CN2455763Y - 激光路面平整度测定仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光路面平整度测定仪,包括车架,车架底部设有两组激光发射器和CCD摄像板,CCD摄像板输出端经数据采集卡连接计算机处理与显示装置。本实用新型采用CCD摄像板和计算机实时处理技术,精度高,经过图像数据采集卡接收并输出象素个数,再输入计算机软件转为长度因子,同时,进行平整度指标均方差统计运算。本实用新型设置了装于弹簧上的两组激光器与CCD摄像板办法消除振动影响。本实用新型测量速度最高达到80公里每小时。

Description

激光路面平整度测定仪

本实用新型涉及一种公路路面平整度测定仪。

公路路面平整度是路面质量评定中的一项极为重要的指标。这一指标，尤其对于高等级公路来说非常关键，由于高等级公路车速很高，一般时速达80～100公里，因此，路面稍有不平，会引起跳车，轻者降低乘客的舒适性，重者，会有翻车、碰车危险，为确保安全，汽车只好降速行驶，导致营运效率降低，不能发挥高等级公路应有的快速行驶的特点。为此国家十分关注路面平整度质量，对公路施工与养护提出了甚高的要求，规定了严格的平整度质量指标，其中规定高速、一级公路为1.2毫米，一般公路为2.5～3.5毫米。检测与控制路面平整度质量指标的仪器，国内比较先进的，且《(规范》规定使用的是八轮式连续路面平整度测定仪。该仪通过接触式传感器经电路处理，并自动输出数据，自八十年代初至今一直沿用，已近20年，对我国公路平整度检测事业作出了重要贡献。但由于该仪测速较低，最大为15公里，最小用手牵引，因此，满足不了我国公路快速建设、数量快速增加，特别是高等级公路建设与养护的快速测定需要。引进国外仪器亦需30万美元，而且仪器损坏时零部件不好换配，在这种情况下，亟待需要国内自己开发高速的公路平整度测定仪器，以适应我国公路建设形势，特别是西部大开发中公路快速发展的需要。

本实用新型的目的是提出一种无接触式的快速测量与高精度的公路路面平整度高新测量仪器，满足各种等级公路的平整度测量需要。

本实用新型的目的是以下述技术方案来实现的：激光路面平整度测定仪，包括车架，车架底部设有两组激光发射器和CCD摄像板，激光发射器的发射角为α,0°＜α＜90°，第一组激光发射器的光路上设有反光平面板，两组激光发射器发射的激光分别经反光平面板和路面反射到CCD摄像板，CCD摄像板与路面的夹角为α,0°＜α＜90°,CCD摄像板输出端经数据采集卡连接计算机处理与显示装置。

车架与两组激光发射器和CCD摄像板之间设有消除振动影响的弹簧。

所述的车架可以是汽车前或后保险杠或者其前后各有四个车轮支撑行走的钢梁平板拖挂车的车架体。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：本实用新型是一种无接触测量方式，无传动误差，采用CCD摄像板和计算机实时处理技术，由于CCD板上布满象素，每平方厘米上有30万个，一个象素为一个点晶，直径为7微米，输出的并不是电流值，而是象素值，它被特定的图像数据采集卡接收并输出象素个数，再输入计算机软件转为长度因子，同时，进行平整度指标均方差统计运算，精度高，可达到0.01mm。本实用新型在高等级公路上测量速度达到80公里每小时，当采用拖挂车时，测量速度也有30公里每小时，因此，在测量过程中，必然引起“测量振动”问题，振动消除是本实用新型的技术关键，国际上用一对加速度计消除，但技术复杂，成本高。本实用新型设置了两组安装在汽车前后保险杠上的激光器与CCD摄像板，并且车架与激光器之间设有弹簧的办法消除振动影响。由于它们彼此靠得较近，汽车在跳动时，两组测量器同时跳动，摆高的累积值按统计原理应相等，在不平整度计算时可抵销。摆高累积值相等原理为：由于汽车在连续地行驶，因此发生连续地“颠簸振动”，这种振动状态应该是不间断的，可以看作有“无限次”振动，根据统计理论，当无限次振动时，甲、乙两组检测器的跳动累积值应是一样的，这就从理论上说明了甲乙两组摆高互抵时为零的基本原理。如设甲组摆高为 $h_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{h}_1,$ 乙组摆高为 $h_2=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{h}_2,$ 这在下式情况下，振动累积彼此相等：因为

所以h₁=h₂由于在不平整度计算时，测量数值中已包含了h₁与h₂值，这样，当在计算机中使用减法时，h₁与h₂自动抵销，剩下即为最终的测量不平整度值。路面对激光的反射性为：对于水泥混凝土路面，由于路面为土白色，因此，其本身吸光能力较差，并有一定反光能力。对于沥青路面中沥青油分，在太阳下会发亮，即使在阴天时，也能发亮，但是因为激光器离地面很近，在强的激光照射下能有较多光被反射，并落于CCD摄像板上，经过简单实验，证明是可行的。对于反光能力差的麻面路面可增加反光镜予以实施。均方差σ是一个统计中的主要指标，被国家规范用到了路面平整度的质量评定上，在本实用新型指标的设计中，为了与规范一样，亦采用了均方差σ指标，计算原理与现行规范一样，这对本实用新型的推广应用创造了条件。

以下结合附图详细说明本实用新型实施例。

图1为本实用新型光电结构示意图。

图2为激光器与CCD摄像板在汽车保险杠上安装结构示意图。

图3为激光器与CCD摄像板在拖挂车上安装结构示意图。

图4为本实用新型测量不平路面原理示意图。

图5为本实用新型测量路面平整度计算原理图。

本实用新型主要由激光发射器1、CCD摄像板2、图像数据采集卡3、计算机处理及激光打印机显示装置4组成，如图1所示，各部分元器件说明如下：激光发射器1用半导体型，激发干电池1.5×3，激光器采用微型直径d1.3cm左右，长5.5cm左右，光点直径10m以内为1mm，功率为1～5mw。受光器为CCD摄像板2，规格为宽2cm，长6cm。图像数据采集卡3，它是将图像转变成数据的“转换器”，为多路输入，多头输出。计算机为86型，包括主板、硬盘、CPU、显示器等，它可以处理光点所在位置的象素数目，并将其转化为长度因子毫米，同时消除振动影响，算出高采样数时的统计指标均方差σ值，计算机可以连接打印机。

本实用新型设计了两种方式，即车载式与拖挂式，两种测量原理完全一样，现按车载式与拖挂式分别叙述如下：

对于车载式，如图2所示，考虑到振动稳定性，将两组激光发射器1与CCD摄像板2接收传感器分别安置在小车前或后保险杠(9)中心对称排列，汽车前面的振动性相对小于后面，激光器安装在前保险杠上，如AB(甲)与CD(乙)，且入射光线离路面为10cm，按30°发射角排列。车架保险杠9与激光器1和CCD摄像板2之间设有弹簧8，第一组激光器1固定为A点与第二组激光器l固定为C点位置，分别对应CCD摄像板2的B点与D点，第一组激光器的光路上设有反光平面板7，相当于零基准。第二组激光器发射到地面，当汽车以80km/h速度快速行驶时，遇有如图4所示路面不平情况，第一组检测构件A、B中的激光器1发射激光(光点1mm)，射到基准反光平面板的P点，经反射后被CCD摄像板2接收，可得到象素值a。同理，第二组激光器1发射激光到路面F点，在CCD摄像板2获得象素值b，则由于路面不平引起的象素值增量Δ1为式(1)所示：

Δ₁=|b-a|    (1)

由于设定P点为基准面，当无振动时a=0，F点为不平路面，则F点对E点说，b不为0。一般路面都有不平度，且不可能有负值，因此，加了绝对植符号，意即Δ1除0以外，都为正值。那么，在CCD摄像板2上Δ1值如何反映路面不平整度呢？如图5所示，设EG为原平整路面，FE为不平高度，FG为入射光线，FF’、GG’为反射光线。作FE’垂直于GG’，不难证明，

F’G’长度为|b-a｜，则不平高度FE为： $\mathrm{FE}=\frac{\cos 2\mathrm{\α}}{\sin \mathrm{\α}}|b-\mathrm{\α}|$

由于入射角为30°，使直角三角形ΔFGE’与直角三角形ΔFGE相等(∠FGE=∠FGE’=60°),FE’=FE，而FE’又为CCD摄像板2上的移动距离F’G’，因此，CCD摄像板上移动距离即为路面不平度凸起高度。同理，路面不平整度为凹形时，也可得到1∶1象素值。路面不平整高度Δ2，如式(2)所示：

Δ₂=|b-a|    (2)

不难看出，Δ₁=Δ₂。

由于CCD板上布满象素，每平方厘米上有30万个，一个象素为一个点晶，直径为7微米，输出的并不是电流值，而是象素值，它被特定的图像数据采集卡接收并输出象素个数，再输入计算机软件转为长度因子，同时，进行平整度指标均方差统计运算。若设定每秒采样1000次，相当于2.2厘米采样1次则100米的长度内采样次数应为n，由式(3)所示： $n=\frac{100m}{80000m/3600s}\×1000---\left(3\right)$ ≈4500次

由式(3)看出，在规范规定的100米测量评定距离内，有4500次象素值变化，也就是有4500个不平度值进行数理统计，说明统计量已足够多，由计算机软件算出的统计指标均方差σ应该具有很高的统计精度。按规范规定均方差σ的计算公式为式(4)所示： $\mathrm{\σ}=\sqrt{\frac{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{-}{x})}^2}{n-1}}=\sqrt{\frac{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(x_i-\stackrel{-}{x})}^2}{4500}}---\left(4\right)$

式中：x_i为每组象素对应下的不平整度长度因子采样值，mm；

x为所有x_i值的平均值，mm；

n为100米内采样次数。

上面叙述了车载测量情况，对于拖挂式情况一样，其测量原理不变，如图3所示。拖挂车车架9长3米，两头分别用四个轮子5支撑行走，前端有一个拉杆6，两组激光器1与CCD摄像板2按车身重心对称布置，车架9与激光器1和CCD摄像板之间设有弹簧8，如AB(甲)与CD(乙)，且入射光线离路面为10cm，按30°发射角排列。第一组激光器的光路上设有反光平面板7，相当于零基准。第二组激光器向地面发射，第一组激光器1固定为A点与第二组激光器1固定为C点位置，分别对应CCD摄像板2的B点与D点，。拖挂式激光仪的优点在于：1、成本低。由于不要固定汽车，只用一简易八轮拖架就可达到安装与测量目的，因而，造价便宜。2、存放方便。由于采用分体式，因此，存放拖架比存放汽车简易，占库小。但缺点也很突出，主要是在高速测量中，拖架振动较剧烈，测量误差较大。因此，在使用拖式激光仪时，时速应控制在30公里以内，比目前规范应用的八轮仪亦可提高测量效率2倍，当然，车载式可提高5.3倍。在这种情况下，车载式可用于高等级公路平整度测量，而拖式可用于一般公路(2～3级)平整度测量。

Claims (3)

1、激光路面平整度测定仪，包括车架(9)，其特征在于；车架(9)底部设有两组激光发射器(1)和CCD摄像板(2)，激光发射器(1)的发射角为α,0°＜α＜90°，第一组激光发射器的光路上设有反光平面板(7)，两组激光发射器(1)发射的激光分别经反光平面板(7)和路面反射到CCD摄像板(2)，CCD摄像板(2)与路面的夹角为α,0°＜α＜90°,CCD摄像板(2)输出端经数据采集卡(3)连接计算机处理与显示装置(4)。

2、如权利要求1所述的激光路面平整度测定仪，其特征在于：车架(9)与两组激光发射器(1)和CCD)摄像板(2)之间设有消除振动影响的弹簧(8)。

3、如权利要求1或2所述的激光路面平整度测定仪，其特征在于：所述的车架可以是汽车前或后保险杠(9)或者其前后各有四个车轮支撑行走的钢梁平板拖挂车的车架体(9)。

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