專利名稱：二維、大量程激光撓度/位移測(cè)量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電測(cè)量領(lǐng)域與民用基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的交叉領(lǐng)域，具體涉及一種二維大量程激光位移/撓度測(cè)量裝置及方法。
背景技術(shù)：
橋梁等建筑結(jié)構(gòu)的梁在自重、荷載作用下的垂向和側(cè)向變形稱為撓度；而橋塔在拉索和風(fēng)載荷等作用下產(chǎn)生的側(cè)向變形稱為位移，一般用塔頂相對(duì)塔基的位移表示，下面統(tǒng)稱為位移。位移能直接反映結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、承載能力、健康情況，因而在橋梁的設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量控制、竣工驗(yàn)收、剩余壽命評(píng)估等各環(huán)節(jié)中，有嚴(yán)格的規(guī)定。故在橋梁等建筑結(jié)構(gòu)施工過(guò)程、竣工驗(yàn)收、服役期，對(duì)撓度、位移等變形參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)于掌握其施工質(zhì)量、了解其健康狀況、實(shí)現(xiàn)事故早期報(bào)警，意義重大。傳統(tǒng)的橋梁位移測(cè)量基本上都是在橋梁竣工驗(yàn)收時(shí)、或已察覺(jué)到明顯的險(xiǎn)情后，才用儀器進(jìn)行一次性人工測(cè)量。近年來(lái)隨著橋梁長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，基于光電測(cè)量方法的長(zhǎng)期、自動(dòng)測(cè)量橋梁位移測(cè)量技術(shù)得到較快的發(fā)展。光電測(cè)量法是一種非接觸測(cè)量方法，它主要有基于成像原理與基于光射線原理的兩大類。
圖1所示是基于成像原理一種最為典型的光電測(cè)量法。它將一發(fā)光靶標(biāo)1固定在橋面或橋塔頂部某被測(cè)點(diǎn)2上，在橋墩或橋外地面上的測(cè)量基準(zhǔn)位置固定光電攝像系統(tǒng)3，并通過(guò)攝像機(jī)的成像透鏡3-1將發(fā)光靶標(biāo)成像在其探測(cè)器3-2上的x1點(diǎn)。當(dāng)2產(chǎn)生位移d時(shí)，發(fā)光靶標(biāo)將隨橋面的位移d移動(dòng)到位置2’，相應(yīng)地其在探測(cè)器上的成像位置亦移動(dòng)到x2，用攝像機(jī)攝下靶標(biāo)變化前后的兩幅圖像，即可根據(jù)光學(xué)透鏡的縮小成像倍率A及兩幅圖像上靶標(biāo)位置的變化量x1-x2，用計(jì)算機(jī)算出位移d＝A(x1-x2)。
圖2所示是基于光射線原理的另一類測(cè)量法。它將一激光器4固定在被測(cè)點(diǎn)2上，在橋墩或橋外地面測(cè)量基準(zhǔn)位置、安裝光電位敏探測(cè)器(PSD)或光電探測(cè)器陣列5，激光器發(fā)出的光束直接在探測(cè)器5上的x1點(diǎn)形成光斑。當(dāng)橋面由于承載產(chǎn)生位移變化d移動(dòng)到2’時(shí)，激光器將隨橋面的位移變化d而同步移動(dòng)，相應(yīng)地其在光電探測(cè)器陣列上的光斑亦從x1移動(dòng)到x2，這個(gè)位置變化量x1-x2顯然就是橋面的位移d。
對(duì)于第一類成像測(cè)量原理而言，由于成像透鏡將實(shí)際位移d縮小成像，需要知道準(zhǔn)確知道物距才能得到位移d和像的準(zhǔn)確關(guān)系(這在實(shí)際工程實(shí)施中非常困難)，且距離越遠(yuǎn)得到的測(cè)量的分辨力與精度越低；而且其測(cè)量范圍和分辨力彼此相互矛盾，給使用帶來(lái)不便。測(cè)量中攝像機(jī)是測(cè)量基準(zhǔn)，其安裝要求很高，任何因素帶來(lái)的攝像機(jī)位置移動(dòng)都會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。另外透鏡都會(huì)受到灰塵等的污染，從而影響成像、測(cè)量效果，甚至使儀器失效，因而難以適應(yīng)長(zhǎng)期野外工作的惡劣環(huán)境。
對(duì)于第二類光射線測(cè)量原理而言，去掉了成像透鏡，消除了由透鏡造成的問(wèn)題，同時(shí)可以采用特制的線陣探測(cè)器實(shí)現(xiàn)測(cè)量范圍達(dá)20～30厘米的一維位移測(cè)量；但在實(shí)際使用中仍然存在如下問(wèn)題1.對(duì)于大型橋梁，尤其是斜拉橋和懸索橋位移非常大，通常要達(dá)到1米左右的數(shù)量級(jí)，20～30厘米的量程是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的；2.橋梁的位移通常是二維的，在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過(guò)程中，照射在探測(cè)器陣列上的光斑會(huì)因?yàn)榱硪环较虻奈灰贫苿?dòng)到探測(cè)器之外，從而使測(cè)量失效。
3如果被測(cè)點(diǎn)2存在位移和微小轉(zhuǎn)動(dòng)兩種變形，則激光的發(fā)射角度將產(chǎn)生變化，這種變化將轉(zhuǎn)動(dòng)放大，反映在探測(cè)器陣列上將出現(xiàn)光斑位置的大量移動(dòng)，嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
這些問(wèn)題使上述兩種測(cè)量方法存在缺陷，嚴(yán)重制約其在橋梁的實(shí)時(shí)、全天候、自動(dòng)撓度監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是為了避免上述已有技術(shù)的不足，同時(shí)結(jié)合上述兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，而設(shè)計(jì)的一種二維大量程激光位移/撓度測(cè)量裝置及方法，實(shí)現(xiàn)大量程、二維測(cè)量，具有恒定的分辨力，不受被測(cè)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)影響，環(huán)境適應(yīng)性能強(qiáng)。
本發(fā)明的目的是采用下述方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的二維大量程激光位移/撓度測(cè)量裝置的是由激光發(fā)射部分和二維激光光斑接收測(cè)量部分構(gòu)成。激光發(fā)射部分由激光器和激光器安裝支架組成，激光器安裝支架為一個(gè)可變阻尼鉸鏈結(jié)構(gòu)，該可變阻尼鉸鏈實(shí)際上是一個(gè)被可變阻尼液體包圍的一個(gè)球型鉸鏈，鉸鏈的上部安裝在被測(cè)結(jié)構(gòu)上，下部擺桿安裝激光器，激光光束發(fā)射方向與擺桿垂直。體現(xiàn)在測(cè)量方法上，當(dāng)不給鉸鏈加控制信號(hào)的時(shí)候，鉸鏈的阻尼很小，因重力作用，鉸鏈擺桿始終垂直向下，激光器發(fā)出的光束不受結(jié)構(gòu)微小轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，保持水平；而結(jié)構(gòu)的位移可以無(wú)損失的傳遞到激光器上。為了避免鉸鏈擺動(dòng)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，工作的時(shí)候給鉸鏈加上控制信號(hào)，可變阻尼液體的粘度逐漸變大，鉸鏈的阻尼也逐漸變大，這樣鉸鏈擺桿的擺動(dòng)被逐漸約束，最終停在豎直向下的位置，激光光束也會(huì)水平射到光斑接收測(cè)量裝置上，光束的方向與結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)關(guān)。
二維激光光斑接收測(cè)量部分外形類似一個(gè)普通電視機(jī)的顯象管。其前端是一個(gè)大型的激光光斑接收屏幕，屏幕的大小可根據(jù)測(cè)量量程定制。屏幕的四角安裝四個(gè)發(fā)光或不發(fā)光標(biāo)記，幾個(gè)標(biāo)記具有確定的相互位置關(guān)系。屏幕的后面安裝一個(gè)攝像機(jī)，攝像機(jī)將上述屏幕成像在其面陣的探測(cè)器陣列上。這樣，激光照射到屏幕上形成光斑，光斑的位置被攝像機(jī)采集并測(cè)量出來(lái)，被測(cè)結(jié)構(gòu)發(fā)生二維位移時(shí)、激光光斑的位置相應(yīng)發(fā)生變化，通過(guò)分析攝像機(jī)的圖像變化即可計(jì)算出二維位移量。屏幕與攝像機(jī)用一保護(hù)外殼保護(hù)起來(lái)，形成一個(gè)整體。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下1、本裝置和方法用屏幕接收光斑并用攝像機(jī)對(duì)光斑成像，通過(guò)圖像處理計(jì)算出光斑位移，這種方法消除了原有成像測(cè)量方法中分辨力隨距離改變的缺點(diǎn)，并可以通過(guò)不同大小屏幕的選擇實(shí)現(xiàn)大量程二維位移測(cè)量。
2、由于裝置采用了可變阻尼鉸鏈結(jié)構(gòu)，保證了激光光束永遠(yuǎn)處于水平方向，同時(shí)避免了在測(cè)量時(shí)激光器的擺動(dòng)，徹底消除了被測(cè)結(jié)構(gòu)的微小轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)撓度測(cè)量的影響，使激光光束、光斑的位置只與結(jié)構(gòu)的位移有關(guān)。
3、工作中，攝像機(jī)不是測(cè)量的基準(zhǔn)，而是以發(fā)光或不發(fā)光標(biāo)記作為測(cè)量的基準(zhǔn)；只需要測(cè)量激光光斑和標(biāo)記的相對(duì)位移，不需要測(cè)量激光光斑對(duì)攝像機(jī)的相對(duì)位移，這樣可以避免因?yàn)楦鞣N原因引起的攝像機(jī)位置蠕變(漂移)對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性的影響。
4、屏幕和攝像機(jī)之間的距離相對(duì)固定，這樣測(cè)量裝置有一個(gè)固定的測(cè)量分辨力，不會(huì)因?yàn)榧す馄靼惭b位置的遠(yuǎn)近影響儀器的分辨力。
5、因?yàn)椴捎闷聊唤邮展獍?，并用攝像機(jī)拍攝屏幕，屏幕的大小可以根據(jù)量程要求選擇，同時(shí)避免了采用大型的陣列光電接收器件，因此可以實(shí)現(xiàn)大量程測(cè)量；攝像機(jī)拍攝的是二維圖像，可以對(duì)激光光斑進(jìn)行二維定位測(cè)量；系統(tǒng)的測(cè)量分辨力要求也可以選用不同象素?cái)?shù)量的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的來(lái)滿足，這樣，這種二維激光光斑接收測(cè)量方法可以實(shí)現(xiàn)大量程、高分辨力的二維位移測(cè)量。
6、屏幕的的粗糙表面作用是對(duì)激光進(jìn)行半漫反射和半透射形成光斑，灰塵不會(huì)影響這種功能；同時(shí)攝像機(jī)處于一個(gè)密封保護(hù)殼內(nèi)，可以避免灰塵和水汽的影響，測(cè)量裝置具有很好的環(huán)境適應(yīng)性能，可以在野外使用。
因此，本發(fā)明綜合現(xiàn)有兩種光電位移測(cè)量方法的的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)其不足，具有大量程、二維測(cè)量、恒定分辨力、不受被測(cè)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)影響、環(huán)境適應(yīng)性能強(qiáng)的等優(yōu)點(diǎn)。


圖1光電成像方法示意2光射線方法示意3本發(fā)明一種實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)4A本實(shí)施方案中可變阻尼鉸鏈結(jié)構(gòu)示意4B結(jié)構(gòu)發(fā)生輕微旋轉(zhuǎn)后激光器安裝支架的工作狀態(tài)圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述參見(jiàn)圖3，二維大量程激光位移/撓度測(cè)量裝置由安裝在被測(cè)結(jié)構(gòu)2上的激光發(fā)射部分6和根據(jù)實(shí)際情況相距一定距離安裝的二維激光光斑接收測(cè)量部分7構(gòu)成。
參見(jiàn)圖4A，激光發(fā)射部分6由激光器6-5和激光器安裝支架組成，激光器安裝支架為一個(gè)可變阻尼鉸鏈結(jié)構(gòu)。可變阻尼鉸鏈結(jié)構(gòu)上部分包含一個(gè)中空的安裝座6-1和一個(gè)球形外殼6-2，球形外殼的內(nèi)部裝有可變阻尼液體6-8(此處采用磁流變液體)和一對(duì)由導(dǎo)磁材料和線圈組成的磁極6-3，磁極6-3的控制線6-9經(jīng)安裝座6-1引出，為了避免磁流變液體漏出，特設(shè)有密封圈6-4；可變阻尼鉸鏈下部分包含一個(gè)球形關(guān)節(jié)6-7，一個(gè)擺桿6-6。鉸鏈的上部安裝在被測(cè)結(jié)構(gòu)2上，下部擺桿6-6上安裝激光器6-5，激光光束發(fā)射方向與擺桿垂直。在不給鉸鏈加控制信號(hào)的時(shí)候，鉸鏈的阻尼很小，激光器6-5可以自由擺動(dòng)。結(jié)構(gòu)發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如變化到位置2’(見(jiàn)圖4B)，由于鉸鏈的緣故，轉(zhuǎn)動(dòng)不傳遞到激光器6-5上，但結(jié)構(gòu)的位移可以無(wú)損失的傳遞到激光器6-5上。
參見(jiàn)圖3，二維激光光斑接收測(cè)量部分7由磨沙玻璃屏幕7-1、攝像機(jī)7-4、發(fā)光二極管7-2、保護(hù)外殼7-3等組成。磨沙玻璃屏幕7-1位于前端，與激光光束發(fā)射方向正對(duì)，具有粗糙半透明表面，接收激光光斑。磨沙玻璃屏幕7-1上安裝由四個(gè)作為標(biāo)記的發(fā)光二極管7-2，形成測(cè)量基準(zhǔn)。攝像機(jī)7-4采用數(shù)字式的，安裝在屏幕7-1之后，并被置于與屏幕一起密封連接的保護(hù)外殼7-3內(nèi)，以避免灰塵和水汽的影響。
工作時(shí)，通過(guò)可控阻尼鉸鏈的控制線6-9給鉸鏈加上控制電信號(hào)，磁流變液體的粘度逐漸變大，鉸鏈的阻尼也逐漸變大，這樣激光器6-5的擺動(dòng)被逐漸約束，最終停在豎直向下的位置，激光光束也會(huì)水平射到光斑接收測(cè)量部分7上，光束的方向與結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)關(guān)。此時(shí)，激光光束的位置直接反映了結(jié)構(gòu)的位置，光束直接投射到磨沙玻璃屏幕7-1上，形成光斑，光斑和作為標(biāo)記的發(fā)光二極管7-2經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)攝像機(jī)鏡頭7-4-1在攝像機(jī)的探測(cè)器陣列7-4-2上成像。計(jì)算機(jī)8先對(duì)發(fā)光二極管7-2的像進(jìn)行處理，然后再計(jì)算激光光斑像的重心位置和發(fā)光二極管像的相對(duì)距離，獲得目前光斑的坐標(biāo)；把這個(gè)坐標(biāo)減去初始值，即可以獲得現(xiàn)在光斑的位移值，進(jìn)而得出被測(cè)結(jié)構(gòu)的二維位移。
盡管本發(fā)明主要針對(duì)橋梁的梁和橋塔的二維位移測(cè)量而設(shè)計(jì)，然而本發(fā)明的應(yīng)用并不限于橋梁的位移測(cè)量，可以推廣應(yīng)用到高樓，高塔等其他大型建筑結(jié)構(gòu)的一、二維位移測(cè)量中。另外，盡管本發(fā)明實(shí)施方式中采用磁流變液作為可控阻尼鉸鏈的可變阻尼液體，采用磨沙玻璃屏幕接收光斑，采用發(fā)光二極管作為測(cè)量基準(zhǔn)指示，采用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)作為攝像機(jī)，仍然可以利用電流變液等其他可變阻尼液體制作可控阻尼鉸鏈的可變阻尼液體，采用其他材料的粗糙表面制作屏幕，采用其他發(fā)光或不發(fā)光的標(biāo)記作為基準(zhǔn)指示，采用的模擬攝像機(jī)或數(shù)碼相機(jī)采集信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)本發(fā)明而不背離權(quán)利要求書中所定義的本發(fā)明實(shí)質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1.二維、大量程激光位移/撓度測(cè)量裝置，其特征在于它由激光發(fā)射部分和二維激光光斑接收測(cè)量部分構(gòu)成；激光發(fā)射部分由激光器和激光器安裝支架組成，激光器安裝支架為一個(gè)可變阻尼鉸鏈結(jié)構(gòu)，鉸鏈的上部安裝在被測(cè)結(jié)構(gòu)上，下部擺桿上安裝激光器，激光光束發(fā)射方向與擺桿垂直；二維激光光斑接收測(cè)量部分由激光光斑接收屏幕、攝像機(jī)、發(fā)光或不發(fā)光標(biāo)記組成；激光光斑接收屏幕位于前端，與激光光束發(fā)射方向正對(duì)，具有粗糙半透明表面，發(fā)光或不發(fā)光標(biāo)記安裝在四方形屏幕的四角上，攝像機(jī)安裝在屏幕之后，并被置于與屏幕一起密封連接的保護(hù)外殼內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維大量程激光位移/撓度測(cè)量裝置，其特征在于激光器安裝支架的可變阻尼鉸鏈結(jié)構(gòu)是一個(gè)被可變阻尼液體包圍的一個(gè)球形鉸鏈結(jié)構(gòu)，鉸鏈外殼上安裝有控制電極或磁極。
3.利用權(quán)利要求1所述的裝置進(jìn)行二維大量程激光位移/撓度測(cè)量的方法，包括以下步驟(1)先給激光器安裝支架的可變阻尼鉸鏈結(jié)構(gòu)加上控制信號(hào)，使可變阻尼液體的粘度逐漸變大，鉸鏈的阻尼隨之變大，使擺桿最終停在豎直向下的位置，激光器發(fā)出的激光光束水平射到光斑接收屏幕，在屏幕表面形成光斑；(2)光斑的位置被攝像機(jī)采集并測(cè)量出來(lái)，當(dāng)被測(cè)結(jié)構(gòu)發(fā)生二維位移時(shí)，激光光斑的位置相應(yīng)發(fā)生變化，以發(fā)光或不發(fā)光標(biāo)記作為測(cè)量的基準(zhǔn)，測(cè)量激光光斑和標(biāo)記的相對(duì)位移，通過(guò)分析攝像機(jī)的圖像變化即可計(jì)算出被測(cè)結(jié)構(gòu)的二維位移量。
全文摘要
一種二維大量程激光位移/撓度測(cè)量裝置及測(cè)量方法，其裝置包括激光發(fā)射部分和二維激光光斑接收測(cè)量部分；激光發(fā)射部分由激光器和安裝支架組成，激光器安裝支架為一個(gè)可變阻尼鉸鏈結(jié)構(gòu)；二維激光光斑接收測(cè)量部分由接收屏幕、攝像機(jī)、發(fā)光或不發(fā)光標(biāo)記組成。其測(cè)量方法是通過(guò)控制可控阻尼鉸鏈結(jié)構(gòu)使反映被測(cè)結(jié)構(gòu)位置的激光光束水平射到光斑接收測(cè)量部分上，形成光斑，經(jīng)過(guò)攝像機(jī)對(duì)光斑和標(biāo)記成像，再計(jì)算激光光斑像的重心位置和發(fā)光二極管像的相對(duì)距離，獲得目前光斑的坐標(biāo)，把坐標(biāo)減去初始值，即獲得現(xiàn)在光斑的位移值，得出被測(cè)結(jié)構(gòu)的二維位移。本裝置和方法可以實(shí)現(xiàn)大量程、二維測(cè)量，具有恒定的分辨力，不受被測(cè)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)影響，環(huán)境適應(yīng)性能強(qiáng)。
文檔編號(hào)G01B11/00GK1651855SQ20051002037
公開(kāi)日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2005年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月6日
發(fā)明者朱永, 陳偉民, 符欲梅 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)