專利名稱：一種自動(dòng)調(diào)平調(diào)向智能激光斷面儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于幾何尺寸測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高精度自動(dòng)調(diào)平調(diào)向智能激光斷面儀，尤其適用于隧道，橋梁等拱形橫斷面的面型檢測與監(jiān)測及安全預(yù)警。
背景技術(shù)：
隨著高鐵、城市地下交通以及橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，隧道施工時(shí)，欠挖和過挖均會(huì)影響隧道管片的安裝，若管片安裝好后重新修補(bǔ)隧道面，會(huì)帶來額外的人力成本和工程造價(jià)成本。安裝好的隧道管片隨著使用時(shí)間的變長會(huì)因?yàn)閼?yīng)力作用、地質(zhì)變動(dòng)等出現(xiàn)松動(dòng)、嚴(yán)重時(shí)會(huì)脫落下掉，影響隧道內(nèi)行車安全?；诖?，隧道施工過程中的隧道橫斷面型檢測和隧道挖掘完成后的隧道面型監(jiān)測變得非常迫切且意義深遠(yuǎn)。1986年瑞士安伯格公司率先推出激光斷面儀，該斷面儀最高精度±5mm，國內(nèi)于1987年由鐵道部專業(yè)設(shè)計(jì)研究院研制出國產(chǎn)激光斷面儀，該款斷面儀精度較低，只有
2.5%。，2001年北京工業(yè)大學(xué)研制出一種結(jié)合激光測距技術(shù)和數(shù)字測角技術(shù)的巷道斷面檢測儀，2002年中鐵隧道集團(tuán)強(qiáng)力機(jī)械有限公司推出一款利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用氣泡法調(diào)水平的簡易型激光斷面儀，2010年，同濟(jì)大學(xué)提出一種由九個(gè)激光測距儀組成的扇形組合車載斷面儀，理論誤差±2.733mm。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高精度自動(dòng)調(diào)平調(diào)向智能激光斷面儀，該激光斷面儀很好的解決了以往激光斷面儀靠人工微調(diào)而不能智能調(diào)平測量姿態(tài)的問題，能進(jìn)行隧道斷面面型檢測又能長期監(jiān)測，且能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。本發(fā)明提供的一種自動(dòng)調(diào)平調(diào)向智能激光斷面儀，其特征在于，它包括電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，無線通信模塊，第一減速步進(jìn)電機(jī)，彈性聯(lián)軸器，帶軸承的軸承座，第二減速步進(jìn)電機(jī)，三維電子羅盤，以及激光測距傳感器；電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)和無線通信模塊固定在第一連接底板上；第一減速步進(jìn)電機(jī)和帶軸承的軸承座均固定在第二連接板上，第二連接板固定在電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)上；第二減速步進(jìn)電機(jī)固定于第一托板上，第一托板通過軸承座與第一減速步進(jìn)電機(jī)連接在一起，三維電子羅盤和激光測距傳感器均布置在第二托板上；第二托板與第二減速步進(jìn)電機(jī)的軸端連接在一起,第一減速步進(jìn)電機(jī)、第二減速步進(jìn)電機(jī)和激光測距傳感器均與無線通訊模塊通過串口數(shù)據(jù)線連接，無線通信模塊用于控制指令和測量數(shù)據(jù)的無線接收與發(fā)送?；诂F(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供的激光斷面儀的智能體現(xiàn)在系統(tǒng)安裝時(shí)底座不需精確調(diào)水平，系統(tǒng)能夠針對(duì)自身姿態(tài)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)水平，且控制指令和測量數(shù)據(jù)均采用無線通信方式進(jìn)行傳輸。自動(dòng)調(diào)平調(diào)向是指斷面儀能定時(shí)根據(jù)隧道設(shè)計(jì)軸向方向和隧道軌道面坡度進(jìn)行自我方位調(diào)整，當(dāng)斷面儀安裝在隧道壁進(jìn)行隧道斷面長期監(jiān)測時(shí)，由于地質(zhì)變動(dòng)造成支座扭轉(zhuǎn)變形，斷面儀會(huì)根據(jù)斷面儀水平方位角和坡度角的變動(dòng)值結(jié)合隧道設(shè)計(jì)走向進(jìn)行自我姿態(tài)校正，保證激光測距傳感器掃描斷面與隧道走向設(shè)計(jì)軸線垂直，從而很好的保證斷面儀的長期測量精度。本發(fā)明中儀器控制和數(shù)據(jù)傳輸均采用無線傳輸方式，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。


圖1是本發(fā)明中高精度自動(dòng)調(diào)平調(diào)向智能激光斷面儀的裝配圖；圖2是本發(fā)明中高精度自動(dòng)調(diào)平調(diào)向激光斷面儀進(jìn)行隧道面面型檢測的示意圖；圖3是本發(fā)明中高精度自動(dòng)調(diào)平調(diào)向激光斷面儀進(jìn)行隧道面面型監(jiān)測的示意圖；圖4為托板(包括第一托板和第二托板)外觀示意圖；圖中，I是第一連接底板，2是電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，3是無線通信模塊，4是第二連接板，5是第一減速步進(jìn)電機(jī)，6是彈性聯(lián)軸器，7是帶軸承的軸承座，8是第一托板，9是第二減速步進(jìn)電機(jī)，10是第二托板，11是三維電子羅盤，12是激光測距傳感器，13是固定支撐架，14是隧道壁，15是光學(xué)三腳架。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說明。在此需要說明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。如圖1、2和圖3所示，本發(fā)明提供的一種高精度自動(dòng)調(diào)平調(diào)向智能激光斷面儀，包括電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)2，無線通信模塊3，第一減速步進(jìn)電機(jī)5，彈性聯(lián)軸器6，帶軸承的軸承座7，第二減速步進(jìn)電機(jī)9，三維電子羅盤11，激光測距傳感器12。電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)2和無線通信模塊3固定在第一連接底板I上。第一減速步進(jìn)電機(jī)5，帶軸承的軸承座7均固定在第二連接板4上，第二連接板4固定在電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)2上。第二減速步進(jìn)電機(jī)9固定于第一托板8上,第一托板8通過軸承座7與第一減速步進(jìn)電機(jī)5連接在一起，三維電子羅盤11和激光測距傳感器12均布置在第二托板10上。第二托板10與第二減速步進(jìn)電機(jī)9的軸端通過螺釘擰緊而連接在一起。第一減速步進(jìn)電機(jī)5、第二減速步進(jìn)電機(jī)9和激光測距傳感器12均通過串口數(shù)據(jù)線16與無線通訊模塊3連接，無線通信模塊3負(fù)責(zé)控制指令和測量數(shù)據(jù)的無線接收與發(fā)送。為提高斷面儀的測量精度，電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)2應(yīng)盡量使用高精密電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)。為了進(jìn)一步提高本發(fā)明提供的斷面儀的測量精度，應(yīng)滿足以下定位要求:第二減速步進(jìn)電機(jī)9的輸出軸軸心線與第一減速步進(jìn)電機(jī)5輸出軸軸心線要相互垂直。激光測距傳感器12的掃描平面要和第二步進(jìn)電機(jī)9保證垂直，當(dāng)二者不垂直時(shí)，掃描的隧道截面將會(huì)是橢圓形，從而造成較大的測量誤差。為保證儀器安裝支架具有良好通用性，斷面儀通過第一連接底板I與支座連接，底板設(shè)計(jì)的安裝孔使得安裝支座可以是常用的光學(xué)三腳架15，也可以是固定在隧道壁的普通固定支撐架13。為了更進(jìn)一步提高本發(fā)明提供的斷面儀的測量精度，還應(yīng)滿足以下定位要求:三維電子羅盤11和激光測距傳感器12的布置要使得二者的重心落在第二減速步進(jìn)電機(jī)9的輸出軸軸心線上，提高第二減速步進(jìn)電機(jī)9的旋轉(zhuǎn)均勻性。本發(fā)明提供的斷面儀的工作過程為:
第一步姿態(tài)調(diào)正:儀器安裝完畢后，無線通信模塊3接收指令后讀取三維電子羅盤11的航向角α和坡度角β和橫滾角Y，首先由α的值發(fā)送脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)2將第二減速步進(jìn)電機(jī)9的軸線與隧道設(shè)計(jì)施工軸線調(diào)至同軸，然后由β的值發(fā)送脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)第一減速步進(jìn)電機(jī)5將第二減速步進(jìn)電機(jī)9的軸線調(diào)至與隧道實(shí)際坡面平行。至此，通過前述調(diào)節(jié)保證了激光測距傳感器掃面截面與隧道軸線垂直，測量儀的姿態(tài)調(diào)節(jié)完畢。第二步周向掃描測量:發(fā)送脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)減速步進(jìn)電機(jī)2周向旋轉(zhuǎn)，使Y角每次轉(zhuǎn)過一定角度，實(shí)現(xiàn)隧道斷面的周向掃描測量。激光測距傳感器12的測量數(shù)據(jù)通過串口數(shù)據(jù)線傳輸至無線通信模塊3，無線通信模塊3再將測量數(shù)據(jù)發(fā)送出去。當(dāng)進(jìn)行隧道橫斷面超欠挖測量時(shí)，整個(gè)測量系統(tǒng)安裝在光學(xué)三腳架15上，光學(xué)三角架放置在隧道中線軌道面上，如附圖2所示，激光斷面儀置于光學(xué)三腳架15上，光學(xué)三腳架位于隧道中線上，隨隧道施工依次向前推進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)隨隧道施工實(shí)時(shí)測量。測量系統(tǒng)的自我調(diào)平調(diào)向功能可保證光學(xué)三腳架不需精確調(diào)平，測量完一個(gè)斷面后移動(dòng)光學(xué)三腳架至下一個(gè)斷面即可繼續(xù)測量，極大的節(jié)省了測量時(shí)間，提高了工作效率，減少了測量對(duì)隧道施工的影響。當(dāng)進(jìn)行隧道橫斷面面型長期監(jiān)測時(shí)，其目的主要是監(jiān)測隧道形變，預(yù)防隧道管片由于地質(zhì)變動(dòng)造成脫落，掉到軌道上影響行車安全。進(jìn)行長期監(jiān)測時(shí)，測量系統(tǒng)固定在隧道壁的固定支撐架13上面，以對(duì)隧道斷面進(jìn)行長期監(jiān)測，測量數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式傳輸至控制室。如附圖3所示，激光斷面儀至于固定支撐架13上，固定支架通過螺釘安裝在隧道壁上，隧道壁發(fā)生變動(dòng)造成固定支架形變時(shí)，本發(fā)明中的激光斷面儀會(huì)自我調(diào)平調(diào)整，從而保證長期測量精度。進(jìn)行隧道斷面面型監(jiān)測的主要誤差影響因素是地質(zhì)變動(dòng)造成固定于隧道壁的支座扭轉(zhuǎn)變形，而本發(fā)明中的測量系統(tǒng)能針對(duì)支座扭轉(zhuǎn)進(jìn)行自我調(diào)平調(diào)向，極大的保證了長期測量精度。傳統(tǒng)監(jiān)測方法是定時(shí)派遣工人進(jìn)入隧道內(nèi)進(jìn)行測量，而本發(fā)明的隧道斷面長期監(jiān)測功能省掉了長時(shí)間的人力投入，測量系統(tǒng)定時(shí)通過無線傳輸方式將斷面面型信息發(fā)送至洞外操作室即可完成監(jiān)測任務(wù)。總之，本發(fā)明借助三維電子羅盤的方位指示進(jìn)行自動(dòng)調(diào)平調(diào)向，既能隨隧道施工實(shí)時(shí)測量隧道斷面面型，判斷是否有超欠挖，又能在隧道施工完畢后進(jìn)行隧道面型長期監(jiān)測，很好的解決了以往激光斷面儀靠人工微調(diào)而不能隨時(shí)自動(dòng)調(diào)平測量姿態(tài)，僅用于隧道斷面檢測而不能長期監(jiān)測的問題。具有精度高，操作簡單方便，安裝時(shí)能一鍵自動(dòng)調(diào)平調(diào)向，儀器便于拆裝后重復(fù)使用，在隧道監(jiān)測時(shí)能很好的針對(duì)地質(zhì)變動(dòng)造成的基座錯(cuò)位和扭轉(zhuǎn)進(jìn)行自我調(diào)平調(diào)向校正，從而保證長期測量精度，控制指令和測量數(shù)據(jù)通過無線通信模塊進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種自動(dòng)調(diào)平調(diào)向智能激光斷面儀，其特征在于，它包括電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)(2)，無線通信模塊(3)，第一減速步進(jìn)電機(jī)(5)，彈性聯(lián)軸器￠)，帶軸承的軸承座(7)，第二減速步進(jìn)電機(jī)(9)，三維電子羅盤(11)，以及激光測距傳感器(12)； 電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)(2)和無線通信模塊(3)固定在第一連接底板(I)上；第一減速步進(jìn)電機(jī)(5)和帶軸承的軸承座(7)均固定在第二連接板(4)上，第二連接板(4)固定在電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)(2)上；第二減速步進(jìn)電機(jī)(9)固定于第一托板(8)上，第一托板(8)通過軸承座(7)與第一減速步進(jìn)電機(jī)(5)連接在一起，三維電子羅盤(11)和激光測距傳感器(12)均布置在第二托板(10)上； 第二托板(10)與第二減速步進(jìn)電機(jī)(9)的軸端連接在一起,第一減速步進(jìn)電機(jī)(5)、第二減速步進(jìn)電機(jī)(9)和激光測距傳感器(12)均與無線通訊模塊(3)通過串口數(shù)據(jù)線(16)連接，無線通信模塊(3)用于控制指令和測量數(shù)據(jù)的無線接收與發(fā)送。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)調(diào)平調(diào)向智能激光斷面儀，其特征在于，借助三維電子羅盤的方位指示進(jìn)行自動(dòng)調(diào)平調(diào)向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)調(diào)平調(diào)向智能激光斷面儀，其特征在于，第二減速步進(jìn)電機(jī)(9)的輸出軸軸心線與第一減速步進(jìn)電機(jī)(5)輸出軸軸心線要相互垂直。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的自動(dòng)調(diào)平調(diào)向智能激光斷面儀，其特征在于，激光測距傳感器(12)的掃描平面與第二步進(jìn)電機(jī)(9)垂直。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的自動(dòng)調(diào)平調(diào)向智能激光斷面儀，其特征在于，三維電子羅盤(11)和激光測距傳感器(12)的布置使得二者的重心落在第二減速步進(jìn)電機(jī)(9)的輸出軸軸心線上。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的自動(dòng)調(diào)平調(diào)向智能激光斷面儀，其特征在于，三維電子羅盤(11)和激光測距傳感器 (12)的布置使得二者的重心落在第二減速步進(jìn)電機(jī)(9)的輸出軸軸心線上。
全文摘要
本發(fā)明屬于幾何尺寸測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種自動(dòng)調(diào)平調(diào)向智能激光斷面儀，包括電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，無線通信模塊，第一、第二減速步進(jìn)電機(jī)，帶軸承的軸承座，三維電子羅盤，以及激光測距傳感器。本發(fā)明借助三維電子羅盤的方位指示進(jìn)行自動(dòng)調(diào)平調(diào)向，很好的解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。本激光斷面儀既能隨隧道施工實(shí)時(shí)測量隧道斷面面型，判斷是否有超欠挖，又能在隧道施工完畢后進(jìn)行隧道面型長期監(jiān)測，具有精度高，操作簡單方便，儀器便于拆裝后重復(fù)使用，在隧道監(jiān)測時(shí)能很好的針對(duì)地質(zhì)變動(dòng)造成的基座錯(cuò)位和扭轉(zhuǎn)進(jìn)行自我調(diào)平調(diào)向校正，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。
文檔編號(hào)G01C7/06GK103175510SQ20131008012
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月13日
發(fā)明者趙斌, 汪琛, 曹智穎, 陳海平 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)