采用非接触式检测，无需人工干预，效率高，检测精度高，三组断面图像采集机构，可以对隧道端面进行高效精确检测。

Description

一种隧道横断面轮廓缺陷检测装置

技术领域

本实用新型属于隧道横断面测量技术领域，具体涉及一种隧道横断面轮廓缺陷检测装置。

背景技术

近年来，随着改革开放的逐步深入，我国的隧道建设事业有了长足地发展，与之相关的检测需求接踵而来，隧道横断面轮廓检测与缺陷定位技术在隧道检测上的应用变得越来越普遍。通常隧道质量检测包括：结构侵蚀检测、结构变形检测、结构内力检测和环境情况检测。其中，结构变形检测尤为重要，隧道内壁在长期运营过程中由于受振动荷载和温湿度等影响会发生整体沉降和局部断面形变，给隧道内车辆的正常行驶和安全带来了极大的隐患。传统的隧道横断面轮廓检测主要依靠手工测量，这种方法速度慢、误差大、安全系数低、受主观因素影响大，已不能满足现代化隧道质量检测的标准。

对于隧道横断面的轮廓检测，目前已经有多种方法，包括经纬仪交会法、极坐标法、点激光测距法等。其中，经纬仪交会法和极坐标法属于人工测量，需要进行交通管制，严重影响了正常交通秩序，且效率低下，耗时长，精度和效率较低；点激光测距法需要的点激光传感器很多，需要以隧道设计轴线为基准，成本非常高。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种隧道横断面轮廓缺陷检测装置。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

本实用新型提供一种隧道横断面轮廓缺陷检测装置，包括：

检测车；

增量式旋转编码器，其安装于检测车的左后轮上且与左后轮同步转动，用于测量检测车的位移；

三组断面图像采集机构，三组断面图像采集机构分别设置于检测车的顶部、左侧和右侧且位于检测车的同一横断面上，位于检测车顶部的断面图像采集机构设置于检测车的横向中心位置，每组断面图像采集机构均包括线激光传感器和CCD面阵相机，线激光传感器、CCD面阵相机的输入端与增量式旋转编码器的脉冲输出端连接，CCD面阵相机的镜头上设置有用于识别线激光传感器与隧道内壁相交形成的红色光线的滤光镜。

本实用新型相较于现有技术，通过分析光线与隧道横断面相交所形成的线条形状来分析隧道横断面轮廓状况，在竖直方向上，当隧道横断面轮廓正常时，线条呈直线；当隧道横断面轮廓不正常时，由于端面凹凸不平导致光线线条变为曲线，这些曲线的形状反映了隧道横断面轮廓的状况，通过分析光线形状的变形可以得到隧道横断面轮廓的状况，采用非接触式检测，无需人工干预，效率高，检测精度高，三组断面图像采集机构，可以对隧道端面进行高效精确检测。

在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：

作为优选的方案，上述的滤光镜的入光端为若干椎体结构，滤光镜的出光端为外凸的弧形结构。

采用上述优选的方案，滤光镜的入光端为若干椎体结构，可以提高入光端的光强度，从而提高CCD面阵相机的成像质量。

作为优选的方案，还设置有惯性导航系统，其安装于检测车的顶部，用于为检测车提供导航和定位。

采用上述优选的方案，增加惯性导航系统，可以对检测车的里程进行校正，也可以对隧道横断面缺陷进行定位。

作为优选的方案，上述的线激光传感器和CCD面阵相机的采集频率相同。

采用上述优选的方案，线激光传感器和CCD面阵相机的采集频率相同，保证隧道横断面检测的准确性。

作为优选的方案，还设置有标定机构，包括底座、第一安装架、第二安装架和标定板，底座上设置有导轨，第一安装架和第二安装架滑动设置于导轨上，线激光传感器设置于第一安装架的顶部，CCD面阵相机设置于第一安装架的底部，标定板转动且沿竖直方向滑动设置于第二安装架上。

采用上述优选的方案，增加标定机构，可以得出空间点和像素点之间的坐标系转换关系，从而对断面图像采集机构采集的数字图像以像素为单位，将像素点的坐标转换为检测点的实际空间坐标。

作为优选的方案，还设置有传感器保护装置，包括透明外壳和密封盖，透明外壳内设置有腔体，腔体顶部一侧设置有用于容纳线激光传感器的传感器容纳腔，腔体顶部的另一侧设置有用于容纳吸附盒的吸附容纳腔，密封盖铰接于透明外壳的底部，吸附盒的底部还设置有伸缩机构，腔体的侧壁上且位于吸附盒的下方还设置有用于限定吸附盒的定位件。

采用上述优选的方案，增加传感器保护装置，伸缩机构伸长可打开密封盖，便于线激光传感器工作，伸缩机构收缩后关闭密封盖，使得线激光传感器与外部空间隔离开，使得传感器处于近乎无水无氧无有机溶剂的气氛中，保证了传感器的精度，也大大延长了传感器的使用寿命。

作为优选的方案，吸附盒与腔体顶部之间还连接设置有弹簧圈。

采用上述优选的方案，吸附盒与腔体顶部之间通过弹簧圈连接，一方面将吸附盒连接于腔体顶部，另一方面避免伸缩机构伸长时吸附盒与腔体之间硬性碰撞。

附图说明

图1为本实用新型一种实施方式的结构示意图。

图2为本实用新型另一种实施方式传感器保护装置的结构示意图。

其中，1.检测车，2.增量式旋转编码器，3.惯性导航装置，4.CCD面阵相机，5.线激光传感器，6.透明外壳，7.密封盖，8.吸附盒，9.伸缩机构。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施方式。

为了达到本实用新型的目的，如图1所示，在本实用新型的其中一种实施方式中提供一种隧道横断面轮廓缺陷检测装置，包括：

检测车1；

增量式旋转编码器2，其安装于检测车1的左后轮上且与左后轮同步转动，用于测量检测车1的位移；

三组断面图像采集机构，三组断面图像采集机构分别设置于检测车1的顶部、左侧和右侧且位于检测车1的同一横断面上，位于检测车1顶部的断面图像采集机构设置于检测车1的横向中心位置，每组断面图像采集机构均包括线激光传感器5和CCD面阵相机4，线激光传感器5、CCD面阵相机4的输入端与增量式旋转编码器2的脉冲输出端连接，CCD面阵相机4的镜头上设置有用于识别线激光传感器5与隧道内壁相交形成的红色光线的滤光镜。

本实施方式相较于现有技术，通过分析光线与隧道横断面相交所形成的线条形状来分析隧道横断面轮廓状况，在竖直方向上，当隧道横断面轮廓正常时，线条呈直线；当隧道横断面轮廓不正常时，由于端面凹凸不平导致光线线条变为曲线，这些曲线的形状反映了隧道横断面轮廓的状况，通过分析光线形状的变形可以得到隧道横断面轮廓的状况，采用非接触式检测，无需人工干预，效率高，检测精度高，三组断面图像采集机构，可以对隧道端面进行高效精确检测。

为了进一步地优化本实用新型的实施效果，在本实用新型的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，上述的滤光镜的入光端为若干椎体结构，滤光镜的出光端为外凸的弧形结构。

采用上述优选的方案，滤光镜的入光端为若干椎体结构，可以提高入光端的光强度，从而提高CCD面阵相机的成像质量。

为了进一步地优化本实用新型的实施效果，在本实用新型的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，还设置有惯性导航系统3，其安装于检测车1的顶部，用于为检测车1提供导航和定位。

采用上述优选的方案，增加惯性导航系统3，可以对检测车1的里程进行校正，也可以对隧道横断面缺陷进行定位。

为了进一步地优化本实用新型的实施效果，在本实用新型的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，上述的线激光传感器5和CCD面阵相机4的采集频率相同。

采用上述优选的方案，线激光传感器5和CCD面阵相机4的采集频率相同，保证隧道横断面检测的准确性。

为了进一步地优化本实用新型的实施效果，在本实用新型的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，还设置有标定机构，包括底座、第一安装架、第二安装架和标定板，底座上设置有导轨，第一安装架和第二安装架滑动设置于导轨上，线激光传感器设置于第一安装架的顶部，CCD面阵相机设置于第一安装架的底部，标定板转动且沿竖直方向滑动设置于第二安装架上。

在标定时，将标定板放置CCD面阵相机上方3m处进行拍摄，拍摄过程中保持相机位置不变，激光线与标定板交汇成一条直线，并得到图像信息；然后，将标定板在3m的基础上再竖直向上移动2cm进行拍摄，依此类推。将标定板竖直放置，CCD面阵相机与线激光传感器安放在其前方3m处进行拍摄，得到图像信息；然后，将标定板水平向后移动2cm进行拍摄，依此类推。

在两次操作中，激光线与标定板交汇成的直线横纵交错，在同一平面内，形成了网状结构，交错点与像素点存在着一定的对应关系。当网状结构很密集时，可以认为每个点的坐标都是可求的。设隧道横断面轮廓上任意一点Q的坐标为(X_Q，Y_Q)，像素点Q的坐标为(x_Q，y_Q)。取网格中的十四个点，其真实坐标为(X_A，Y_A)、(X_B，Y_B)……(X_U，Y_U)、(X_V，Y_V)，CCD面阵相机拍摄到的十四个像素点的坐标为(x_A，y_A)、(x_B，y_B)……(x_U，y_U)、(x_V，y_V)。

设CCD面阵相机投影中心的坐标为(X_p，Y_p)，隧道横断面轮廓上任意一点Q的坐标为(X_Q，Y_Q)，将轮廓点的实际坐标系平移到相机投影中心后得到物空间辅助坐标系R-XY，Q在R-XY中的坐标是(X，Y)，它们之间的关系如下：

${\left[\begin{array}{c}{X}_Q-X_p\\ Y_Q-Y_p\end{array}\right]}_{=\mathrm{\μ}}\left[\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right]---\left(1\right)$

两个坐标系之间的比例为μ。

像素点Q的坐标为(x，y)，像平间坐标系与坐标系R-XY之间的关系如下：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]=\mathrm{\ψ}\left[\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\ψ}}_{11}& {\mathrm{\ψ}}_{12}\\ {\mathrm{\ψ}}_{21}& {\mathrm{\ψ}}_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}X\\ Y\end{array}\right]---\left(2\right)$

式中，ψ为像平间坐标相对于坐标系R-XY的方向余弦矩阵。

将式(1)代入式(2)得：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]=\frac{1}{\mathrm{\μ}}\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\ψ}}_{11}& {\mathrm{\ψ}}_{12}\\ {\mathrm{\ψ}}_{21}& {\mathrm{\ψ}}_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_Q-X_p\\ Y_Q-Y_p\end{array}\right]---\left(3\right)$

将式(3)展开得：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{1}{\mathrm{\μ}}\[{\mathrm{\ψ}}_{11}(X_Q-X_S)+{\mathrm{\ψ}}_{12}(Y_Q-Y_S)\]\\ y=\frac{1}{\mathrm{\μ}}\[{\mathrm{\ψ}}_{21}(X_Q-X_S)+{\mathrm{\ψ}}_{22}(Y_Q-Y_S)\]\end{array}\right.---\left(4\right)$

式(4)中的μ、ψ₁₁、ψ₁₂、ψ₂₁和ψ₂₂未知，将十四个点的坐标代入式(4)中，对未知数进行优化修正，即可得到空间Q点与像素点Q之间的坐标系转换关系。

采用上述优选的方案，增加标定机构，可以得出空间点和像素点之间的坐标系转换关系，从而对断面图像采集机构采集的数字图像以像素为单位，将像素点的坐标转换为检测点的实际空间坐标。

为了进一步地优化本实用新型的实施效果，在本实用新型的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，还设置有传感器保护装置，包括透明外壳6和密封盖7，透明外壳6内设置有腔体，腔体顶部一侧设置有用于容纳线激光传感器5的传感器容纳腔，腔体顶部的另一侧设置有用于容纳吸附盒8的吸附容纳腔，密封盖7铰接于透明外壳6的底部，吸附盒8的底部还设置有伸缩机构9，腔体的侧壁上且位于吸附盒8的下方还设置有用于限定吸附盒8的定位件(图中未示出)，吸附盒8内填充有吸附水、氧气、有机溶剂的材料。

采用上述优选的方案，增加传感器保护装置，伸缩机构伸长可打开密封盖，便于线激光传感器工作，伸缩机构收缩后关闭密封盖，使得线激光传感器与外部空间隔离开，使得传感器处于近乎无水无氧无有机溶剂的气氛中，保证了传感器的精度，也大大延长了传感器的使用寿命。

为了进一步地优化本实用新型的实施效果，在本实用新型的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，吸附盒8与腔体顶部之间还连接设置有弹簧圈。

采用上述优选的方案，吸附盒8与腔体顶部之间通过弹簧圈连接，一方面将吸附盒8连接于腔体顶部，另一方面避免伸缩机构伸长时吸附盒与腔体之间硬性碰撞。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种隧道横断面轮廓缺陷检测装置，其特征在于，包括：

检测车；

增量式旋转编码器，其安装于所述检测车的左后轮上且与所述左后轮同步转动，用于测量检测车的位移；

三组断面图像采集机构，三组断面图像采集机构分别设置于所述检测车的顶部、左侧和右侧且位于检测车的同一横断面上，位于检测车顶部的断面图像采集机构设置于所述检测车的横向中心位置，每组断面图像采集机构均包括线激光传感器和CCD面阵相机，所述线激光传感器、CCD面阵相机的输入端与所述增量式旋转编码器的脉冲输出端连接，所述CCD面阵相机的镜头上设置有用于识别线激光传感器与隧道内壁相交形成的红色光线的滤光镜。

2.根据权利要求1所述的隧道横断面轮廓缺陷检测装置，其特征在于，所述滤光镜的入光端为若干椎体结构，所述滤光镜的出光端为外凸的弧形结构。

3.根据权利要求1所述的隧道横断面轮廓缺陷检测装置，其特征在于，还设置有惯性导航系统，其安装于所述检测车的顶部，用于为检测车提供导航和定位。

4.根据权利要求1所述的隧道横断面轮廓缺陷检测装置，其特征在于，所述线激光传感器和CCD面阵相机的采集频率相同。

5.根据权利要求1所述的隧道横断面轮廓缺陷检测装置，其特征在于，还设置有标定机构，包括底座、第一安装架、第二安装架和标定板，所述底座上设置有导轨，所述第一安装架和第二安装架滑动设置于所述导轨上，所述线激光传感器设置于所述第一安装架的顶部，所述CCD面阵相机设置于所述第一安装架的底部，所述标定板转动且沿竖直方向滑动设置于所述第二安装架上。

6.根据权利要求1所述的隧道横断面轮廓缺陷检测装置，其特征在于，还设置有传感器保护装置，包括透明外壳和密封盖，所述透明外壳内设置有腔体，所述腔体顶部一侧设置有用于容纳所述线激光传感器的传感器容纳腔，所述腔体顶部的另一侧设置有用于容纳吸附盒的吸附容纳腔，所述密封盖铰接于所述透明外壳的底部，所述吸附盒的底部还设置有伸缩机构，所述腔体的侧壁上且位于所述吸附盒的下方还设置有用于限定吸附盒的定位件。

7.根据权利要求6所述的隧道横断面轮廓缺陷检测装置，其特征在于，所述吸附盒与所述腔体顶部之间还连接设置有弹簧圈。