CN209432081U - 一种基于图像分析的光斑位置检测传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于图像分析的光斑位置检测传感器，其解决了现有光斑测量方法测量精度较低和误差较大的技术问题，其包括壳体，壳体内部侧壁设有滑道，滑道上设有滑块，滑块上设有摄像头，摄像头朝向壳体前端设置，摄像头后端设有接圈，通过接圈和滑块调节摄像头成像的大小以及清晰度，壳体前端侧板设置开口，壳体内部开口处设置光屏，本实用新型可广泛应用于土木工程测量领域。

Description

一种基于图像分析的光斑位置检测传感器

技术领域

本实用新型涉及土木工程测量领域，尤其是涉及一种基于图像分析的光斑位置检测传感器。

背景技术

对于土木工程领域，挠度和准直的测量和标定是分析建筑结构可靠性的重要方法，因此对于建筑可靠性的实验分析具有重要意义；现有的测量方法中，较为优选的是利用激光光斑测量的技术，它在一定程度上解决了操作繁琐、体积过大的问题，但是仍有如下不足：

(1)由于其利用光电探测器接收光信号来测量挠度，所以接收板较大，容易影响交通，因此接收端只能放在固定位置，如桥头；然而桥梁受力弯曲时，光源端除了竖直方向上的位移还会产生偏角，无法保证光路水平，因此产生较大误差。

(2)虽然光源端进行了如波带片法、位相板法等一些处理，但是由于光路容易发散、探测器灵敏度不均匀等原因，导致精确度仍然不高。

因此，设计一种轻便快捷，数据准确的测量方法十分必要。

发明内容

本实用新型就是针对现有光斑测量方法测量精度较低和误差较大的技术问题，提供一种测量精度和准确度较高的基于图像分析的光斑位置检测传感器。

为此，本实用新型包括壳体，壳体内部侧壁设有滑道，滑道上设有滑块，滑块上设有摄像头，摄像头朝向壳体前端设置，摄像头后端设有接圈，通过接圈和滑块调节摄像头成像的大小，壳体前端侧板设置开口，壳体内部开口处设置光屏。

优选的，壳体为密封的四棱柱形外壳，包括底板、盖板和四块侧板。

优选的，壳体的底板开设有线孔。

优选的，壳体底端设有支撑垫脚。

优选的，支撑垫脚设置为三个，其中两个支撑垫脚对称设置于壳体底板的前端，另一个支撑垫脚固定在壳体底板的后端，支撑垫脚高度可调节。

优选的，滑块的活动范围设置为100mm，滑块通过螺栓固定在滑道上。

优选的，光屏采用均匀半透明膜制防水结构。

优选的，光屏上标有辅助线用于量程校正。

本实用新型利用图像处理技术替代了传统激光准直的光电信号探测技术，将大型光电传感器换为小型均匀膜制光屏，减小了接收端的体积，可以直接把接收端放在待测部位，避免了偏角对激光光路影响而产生的误差；利用均匀的膜作为光屏，避免了探测器灵敏度不均匀带来的精确度问题；将传统方法中的光电信号替换为图像信息，通过测量图像中光斑的中心像素点位置的变化来替代光电信号的波动，避免了光路发散的问题，并大大提高了精确度。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的爆炸示意图；

图3为本实用新型测量过程示意图。

图中符号说明：

1.底板；2.盖板；3.侧板；4.滑道；5.滑块；6.摄像头；7.接圈；8.开口；9.光屏；10.支撑垫脚；11.发射端；12.接收端；13.桥体；14.壳体。

具体实施方式

下面参照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

如图1和图2所示，本实用新型包括壳体14，壳体14为密封的四棱柱形外壳，壳体14采用吸光、防水材料，可适用于多种天气环境，包括底板1、盖板2和四块侧板3，其中左右侧板的规格为310mm×84mm，前后侧板的规格为84mm×72mm，底板1和盖板2的规格为310mm×72mm，壳体14可有效对内置用于测量的装置进行保护，壳体板材均经黑化处理，确保为内部测量装置提供黑暗环境。

壳体14中其中一个侧板3的内壁设有滑道4，滑道4上设有滑块5，滑块5可相对滑道4移动，滑块5相对于滑道4的活动范围设置为100mm，当滑块5移动到合适位置时，通过螺丝固定在滑道4上；滑块5上设有摄像头6，摄像头6中镜头朝向壳体前端设置，摄像头6后端设有接圈7，通过改变接圈7的尺寸可以改变摄像头6中镜头的放大倍率，从而调节摄像头6成像的大小。

壳体14前端侧板3设置开口8，壳体14内部开口8处设置光屏9，利用侧板3夹持光屏9，光屏9和壳体14形成密闭空间，可有效减少外界杂散光的进入，光屏9上标有辅助线用于量程校正，光屏9采用均匀半透明膜制防水结构，可以使激光光源在光屏9上形成均匀的光斑，避免光源直射镜头、产生光晕造成误差；根据光斑在光屏9上的大小和运动情况可对摄像头6捕捉的画面范围进行调整，通过增加接圈7和调整摄像头6在轨道上的位置得到最佳清晰度的图像，并对其进行实时捕捉和分析，将光斑中心点描述成像素点，则该传感器的精确度即是对应的像素点根据比例在光屏9上所占的实际尺寸；通过测得光斑所形成的像素点位移波动情况，利用工程计算转换成需要测算的参数及其动态变化。

壳体14底端设有支撑垫脚10，支撑垫脚10设置为三个，其中两个支撑垫脚10对称设置于壳体底板1的前端，另一个支撑垫脚10固定在壳体底板1的后端，支撑垫脚10为螺旋支脚，其高度可调节，支撑垫脚10所构成的重心与整个接收端重心相吻合，用于支撑壳体结构并使其保持平稳。

优选的，壳体14的底板1开设有线孔(图中未示出)，摄像头6连接的数据线或电源线均可通过该线孔引出，摄像头6通过数据线外接显示器，对摄像头6中的成像进行显示。

测量时，本方案中壳体14及其内部测量元件做为接收端12，发射端11包括基座和设于基座上的激光光源，应用基座支撑激光光源，可通过改变激光光源相对于水平面的倾斜角度来调整光路，激光光源发出高亮度、强穿透的光，能在接收端光屏9上形成轮廓清晰的光斑，接收端中摄像头6对光屏9上的呈像进行实时捕捉，由于光屏9均匀的膜制结构，使激光在光屏9上产生均匀的实体光斑，避免了激光直接照射在摄像头6上产生光晕所带来的误差。

在进行量程校验时，由于不同的测量具有不同的测量所需量程和精度，因此在测量前需要选择符合测量的量程和精度；通过改变摄像头6后端接圈7的尺寸和滑块5的位置来调节摄像头6中镜头放大倍率，通过移动滑块5与光屏9间的相对距离以调节物距，结合光屏9上的辅助线对成像系统进行校正，校正完毕后，用螺栓锁定滑块5与滑道4的相对位置。

在实施测量时，如图3所示，以测量桥体13为例，将发射端11置于桥体13的一端，将接收端12置于待测位置，调整发射端11产生光路的角度和发射端11与接收端12之间的相对距离，激光光源入射到接收端光屏9中央，光屏9上形成的光斑能够被壳体结构密闭空间内的摄像头6实时捕捉并在显示器中显示，经过对图像进行处理和分析，光斑的中心点描述成像素点；当测量结构产生形变时，发射端11和接收端12的相对位置发生移动，此时，在显示器中，由光屏上光斑分析处理而生成的像素点产生位移，所测像素点的位移值等于待测结构形变产生的垂直于轴线方向的线位移，该值即可用于直接测算所需参数(如挠度、准直等)，进而实时反映所需参数值的动态变化。

设置接收端壳体的规格为310mm×84mm×72mm，接收端内摄像头6中镜头规格为35mm，摄像头6后端接圈7规格为10mm，显示器分辨率为2048*1536；移动接收端内滑块5并使摄像头6对焦，测出摄像头6在此镜头和接圈7规格下成像清晰时所能容纳的最大视野面积和最小视野面积，其视野面积对应的垂直水平面的高度即为此时接收端的最大和最小量程，显示器图像内每个像素点对应的mm值即为此时接收端12的精度，具体数据见表1。

表1显示器中测量结果统计

接收端最大量程±17.5mm，最小量程为±8.6mm；当测量挠度以±10mm为量程时，即可采用上述规格为优选规格；当量程为±10mm时，所需垂直水平面的高度为20mm，此时显示器中图像所对应光屏上的视野面积为26.7*20.0mm，测量精度达到0.01mm，滑块前端距离光屏17.80cm。

本方案使用接圈7调焦、滑块5调距、镜头调焦以及软件微调等方式对图像进行量程、精确度以及清晰度的处理，因此具有较大的量程和较高的精确度；以挠度测量为实例，当利用35mm的镜头时，该传感器的最大测量量程为±20mm；并根据实验测算，测量量程为±10mm时，精确度可达到0.01mm，效果远优于传统测量方法。

可适用于多种范围，接圈7厚度分别为0.5、1、2、5、10、15、20mm，滑块可调整距离为100mm；当利用35mm镜头时，可适用的最大量程为±20mm，远大于通常桥梁的挠度范围。

接收端12体积较小，不会产生偏转误差；接收端规格为310×84×72mm，远远小于传统土木工程测量领域所用的激光准直仪，位置灵敏度探测器等仪器；由于体积较小，便于携带和放置，因此可以将光源放在桥头，接收端12放在交通压力大的待测结构上长期测量动挠度而不阻碍交通，因此避免了偏角带来的偏转误差。

惟以上所述者，仅为本实用新型的具体实施例而已，当不能以此限定本实用新型实施的范围，故其等同组件的置换，或依本实用新型专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本实用新型权利要求书涵盖之范畴。

Claims (8)

1.一种基于图像分析的光斑位置检测传感器，其包括壳体，其特征在于，所述壳体内部侧壁设有滑道，所述滑道上设有滑块，所述滑块上设有摄像头，所述摄像头朝向所述壳体前端设置，所述摄像头后端设有接圈，通过所述接圈和所述滑块调节所述摄像头成像的大小，所述壳体前端侧板设置开口，所述壳体内部开口处设置光屏。

2.根据权利要求1所述的基于图像分析的光斑位置检测传感器，其特征在于所述壳体为四棱柱形外壳，包括底板、盖板和四块侧板。

3.根据权利要求2所述的基于图像分析的光斑位置检测传感器，其特征在于所述壳体的底板开设有线孔。

4.根据权利要求1所述的基于图像分析的光斑位置检测传感器，其特征在于所述壳体底端设有支撑垫脚。

5.根据权利要求4所述的基于图像分析的光斑位置检测传感器，其特征在于所述支撑垫脚设置为三个，其中两个支撑垫脚对称设置于壳体底板的前端，另一个支撑垫脚固定在壳体底板的后端，支撑垫脚高度可调节。

6.根据权利要求1所述的基于图像分析的光斑位置检测传感器，其特征在于所述滑块的活动范围设置为100mm，所述滑块通过螺栓固定在所述滑道上。

7.根据权利要求1所述的基于图像分析的光斑位置检测传感器，其特征在于所述光屏采用均匀半透明膜制防水结构。

8.根据权利要求1所述的基于图像分析的光斑位置检测传感器，其特征在于所述光屏上标有辅助线用于量程校正。