CN216815349U - 基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置，包括数据处理单元、测量靶标、基准靶标、与基准靶标对应的基准图像位移传感器和若干只传递靶标，以及与传递靶标对应的测量图像位移传感器；所述的基准靶标和基准图像位移传感器设置在结构体外部，若干只传递靶标和与测量图像位移传感器沿结构体的纵深方向级联设置在结构体上；基准图像位移传感器正对基准靶标和一只传递靶标设置，测量图像位移传感器正对两只传递靶标或者测量靶标、一只传递靶标设置；本实用新型通过传递靶标实现了基准靶标向测量靶标的传递，实现了大型结构体位移和形变的绝对测量，并确保具有较高的测量分辨率和测量区域范围。

Description

基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置

技术领域

本实用新型属于力学测量技术领域，涉及一种用于大型结构体位移形变测量装置，特别是一种基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置。

背景技术

目前，隧道安全监测领域的检测方法主要有基于应力的检测和基于位移的检测。基于位移的监测方法是利用不安全现象必然导致被监测物理表面发生变化的原理。目前这方面主要的监测方法有人工观测法、GNSS监测法等。人工观测法效率较低，主观性强、误差大、监测危险性大，难以达到预期的监测目的。GNSS监测法受制于卫星定位技术的限制，监测精度低，隧道内无卫星信号，其无法使用。

申请号为CN201620834706.2的中国专利“用于大型结构体本体垂直位移和地表沉降的测量装置”，公开了一种用于大型结构体垂直位移或变形的自校准式测量装置及方法，用于大型结构体变形或位移参数的自校准式测量装置及方法，在传统测量靶标的基础上增加了一只基准靶标和一只静力水准仪，且该基准靶标固定静力水准仪的沉降探头上，由静力水准仪获得准确的基准靶标的位移绝对值，从而对测量靶标的位置值进行修正校准，最后获得测量点位移值。存在的问题是利用静力水准仪传递引入基准，测量精度低，数据时效性低，特别是对于隧道等大型结构体，需要从隧道口长距离引入基准的情况下，施工难度大成本高，不但数据延迟问题突出以至于不能实时反应当前被测结构体位移真实变化值。由于隧道变形监测的基准点通常设置在洞口外部的稳定区域，而监测点布置在隧道内部的变形区域，内部路程较长，地形复杂，故稳定基准点的引入成为制约隧道结构变形监测数据可靠性的关键因素。

实用新型内容

本实用新型提出了一种基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置，通过设置级联的传递靶标，将基准靶标的数值传递至远距离的测量靶点，实现了隧道等大型结构体位移形变参数的绝对值测量。

本实用新型的设计思路为：在图像位移传感器测量中，为了确保一定的测量精度，故需要相机的单幅照片具有较高的图像分辨率，而对于长度较长的隧道而言，单幅的图片无法同时保证分辨率和幅宽，也就是说无法同时保证测量的精度和结构体的覆盖范围，故提出了在稳定区域基准靶标和测量靶标之间设置若干只级联靶标的方案，若干只图像位移传感器依次获取包含基准靶标、传递靶标和测量靶标在内的部分图像，并对测量的图像数据进行校准，从而将测量靶标和基准靶标的结果相关联，实现了大型结构体位移和形变的绝对测量，并确保具有较高的测量分辨率和极小的数据传递延时。

本实用新型的技术方案如下：

基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置，包括数据处理单元、测量靶标、基准靶标、与基准靶标对应的基准图像位移传感器和若干只传递靶标，以及与传递靶标对应的测量图像位移传感器；

所述的测量靶标设置在结构体的待测量端面上，所述的基准靶标和基准图像位移传感器设置在结构体外部，若干只传递靶标和与测量图像位移传感器沿结构体的纵深方向级联设置在结构体上；

基准图像位移传感器正对基准靶标和一只传递靶标设置，测量图像位移传感器正对两只传递靶标或者测量靶标、一只传递靶标设置；所述的数据处理单元与基准图像位移传感器、测量图像位移传感器之间进行数据交互。

上述基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置中，待测量端面上设置有不少于一只的测量靶标。

上述基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置中，基准靶标设置在稳定基座上。

上述基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置中，所述的数据处理单元为远程服务器，与图像位移传感器上的无线数据模块之间远程连接。

上述基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置中，基准靶标、测量靶标和传递靶标为光电靶标或特殊形状的图案。

上述基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置中，光电靶标排成设定形状的LED灯、LD灯、LED灯带或LD灯带。

上述基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置中，所述的大型结构体为隧道、岩洞、房屋、地下室或桥梁。

上述基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置中，所述的基准图像位移传感器和测量图像位移传感器为长焦镜头CCD或者短焦镜头CCD。

上述基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置中，结构体包括若干只待测量端面(19)，同一只待测量端面前设置有一只长焦镜头CCD和一只短焦镜头CCD。

本实用新型具有的有益技术效果如下：

1、本实用新型通过在基准靶标和测量靶标之间设置了若干只传递靶标，每只传递靶标对应相应的图像位移传感器，第一级图像位移传感器获取基准靶标和第一级传递靶标的图像，第二级图像位移传感器获取第一级传递靶标和第一级传递靶标的图像，依次类推，最后的一级图像位移传感器获取第n级传递靶标和测量靶标的图像，并对每级图像进行校准，从而将测量靶标和基准靶标的数据相关联，将位于稳定区域的基准靶标数据向位于变形区域的测量靶标数据逐级传递，实现了大型结构体内部任意端面上所需测量点的水平方向和垂直方向位移/形变参数的绝对测量，并确保具有较高的测量分辨率和较大的测量区域范围。此外在每个测量靶标和传递靶标所在的测点安装有测距仪，测距仪的目标点为前一级的传递靶标位置点，最终传递至基准靶标点，同时实现了纵向方向上绝对位移/形变传递，结合水平、垂直方向上的参数，实现了大型结构体内部任意端面上所需测量点的三维位移和形变参数的绝对测量。

2、本实用新型的级联靶标方案可适用于纵深方向较深的大型隧道或桥梁等，只需要根据结构体的特点在纵深方向布设传递靶标和对应的图像位移传感器即可满足传递的要求，相比于传统的静力水准仪基准方法，结构简单可靠，现场实施方便，成本较低，并具有较高的测量精度和数据时效性，具有极强的推广应用价值。

3、本实用新型的图像位移传感器采用内置远程通讯单元的嵌入式系统，结构紧凑可靠，方便无线数据传递，数据处理单元采用远程的云服务器实现多个图像传感器数据的传输处理，可利用4G、5G或其他无线方式实现数据交互，满足了远程无人值守全天候的野外工作要求，并确保了测量数据的实时性。且现场布设方便，施工成本降低。同时靶标采用加电的LED或LD灯带，可以实现24小时全天候的工作，并具有特征目标提取方便和准确度高的特点，测量精度也相应提高，数据传递基本无延时。

附图说明

图1为本实用新型基于纵深级联传递的位移形变测量装置原理示意图；

图2为本实用新型基于纵深级联传递的靶标基准传递原理示意图；

图3为本实用新型图像位移传感器和靶标在隧道内壁的固定方式示意图；

图4为本实用新型基准靶标、传递靶标和测量靶标量值传递原理示意图；

图5为本实用新型三维参数测量原理及测距仪固定方式示意图。

附图标记如下：1-稳定基座；2-支杆；10-基准图像位移传感器；11—基准靶标；12—传递靶标；13—测量靶标；14—测量图像位移传感器；16—基准图像位移传感器视场；17—第1级图像位移传感器视场；18—视场重合区域；19—待测量端面；20—结构体；21—数据处理单元；30-测距仪；31-标记点；32-图像传感器法线；33-测距仪法线。

具体实施方式

本实用新型的测量系统主要用于大型结构体20顶部、腰部等关键部位的位移或形变测量，其中大型结构体包括隧道、桥梁、岩洞、房屋、地下室等纵深方向较深的结构体。

下面以隧道为例，对本实用新型纵深级联靶标的技术方案进行详述。其中纵深级联指的是测量的目标为隧道、大型桥梁等纵深方向较深的结构体，使得设置在结构体外部的基准靶标和内部的测量靶标之间距离很远，需要通过传递靶标进行数据传递。

如图1和图2所示，本实用新型基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置，包括数据处理单元21、基准靶标11、与基准靶标对应的基准图像位移传感器10、若干只传递靶标12和与传递靶标对应的测量图像位移传感器14；

其中测量靶标13设置在结构体20的待测量端面19上，同一个待测量端面19可以包含多只测量靶标13。基准靶标11和基准图像位移传感器10设置在结构体外部，若干只传递靶标12和对应的测量图像位移传感器14沿结构体的纵深方向级联设置在隧道内壁上；基准图像位移传感器10正对基准靶标11和一只传递靶标设置，其中处于中间级的测量图像位移传感器14正对两只传递靶标，实现两只传递靶标之间的参数传递；最后一只测量图像位移传感器14则正对测量靶标13和一只传递靶标12设置，实现二者之间的参数传递。

数据处理单元21与基准图像位移传感器10、测量图像位移传感器14之间通过无线的方式或有线的方式连接并进行数据交互。基准图像位移传感器10和测量图像位移传感器14均包括光学镜头、图像传感器、核心控制单元和远程通讯单元；图像传感器为CCD或CMOS传感器。实施时，光学镜头正对靶标所在的区域，在应用中可选变焦距的镜头，将不同距离、不同大小的目标成像至图像位移传感器上。核心控制单元控制图像传感器获取靶标的图像，并计算得到靶标图像中心在图像传感器上的像素位置变化，进而反应得到靶标所在位置的结构体形变或位移参数。远程通讯单元通过4G、5G或其他无线方式与远端的数据处理单元21进行数据交互，数据处理单元21可采用云服务器，满足了远程无人值守全天候的野外工作要求，并确保了测量数据的实时性。

如图1和图3所示，基准靶标固定在隧道外部的稳定基座1上，其产生的位移和形变可以忽略，基准图像位移传感器10安装在隧道外部正对基准靶标11的位置；测量图像位移传感器14和传递靶标12则通过支杆2固定在隧道的内壁上。

本实用新型的靶标可以为目标对象上的一个特定图案或连续工作的加电靶标。本装置对靶标要求不高，如果采用加电的LED或LD灯带作为靶标，则可以实现24小时全天候的工作，并具有特征目标提取方便和准确度高的特点，测量精度也相应提高。

如图2所示，测试时第1级图像位移传感器14获取基准靶标11和第1级传递靶标的图像数据，第2级图像位移传感器14获取第1级传递靶标第2级传递靶标的图像数据,依次类推，最后一级图像位移传感器获取最后一只传递靶标和测量靶标的图像数据，上述图像位移传感器14将数据传送至远端的数据处理单元21。数据处理单元21获取图像位移传感器14的数据，并根据基准靶标11、测量靶标13和每只传递靶标12的位置关系，逐个对图像位移传感器14的测量结果进行校正处理后，最后得到大型结构体的位移形变参数；其中n为不小于1的正整数，i为1至n的正整数。一般取n＝3至5级。

图4给出了基准靶标和测量靶标通过传递靶标在实现传递的原理。其中第1级图像位移传感器视场16内部包括了基准靶标11和第1级传递靶标12，第2级图像位移传感器视场17内部包括了第1级传递靶标12和第2级传递靶标12；第1级传递靶标12则处于第1级图像位移传感器视场16和第2级图像位移传感器视场17形成的视场重合区域18内。图中A点为基准靶标像点，A(x0,y0)为基准靶标像点在第1级图像位移传感器的坐标，也就是靶标成像的中心点在CCD上的横向像素和纵向像素的位置。B点为传递靶标像点，B(x1,y1)、B(x2,y2)、B(x3,y3)、B(xn,yn)分别为传递靶标像点在第1级图像位移传感器、第2级图像位移传感器、第3级图像位移传感器、第n级图像位移传感器上的坐标，C点为测量靶标像点，C(x,y)为测量靶标像点在第n+1级图像位移传感器上的坐标。由于基准靶标处于位移和形变扰动可以忽略的稳定基座1上，且每级校准都逐个实现了传递靶标向基准靶标的相对位移校准，故通过本实用新型的传递方法可以克服传递靶标及图像位移传感器自身位移扰动的影响，将测量靶标的位移变化传递至基准靶标，实现了大型结构体任意端面x、y方向上位移和形变参数的绝对测量。

如图5所示，为了实现测量点在隧道纵向方向上的位移/形变参数测量，在每只传递靶标所在的测点对应设置有测距仪30，测距仪30的目标点为前一级传递靶标所在的测点位置；在每只测量靶标所在的测点对应设置有测距仪30，测距仪30的目标点为最后一级传递靶标所在的测点位置。图5中，测距仪30与传递靶标12固定在同一只支杆2上，使其处于同一个变形的测量点上，测距仪和传递靶标12处于相同的变形条件下。测距仪30采用红外激光测距方式，主机发出脉冲激光至测量目标点后返回，计算脉冲时延进而得到目标点和主机之间的距离。图5中在测距仪目标点的支杆2位置安装有标记点31，标记点采用为反光膜，可以贴在支杆2上或者前一只测距仪30的主机背面机壳上，其中图像传感器法线32定义为z轴，测距仪法线33和z轴之间的夹角θ已知，故可以计算得到沿z轴方向即纵向方向的变形位移参数。基于同样的原理，每只测量靶标所在的测点对应设置有测距仪30，测距仪30的目标点为最后一级传递靶标所在的测点位置，每只传递靶标所在的测点对应设置有测距仪30，测距仪30的目标点为前一级传递靶标所在的测点位置，第一级传递靶标对应的测距仪的标记点31则设置在稳定基座1上，由于事先每个测量靶标和传递靶标、图像传感器的空间位置均已知，故通过层层传递的方式可将测量靶标上测距仪的参数传递至稳定基座上，从而实现隧道纵向方向上的位移和形变测量。结合前述水平、垂直方向上的参数，实现了大型结构体内部任意端面上所需测量点的三维位移和形变参数的绝对测量。

本实用新型的基于纵深级联传递的位移形变测量装置不仅适用于隧道，同样也适用于从纵深内部方向检测的桥梁本身，测量时克服了传统的静力水准仪基准的结构复杂，铺设实施成本高的不足，具有较高的测量精度、数据时效性和极强的推广应用价值。

Claims (9)

1.基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置，其特征在于：包括数据处理单元(21)、测量靶标(13)、基准靶标(11)、与基准靶标对应的基准图像位移传感器(10)和若干只传递靶标(12)，以及与传递靶标对应的测量图像位移传感器(14)；

所述的测量靶标(13)设置在结构体(20)的待测量端面(19)上，所述的基准靶标(11)设置在稳定基座(1)上，若干只传递靶标(12)和与测量图像位移传感器(14)沿结构体的纵深方向依次级联设置在结构体(20)上；

基准图像位移传感器(10)正对基准靶标(11)和一只传递靶标设置，测量图像位移传感器(14)正对两只传递靶标或者一只传递靶标、测量靶标设置；所述的数据处理单元(21)与基准图像位移传感器(10)、测量图像位移传感器(14)之间数据交互连接。

2.根据权利要求1所述的基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置，其特征在于：在每只传递靶标(12)所在的测点对应设置有测距仪(30)，测距仪(30)的目标点为前一级传递靶标(12)所在的测点位置；在每只测量靶标(13)所在的测点对应设置有测距仪(30)，测距仪(30)的目标点为最后一级传递靶标(12)所在的测点位置。

3.根据权利要求2所述的基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置，其特征在于：测距仪(30)和传递靶标(12)、测量靶标(13)固定在同一个支杆上。

4.根据权利要求1所述的基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置，其特征在于：所述的数据处理单元(21)为云服务器，与图像位移传感器(14)上的远程通讯单元之间无线数据连接。

5.根据权利要求1所述的基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置，其特征在于：待测量端面(19)上设置有不少于一只的测量靶标(13)。

6.根据权利要求1所述的基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置，其特征在于：基准靶标(11)设置在稳定基座(1)上。

7.根据权利要求1所述的基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置，其特征在于：基准靶标、测量靶标和传递靶标为光电靶标。

8.根据权利要求7所述的基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置，其特征在于：光电靶标排成设定形状的LED灯、LD灯、LED灯带或LD灯带。

9.根据权利要求1所述的基于纵深级联靶标的大型结构体位移形变测量装置，其特征在于：所述的大型结构体(20)为隧道、岩洞、房屋、地下室或桥梁。

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