CZ2007808A3

CZ2007808A3 - Zarízení pro presné merení náklonu, posunutí a pootocení mezi dvema body a merení zrychlení v horizontální rovine

Info

Publication number: CZ2007808A3
Application number: CZ20070808A
Authority: CZ
Inventors: Neumann@Libor; Kalenda@Pavel
Original assignee: Neumann@Libor; Kalenda@Pavel
Priority date: 2007-11-20
Filing date: 2007-11-20
Publication date: 2009-06-03
Also published as: CZ308761B6

Abstract

Zarízení se používá pro merení relativních pohybu v horizontální rovine a soucasných náklonu ve vertikální rovine mezi skalními bloky nebo cástmi staveb. V prípade variací pohybu v rámci Hookova zákona je možno použít zarízení pro zjištování velikosti a smeru pusobící síly (napetí) v horizontální rovine. Zarízení lze použít také pro merení velmi malých zrychlení v horizontální rovine. Zarízení se skládá ze závesu (1) kyvadla, který je pevne spojen s jedním bodem (A) prostredí, dále z vlastního kyvadla (2), na kterém je v horizontální rovine umísten snímaný obrazec (3), závesu kamery (6), který je pevne spojen s druhým bodem (B) prostredí, kamery (6) a optického clenu (7), které snímají s vysokým zvetšením a rozlišením osvetlený snímaný obrazec (3). Podstata rešení spocívá v tom, že namísto presného merení úhlu se merí relativní posun snímaného obrazce (3) v zorném poli kamery (6) pri vysokém zvetšení obrazu a pri vysokém rozlišení kamery (6) vuci referencnímu obrazci. Bezdotykové optické merení umožnuje prakticky eliminovat vlivy trení a jiné silové pusobení spojené se snímáním výchylky. Optické merení zároven umožnuje merit výchylky ve dvou vzájemne kolmých osách soucasne v jednom míste. Digitální záznam kamery umožnuje merení automatizovat s vysokou frekvencí opakovaných merení a dosáhnout tak témer kontinuálního záznamu a získat tak závislost náklonu, posunutí a pootocení mezi dvema body v case.

Description

Zařízení pro přesné měření náklonů, posunutí a pootočení mezi dvěma body a měření zrychlení v horizontální rovině leg^LiborlNeumann, CSe., RNDr. Pavel Kalendaj-CSe. Popis vynálezu

Vynález se týká nového typu zařízení pro přesné měření posunutí a pootočení mezi dvěma body a měření zrychlení v horizontální rovině a náklonů ve vertikální rovině mezi \ dvěma body. Je možno jej použít k měření pohybů mezi dvěma body skal, stavebních ^^^ijfyJíon^rukcí nebo jiných objektů bez ohledu na to, zdaje mezi nimi dilatace či nikoli.

ÍTAb‘_ měření posunů nebo náklonů, případně zrychlení se používá celá řada zařízení, která ^^H^iÍ^/pracují na mechanických, optických nebo elektromagnetických principech. Tato zařízení jsou —vesměs konstruována tak, že měří jen v jediném směru a pro měření ve dvou směrech je používáno více zařízení, která však nemohou být umístěna do jednoho místa. Pro přesné měření náklonů se vesměs používají astatická horizontální kyvadla, pracující na principu mechanického zvětšení změny náklonu. U nej novějších typů se vlastní malé změny pootočení kyvadla snímají opticky s převodem signálu na elektrické napětí nebo proud. K měření posunů nejsou astatické náklonoměry vhodné vlivem nelinearit mechanického převodu náklonů a tření. K měření posunů mezi dvěma body se používají různé druhy dilatometrů, ať už mechanických nebo optických. Jejich hlavní nevýhodou bývá menší citlivost nebo malá četnost opakovaných měření v jednom bodě. K měření rychlých změn posunů se používají geofony nebo seismometry. Ty však neumožňují měřit dlouhodobé a pomalé změny posunů nebo náklonů vlivem chyb integračních konstant nebo vlivem použitého principu snímání výchylek. K dlouhodobým měřením velkých náklonů nebo posunů se používá také — strainmetrů, založených na měření změny kapacity kondenzátorů, umístěného bez tření na tyči mezi dvěma co nejvíce vzdálenými body.

VYMALBžUyUvedené nevýhody řeší předmět vynálezu, který umožňuje měřit malé změny náklonů _r-- ^ mezi dvěma body ve vertikální rovině a nebo malá prosunutí mezi dvěma body v horizontální rovině nebo malá zrychlení v horizontální rovině. Vynález umožňuje bezkontaktní - optické snímání polohy snímaného obrazce přes optický systém s velkým zvětšením kamerou s velkým rozlišením, její kontinuální záznam (frekvence obrázků je daná použitou kamerou nebo digitálního fotoaparátu a může převýšit 20Hz) a který je možno digitalizovat a digitální obrázky ihned numericky zpracovat do formy posunutí ve směrech os obrázku X a Y. Délka kyvadla mezi bodem závěsu A a bodem závěsu kamery B spolu se zvětšením optického členu kamery a rozlišením kamery určují převodní konstantu mezi přesností měření posunutí (1 pixel digitálního obrázku) a odpovídajícím úhlem náklonu. Samotné zvětšení optického členu kamery a rozlišení kamery určuje přímo převodní konstantu mezi přesností měření (1 pixel digitálního obrázku) a absolutním posunutím ve směrech os X a Y mezi body A a B. V současnosti umožňuje dostupná technika měřit s převodní konstantou cca 10 nrad/pixel, lze očekávat že nové technologie snímání obrazu v budoucnu umožní další zvýšení citlivosti Při častých opakovaných měřeních v průběhu času je možno zajistit, aby průměrné chyby průměrných hodnot za 10 minut měření byly menší ještě o 2 řády.

Navržený systém umožňuje dokonalou kontrolu přesnosti a kvality zpracovávaných dat. Kromě digitálních výstupů posunů ve směrech os X a Y jsou uchovávány na záznamovém médiu snímané obrazce se zvolenou periodicitou. Kromě toho jsou uchovávány referenční obrazce, které jsou mezi sebou absolutně převazovány se zvolenou periodou (např. každých • · ·· • · · · « • ·· • to·· • ·· ••toto toto· toto·· • · • · hodin) a nebo jsou převazovány dynamicky na základě algoritmu vyhodnocení velkých posunů z toho důvodu, aby nedošlo k tak velkým posunům, že by se referenční obrazec dostal mimo zorné pole kamery. Takto je možno automaticky převázat data i v době, kdy by došlo k anomálním posunům, větším než je zorné pole kamery v průběhu krátkého času, nebo zpětně zkontrolovat či zrekonstruovat posuny v případě selhání automatiky.

^^^^g-vf/^Vynález je zréjnw ^z obrázkujjkterý znázorňuje uspořádání zařízení. V bodě A je umístěn '-----Tzávěs kyvadla 1, na jehož konci se nachází vlastní závaží kyvadla 2 s plošinou, na které je v ' horizontální rovině instalován snímaný obrazec 3, který může být tvořen například filmem mikrofiše, sklem masek integrovaných obvodů nebo jiným rastrem s vysokou hustotou informací a s malým nebo zanedbatelným procentem zcela se opakujícího motivu tak, aby bylo možno vždy jednoznačně vyhodnotit směr a velikost posunu motivu vůči referenčnímu obrazci, Kyvadlo je tlumeno olejovým tlumičem 4 tak, aby byly potlačeny vlastní kmity kyvadla, vznikající v důsledku zejména proudění vzduchu v okolí kyvadla, mikroseismy nebo jinými rušivými efekty. V bodě Bje umístěn závěs kamery 5 na kterém je umístěna kamerers vyůtikýM která snímá obrázek zvětšovacího optického členu 7, zaostřeného na snímaný obrazec 3 osvětlený nízkopříkonovým zdrojem světla 8. Kamera 6 spolu $ optickým členem 7 je nastavitelná pomocí konstrukce závěsu kamery 5 tak, aby střed snímaného obrazce byl ve středu zorného pole optického členu 7 a tím i obrázku kamery 6 a obrázek byl zaostřen. Videosignál kamery je veden na vstup počítače, který může být umístěn i ve velké vzdálenosti od kyvadla. Konstrukce závěsu kamery 5 může být uzpůsobena tak, aby umožňovala vzdálené ostření snímaného obrazce.

V počítači je videosignál kamery nebo digitálního fotoaparátu digitálně zpracováván pomocí digitálních obrazových filtrací a rovinných parametrických transformací na posun sejmutého obrazce vůči referenčnímu obrazci ve dvou kolmých osách vyjádřený pixelech. Výsledky transformací jsou zaznamenávány do výstupního souboru spolu s dalšími údaji jako jsou údaje charakterizující kvalitu transformace, kvalitu sejmutého obrazce, aktivitu algoritmu velkých posunů.

Kromě toho provádí počítač automaticky další činnosti spojené s zajištěním změřených výsledků (např. záznam sejmutých obrazců, zálohování změřených dat), korekce časových údajů a další činnosti.

Jeden posun je možno při dnešní výpočetní technice změřit a vyhodnotit každých 1-10 s. Omezením je pouze výkonnost počítače a kapacita záznamového média. Výsledky posunů ve směrech X a Y v pixelech se následně přepočítávají do velikosti změn náklonů dle citlivosti zařízení a do geografických souřadnic dle orientace kamery v prostoru.

K měření malých pootočení je možno použít dvou kamer, snímajících dva snímané obrazce ve stejném okamžiku, které jsou umístěny společně na jednom závěsu. Vyhodnocení obou sejmutých obrazců je analogické a pootočení je vypočteno spolu s náklonem ze 4 změřených hodnot XI, Yl, X2 a Y2. Pro měření větších úhlů pootočení je možno použít i samostatně jednu kameru s vyhodnocováním nejen posunů, ale i rotační složky mezi sejmutým obrázkem a referenčním obrázkem.

J

···· ·« ·«· ··· ♦·

PATENTOVÉ NÁROKY

Zařízení pro přesné měření uáklonůy po&umití a pootočení mezi dvěma bedyaměřenf zrychlení v horizontální rovině

Jngjiibor Neumami, C8c., RNDr. Pavel Kalenda, €Sc.

Claims

1. Zařízení pro přesné měření náklonů, posunutí a pootočení a měření zrychlení v horizontální rovině, vyznačující se tím, že na závěsu kyvadla je umístěn snímaný obrazec, snímaný opticky bezdotykově kamerou nebo digitálním fotoaparátem s vysokým rozlišením a s optickou předsádkou s velkým zvětšením.

2. Zařízení pro přesné měření náklonů, posunutí a pootočení a měření zrychlení v horizontální rovině, vyznačující se tím, že nasnímaný obraz je v reálném čase digitalizován, digitálně filtrován a transformován s pomocí referenčního obrazu, vůči kterému je vyhodnocen relativní posun aktuálně nasnímaného obrazu současně ve směrech dvou os X a Y.

3. Zařízení pro přesné měření náklonů, posunutí a pootočení a měření zrychlení v horizontální rovině, vyznačující se tím, že posloupnost sumárních odchylek referenčních obrazů vůči sobě navzájem a vůči nim vyhodnoceným posunů aktuálních obrazů určuje celkový posun aktuálních obrazů vůči počátečnímu bodu měření a tím i celkový posun bodu závěsu kyvadla A vůči bodu závěsu kamery B.

4. Zařízení pro přesné měření náklonů, posunutí a pootočení a měření ziychlení v horizontální rovině, vyznačující se tím, že posuny ve směrech os snímaného obrázku X a Y je možno přepočítat přes délku závěsu na náklony ve vertikálním směru a určit i směr náklonu bodu závěsu kyvadla A vůči bodu závěsu kamery B.

5. Zařízení pro přesné měření náklonů, posunutí a pootočení v a měření zrychlení horizontální rovině, vyznačující se tím, že pootočením referenčního obrazce vůči aktuálně nesnímanému obrazci nebo snímáním dvojice obrazců je možno zjistit nejenom relativní posun ve směrech os X a Y, ale i úhel, o který se pootočilo závaží vůči pevně připevněné kameře nebo digitálnímu fotoaparátu.

6. Zařízení pro přesné měření náklonů, posunutí a pootočení v a měření zrychlení horizontální rovině, vyznačující se tím, že digitálním zpracováním celého měření v reálném Čase je možno dosáhnout téměř kontinuálního měření s periodou opakování měření kratší než 10 s a zároveň měření velmi dlouhých Časových řad bez závislosti na rychlosti změn snímaných veličin.

7. Zařízení pro přesné měření náklonů, posunutí a pootočení v a měření zrychlení horizontální rovině, vyznačující se tím, že referenční obrazce jsou snímány pravidelně v definovaných intervalech a také v případě, že dojde k velké výchylce která je v průběhu měření automaticky vyhodnocena z výsledků měření a tím je umožněno měření i výchylek větších než je zorné pole kamery nebo digitálního fotoaparátu s vysokým rozlišením a s optickou předsádkou s velkým zvětšením