CN215261652U - 一种隧道形变检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种隧道形变检测系统，属于隧道检测技术领域。该系统包括：圆弧形板；圆弧形板上呈弧形均匀设置有多个激光器，激光器的延长线均交于激光器围成的弧形的圆心O，且圆心O在圆弧形板的中轴线上；圆弧形板上，且在激光器两侧均设置有多个相机；每个相机的焦平面与所在安装位置的圆弧形板半径垂直。本实用新型中，可以快速准确的测试出同一隧道断面隧道壁到圆弧形板中轴线的径向距离，测试值直接反映了隧道断面的隧道轮廓值，使隧道断面形变拟合更精确，误差更小，相比于激光断面扫描仪，测试精度和效率更高。

Description

一种隧道形变检测系统

技术领域

本实用新型涉及隧道检测技术领域，特别涉及一种隧道形变检测系统。

背景技术

随着我国高速公路、高铁、地铁的迅速发展，高速公路隧道、高铁隧道及地铁隧道的病害自动化检测日益迫切，尤其是隧道形变的高速检测更迫切。

目前国内及国外对隧道形变的检测大都采用激光断面扫描仪进行检测，由于激光测距的局限性，扫描仪在静止状态下其测距精度可到毫米级，但如果扫描仪装在车辆上在运动状态下，其测距精度就会变差，运动速度越快，其测距精度越差，甚至到几个厘米的误差，无法满足工程测量需要。

实用新型内容

为了解决现有技术的问题，本实用新型提供了一种隧道形变检测系统，所述系统包括：圆弧形板；

所述圆弧形板上呈弧形均匀设置有多个激光器，所述激光器的延长线均交于所述激光器围成的弧形的圆心O，且所述圆心O在所述圆弧形板的中轴线上；

所述圆弧形板上，且在所述激光器两侧均设置有多个相机；每个所述相机的焦平面与所在安装位置的所述圆弧形板半径垂直。

进一步地，所述相机在所述圆弧形板上呈弧形均匀分布；所述相机在所述激光器围成的弧形两侧对称设置，且两侧的所述相机的个数相同。

进一步地，所述激光器为高功率激光器。

进一步地，所述相机为高速面阵相机。

进一步地，所述系统还包括：升降装置；

所述圆弧形板的底部放置在所述升降装置上。

进一步地，所述升降装置包括：第一固定板、第二固定板和液压缸；

所述第一固定板位于所述第二固定板上方，所述第一固定板和所述第二固定板之间铰接有交叉设置的支撑杆；

所述液压缸的活塞杆与所述第一固定板的底部连接，所述液压缸的进油口和回油口均与液压泵连接；

所述圆弧形板放置在所述第一固定板的顶部。

进一步地，所述系统还包括：承载车

所述升降装置放置在所述承载车上。

进一步地，所述系统还包括：光电编码器和同步触发器；

所述光电编码器设置在所述承载车的车轴上，所述同步触发器放置在所述承载车上；

所述光电编码器、所述液压泵、所述激光器和所述相机均与所述同步触发器电联接。

本实用新型提供的技术方案带来的有益效果是：本实用新型中，在圆弧形板上呈弧形均匀设置有多个激光器，在激光器两侧呈弧形均匀设置有多个相机，在确保激光点云图像清楚，相机视差测量精度的条件下，在每小时几十公里的速度下，可以快速准确的测试出同一隧道断面隧道壁到圆弧形板中轴线的径向距离，测试值直接反映了隧道断面的隧道轮廓值，使隧道断面形变拟合更精确，误差更小，相比于激光断面扫描仪，测试精度和效率更高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型提供的一种隧道形变检测系统的结构示意图；

图2是本实用新型提供的一种隧道壁横断面上形成的激光点云图；

图3是本实用新型提供的一种双目测距原理图；

图4是本实用新型提供的一种隧道形变检测的原理图。

附图标记：1-圆弧形板；2-激光器；3-相机；4-第一固定板；5-第二固定板；6-液压缸；7-支撑杆；8-液压泵；9-承载车；10-光电编码器；11-同步触发器；12-焦平面。

具体实施方式

为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实用新型实施方式作进一步地详细描述。

参见图1，一种隧道形变检测系统，该系统包括：圆弧形板1、升降装置、承载车、光电编码器10和同步触发器11；圆弧形板1的形状可以与隧道的形状相同，圆弧形板1上呈弧形均匀设置有多个激光器2，激光器2的延长线均交于激光器2围成的弧形的圆心O，且圆心O在圆弧形板1的中轴线上，激光器2为高功率激光器，从而可以在隧道壁横断面上打标形成的高亮度的激光点云；圆弧形板1上，且在激光器2两侧均呈弧形均匀分布设置有多个相机3，相机3为高速面阵相机，在激光器2围成的弧形两侧对称设置，且两侧的相机3的个数相同，相机3沿隧道纵向安装，并使视场覆盖整个隧道断面，每个相机3的焦平面与所在安装位置的圆弧形板1的半径垂直。

升降装置包括：第一固定板4、第二固定板5和液压缸6；第一固定板4位于第二固定板5上方，第一固定板4和第二固定板5之间铰接有交叉设置的支撑杆7，交叉设置的支撑杆7可以为两组，分别在第一固定板4和第二固定板5的左、右侧壁铰接，液压缸6的活塞杆与第一固定板4的底部连接，液压缸6的进油口和回油口均与液压泵8连接；圆弧形板1放置在第一固定板4的顶部；升降装置放置在承载车9上；光电编码器10设置在承载车9的车轴上，同步触发器11放置在承载车9上；光电编码器10、液压泵8、激光器2和相机3均与同步触发器11电联接。

本实用新型的一种隧道形变检测系统实现隧道形变检测的方法可以为：将升降装置放置在承载车9上，将圆弧形板1放置在升降装置上，承载车9启动进入隧道，光电编码器10检测到承载车9启动，光电编码器10发送工作信号至同步触发器11，同步触发器11接收到工作信号后同时控制所有的激光器2和相机3启动，两侧相对称的每两个相机3对应中间的若干个激光器2，所有激光器2发射激光，在隧道壁横断面上形成激光点云，两侧的相机3通过双目测距原理测量出激光点云中所有激光点P距相对应的相机3焦平面的垂直距离Z，根据安装位置确定每个相机3的焦平面与圆心O之间的垂线R的长度H，以及确定圆心O与所有激光点P的连线与垂线R之间的夹角θ；通过公式OP＝H/COSθ+Z/COSθ计算出圆心O到每个激光点P之间的距离OP，测量出激光点云中每一激光点P到圆心O的距离后得到隧道轮廓值，从而判断隧道是否发生形变。在具体使用时，首先要通过上述方法对隧道轮廓进行粗测，根据测试的激光点云距圆心O的距离调整升降装置，启动液压泵8，使得液压缸6的活塞杆伸长，将第一固定板4顶起，从而将圆弧形板1进行升高，使圆心O与隧道中轴线拟合；完成拟合后，检测系统通过上述方法开始正常的隧道形变测试工作，测试完成后，升降装置降到最低，使设备体积最小，重心最低，运输方便。

需要说明的是，图3是本实用新型提供的一种双目测距原理图，参见图3，假设左相机和右相机完全相同，且光心线平行。根据小孔成像及相似三角形原理可算出空间任一点P的X、Y、Z坐标值。在本实用新型中，只需要P点的Z值，Z＝fb/(X_L-X_R)，其中f为焦距；b为两相机光心的距离，称为基线；X_L为左相机在成相面的X方向的值，X_R为右相机在成相面的X方向的值，(X_L-X_R)称为视差，图像面实际是CCD组成的感光面，每个CCD都有一定的尺寸，其由成百万以上的像素组成，每个像素大小只有几个微米，这样，在左、右相机的成像面识别出P点在图像面的成像位置，就可算出视差(X_L-X_R)值，双目测距技术可使Z值在几米内的测量精度达到零点几毫米量级。

另外，图4是本实用新型提供的一种隧道形变检测的原理图，参见图4，根据几何关系，OP＝H/COSθ+Z/COSθ，H、θ均与相机及激光点云器安装结构有关，安装结构确定后，H、θ值可确定，H为圆心O到相机3的焦平面的垂直距离，θ为圆心O到相机3的焦平面的垂线R与圆心O与激光点P的连线的夹角，由Z＝fb/(X_L-X_R)和OP＝H/COSθ+Z/COSθ可知，f、b、H、θ均与安装结构有关，其精度只影响OP测量的绝对精度，OP测量的相对精度只取决于视差(X_L-X_R)。隧道断面形变的测量主要关心隧道断面形变的相对变化，也就是第一次测量的隧道轮廓和过一段时间测量的相同位置的隧道轮廓的变化，本实用新型正好满足隧道形变的测量，因X_L和X_R是P点在左右相机CCD上X方向的值，其最小组成个体为一个像素，目前数字相机的像素大小可做到3um左右，X_L和X_R的测量精度可以精确到亚像素级，所以，视差(X_L-X_R)的精度可以小于3um。假设Z＝2m、f＝36mm、b＝200mm，由Z＝fb/(X_L-X_R)得(X_L-X_R)＝3.6mm，假设数字相机的像素大小为3um，则其视差精度(X_L-X_R)可小于±1.5um，则对Z＝2m的测量值由Z＝fb/(X_L-X_R)得Z＝2000±0.83mm，也就是说2m远的测距相对精度可达±0.83mm。

值得说明的是，激光断面仪实际上是一个高速旋转的激光脉冲测距仪，若将其搭载在运动的承载车上，激光断面仪形成的测试点云是螺旋状的，其测量的距离并不在同一个隧道断面上，不能直接反映同一个隧道断面的隧道轮廓距断面仪的径向距离，且其测距原理是测量发射的激光脉冲与返回的激光脉冲的相位差来求得距离，所以承载车运动速度越快，拟合的隧道断面尺寸误差越大，甚至丢失测量点，所以若要保证毫米级测量精度，承载车运动速度只有每小时几公里。

本实用新型测试的OP值就是同一隧道断面隧道壁到圆心O的径向距离，测试值直接反映了隧道断面的隧道轮廓值，使隧道断面形变拟合更精确，误差更小。由于使用了高功率激光器和高速相机，在确保激光点云图像清楚，相机视差测量精度的条件下，承载车速度可达到每小时几十公里，与激光断面仪比较，本实用新型在隧道断面形变测试及地铁隧道管片翘变和设备限界等检测应用中，其测试方法科学、测试精度高、测试效率高。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种隧道形变检测系统，其特征在于，所述系统包括：圆弧形板(1)；

所述圆弧形板(1)上呈弧形均匀设置有多个激光器(2)，所述激光器(2)的延长线均交于所述激光器(2)围成的弧形的圆心O，且所述圆心O在所述圆弧形板(1)的中轴线上；

所述圆弧形板(1)上，且在所述激光器(2)两侧均设置有多个相机(3)；每个所述相机(3)的焦平面与所在安装位置的所述圆弧形板(1)半径垂直。

2.根据权利要求1所述的一种隧道形变检测系统，其特征在于，所述相机(3)在所述圆弧形板(1)上呈弧形均匀分布；所述相机(3)在所述激光器(2)围成的弧形两侧对称设置，且两侧的所述相机(3)的个数相同。

3.根据权利要求2所述的一种隧道形变检测系统，其特征在于，所述激光器(2)为高功率激光器。

4.根据权利要求3所述的一种隧道形变检测系统，其特征在于，所述相机(3)为高速面阵相机。

5.根据权利要求1所述的一种隧道形变检测系统，其特征在于，所述系统还包括：升降装置；

所述圆弧形板(1)的底部放置在所述升降装置上。

6.根据权利要求5所述的一种隧道形变检测系统，其特征在于，所述升降装置包括：第一固定板(4)、第二固定板(5)和液压缸(6)；

所述第一固定板(4)位于所述第二固定板(5)上方，所述第一固定板(4)和所述第二固定板(5)之间铰接有交叉设置的支撑杆(7)；

所述液压缸(6)的活塞杆与所述第一固定板(4)的底部连接，所述液压缸(6)的进油口和回油口均与液压泵(8)连接；

所述圆弧形板(1)放置在所述第一固定板(4)的顶部。

7.根据权利要求6所述的一种隧道形变检测系统，其特征在于，所述系统还包括：承载车

所述升降装置放置在所述承载车(9)上。

8.根据权利要求7所述的一种隧道形变检测系统，其特征在于，所述系统还包括：光电编码器(10)和同步触发器(11)；

所述光电编码器(10)设置在所述承载车(9)的车轴上，所述同步触发器(11)放置在所述承载车(9)上；

所述光电编码器(10)、所述激光器(2)和所述相机(3)均与所述同步触发器(11)电联接。

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