激光成像撓度和位移監(jiān)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于建筑檢測(cè)和監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種激光成像撓度和位移監(jiān)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)代路橋、建筑的檢測(cè)中，撓度和位移是兩個(gè)重要參數(shù)。在樓宇、橋梁、公路、山 體改造等的驗(yàn)收和健康狀況評(píng)價(jià)等方面都需要準(zhǔn)確測(cè)量其靜、動(dòng)態(tài)撓度值和位移值。目前， 測(cè)量撓度主要采用水準(zhǔn)儀測(cè)量、全站儀測(cè)量、傾角儀測(cè)量和光電成像測(cè)量等方法。每種方法 都存在一定優(yōu)勢(shì)和缺陷。隨著計(jì)算機(jī)等級(jí)的提高、數(shù)據(jù)采樣技術(shù)的進(jìn)步，以及建筑材料和工 藝的不斷成熟，撓度和位移的監(jiān)測(cè)逐漸朝著集群式、大量程、自動(dòng)化、長(zhǎng)期在線動(dòng)態(tài)測(cè)量的 方向發(fā)展。而現(xiàn)有的測(cè)量技術(shù)尚不能滿足人們對(duì)大型目標(biāo)，甚至是特大型目標(biāo)安全評(píng)估的 需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決現(xiàn)有撓度測(cè)量方法不能滿足大量程、自動(dòng)化、長(zhǎng)期在線動(dòng)態(tài)測(cè)量的需要， 本發(fā)明旨在提供一種激光成像撓度和位移監(jiān)測(cè)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)撓度和位移長(zhǎng)期的雙路實(shí)時(shí) 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，具有自動(dòng)化、高精度和低成本等特點(diǎn)。
[0004] 本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0005] -種激光成像撓度和位移監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟：
[0006] (1)設(shè)備安裝：將激光發(fā)射裝置和控制器一固定在殼體一內(nèi)的電路板上，并將殼 體一作為固定端安裝在待測(cè)目標(biāo)附近的靜止處，將靶標(biāo)、圖像處理器和控制器二固定在殼 體二內(nèi)的電路板上，并將殼體二作為監(jiān)測(cè)端固定在待測(cè)目標(biāo)上產(chǎn)生撓度和位移的部分，靶 標(biāo)內(nèi)延激光傳輸方向依次設(shè)置濾光光幕、鏡頭和圖像傳感器，將圖像傳感器設(shè)置于鏡頭的 光學(xué)焦點(diǎn)，鏡頭與濾光光幕之間的距離與測(cè)量量程呈線性正比例相關(guān)，將圖像處理器的輸 入端與圖像傳感器連接，輸出端與控制器二連接；
[0007] (2)射線校準(zhǔn)：調(diào)節(jié)激光發(fā)射裝置的方位和俯仰角度，使其激光光束的焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn) 濾光光幕的中心，并由控制器一記錄激光發(fā)射裝置的零點(diǎn)；
[0008] (3)激光成像：控制器開啟激光發(fā)射裝置發(fā)射激光光束，并直射在濾光光幕上，鏡 頭將濾光光幕背面的光斑投影在圖像傳感器上，然后由圖像傳感器將圖像信息傳送給圖像 處理器；
[0009] (4)數(shù)據(jù)處理：圖像處理器根據(jù)光斑投影圖像的位移，計(jì)算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的撓度值和 位移值，并發(fā)送至控制器二，控制器二將數(shù)據(jù)編碼后發(fā)送給控制器一。
[0010] 進(jìn)一步的，濾光光幕采用以撓度測(cè)量量程為邊長(zhǎng)的正方形有色有機(jī)玻璃，其顏色 與激光光束顏色一致。
[0011] 進(jìn)一步的，圖像傳感器采用CMOS圖像傳感器，其分辨率為1024*768。
[0012] 進(jìn)一步的，圖像處理器采用FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門整列用于撓度值和位移值的 計(jì)算，從CMOS接收到數(shù)字信號(hào)的圖像數(shù)據(jù)依次經(jīng)過(guò)FPGA、控制器二計(jì)算并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的 撓度值和位移值。
[0013] 進(jìn)一步的，F(xiàn)PGA采用如下算法計(jì)算撓度值和位移值：
[0014] 確定光斑的光強(qiáng)捕獲門限D(zhuǎn)，作為滿足穩(wěn)定捕獲光斑的最小光強(qiáng)值，記錄所有光強(qiáng) 大于D的像素點(diǎn)的坐標(biāo)xn、yn，并記錄捕獲的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)η;
[0015] 則光斑中心像素點(diǎn)的坐標(biāo)xc、yc為：
[0016] , ^ 丄.6 _7] 1.7
[0018] 則撓度值Ydef與位移值Xdls計(jì)算公式如下：
[0019] Ydef =xc*Z; 1. 8
[0020] Xdls = yc*Z ； 1.9
[0021] 其中，Z為設(shè)計(jì)測(cè)量精度。
[0022] 進(jìn)一步的，激光發(fā)射裝置內(nèi)設(shè)有激光器座和多個(gè)激光器，激光器座呈中心對(duì)稱結(jié) 構(gòu)，其對(duì)稱中心通過(guò)螺栓固定在外殼一上，其上均勻、對(duì)稱地設(shè)有安裝激光器的通孔，激光 器一一對(duì)應(yīng)地內(nèi)嵌在通孔中，并通過(guò)電路連接到電路板上?？刂破饕粌?nèi)并行設(shè)有多個(gè)繼電 器，繼電器與激光器 對(duì)應(yīng)連接?？刂破饕煌ㄟ^(guò)繼電器逐一控制激光器的開啟或關(guān)閉。正 常工作時(shí)，同一時(shí)間僅有一個(gè)激光器處于開啟狀態(tài)。
[0023] 進(jìn)一步的，F(xiàn)PGA根據(jù)光強(qiáng)捕獲門限D(zhuǎn)選擇有效像素點(diǎn)的同時(shí)，將全部光斑的光強(qiáng) 信息隨撓度值和位移值一同傳遞給控制器二，經(jīng)過(guò)編碼后一并傳遞給控制器一，控制器一 通過(guò)對(duì)比所接收的光強(qiáng)信息與光強(qiáng)捕獲門限D(zhuǎn)判斷激光器工作健康程度，當(dāng)所接收的光強(qiáng) 信息小于或等于光強(qiáng)捕獲門限D(zhuǎn)時(shí)，判斷當(dāng)前工作的激光器壽命已完結(jié)，遂通過(guò)繼電器進(jìn) 行激光器的切換。
[0024] 進(jìn)一步的，激光器座的邊緣均勻、中心對(duì)稱地設(shè)有可伸縮的預(yù)調(diào)組件，其對(duì)稱中心 的螺栓預(yù)置在彈簧內(nèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)預(yù)調(diào)組件調(diào)節(jié)激光器座的方位和俯仰角度，并由預(yù)置在彈 簧內(nèi)的螺栓進(jìn)行固定。
[0025] 進(jìn)一步的，激光器與激光器座之間還留有間隙，在該間隙內(nèi)均勻、對(duì)稱地設(shè)置有可 伸縮的預(yù)調(diào)組件，通過(guò)調(diào)節(jié)激光器與激光器座之間間隙的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)激光器的方位和 俯仰角度。
[0026] 進(jìn)一步的，控制器一設(shè)有調(diào)校狀態(tài)和工作狀態(tài)，設(shè)備安裝完畢后，手動(dòng)切換至調(diào)校 狀態(tài)，多個(gè)激光器同時(shí)點(diǎn)亮，手動(dòng)調(diào)節(jié)激光器與激光器座之間的預(yù)調(diào)組件，使多個(gè)激光器的 光束聚焦到同一焦點(diǎn)，然后調(diào)節(jié)激光器座邊緣的預(yù)調(diào)組件，使激光器的焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)濾光光幕 的中心，并手動(dòng)將控制器一切換到工作狀態(tài)；進(jìn)入工作狀態(tài)后，控制器一首先進(jìn)入自動(dòng)調(diào)校 模式，記錄每個(gè)激光器的零點(diǎn)，使得激光器切換后的零點(diǎn)保持一致，之后自動(dòng)進(jìn)入正常工作 模式。
[0027] 本發(fā)明結(jié)合了激光成像和光電成像原理，借助激光投影因待測(cè)目標(biāo)的移動(dòng)或形變 帶動(dòng)靶標(biāo)移動(dòng)而發(fā)生偏離，通過(guò)光斑投影的相對(duì)位移計(jì)算待測(cè)目標(biāo)的撓度和位移，具有精 度高、速度快、成本低等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)本發(fā)明采用濾光光幕濾除大量可見光及激光散光，降低 激光光束的強(qiáng)度，延長(zhǎng)圖像傳感器的使用壽命；通過(guò)多個(gè)激光器的自動(dòng)切換延長(zhǎng)整個(gè)監(jiān)測(cè) 儀的工作壽命；通過(guò)調(diào)節(jié)預(yù)調(diào)組件，使得初次安裝以及多個(gè)激光器進(jìn)行切換時(shí)其焦點(diǎn)始終 與濾光光幕中心對(duì)準(zhǔn)，不因人工安裝時(shí)的誤差或待測(cè)點(diǎn)與固定點(diǎn)之間的距離而發(fā)生偏離。 而且本發(fā)明無(wú)需采用成本高昂的高清攝像頭，只需普通的定焦廣角光學(xué)鏡頭即可，極大地 降低了監(jiān)測(cè)儀的成本，便于大規(guī)模批量使用。
【附圖說(shuō)明】
[0028] 圖1為本發(fā)明用于橋梁的安裝位置的示意圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明的工作原理圖。
[0030] 其中，1 :橋壤；2 :橋面；3 :固定端；4 :監(jiān)測(cè)端；5 :激光光束。
[0031] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 本發(fā)明提供一種激光成像撓度和位移監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟：
[0033] (1)設(shè)備安裝：將激光發(fā)射裝置和控制器一固定在殼體一內(nèi)的電路板上，并將殼 體一作為固定端3安裝在待測(cè)目標(biāo)附近的靜止處，將靶標(biāo)、圖像處理器和控制器二固定在 殼體二內(nèi)的電路板上，并將殼體二作為監(jiān)測(cè)端4固定在待測(cè)目標(biāo)上產(chǎn)生撓度和位移的部 分，靶標(biāo)內(nèi)延激光傳輸方向依次設(shè)置濾光光幕、鏡頭和圖像傳感器，將圖像傳感器設(shè)置于鏡 頭的光學(xué)焦點(diǎn)，鏡頭與濾光光幕之間的距離與測(cè)量量程呈線性正比例相關(guān)，將圖像處理器 的輸入端與圖像傳感器連接，輸出端與控制器二連接。
[0034] 無(wú)論是測(cè)量動(dòng)態(tài)撓度或是靜態(tài)撓度，殼體一作為固定端3可以固定在待測(cè)目標(biāo)或 周圍相對(duì)靜止的建筑物或構(gòu)筑物上，殼體二作為監(jiān)測(cè)端4可以端固定在待測(cè)目標(biāo)產(chǎn)生撓度 或位移的部位。例如，用于監(jiān)測(cè)山體靜態(tài)位移時(shí)，固定端3安裝在待測(cè)山體周圍相對(duì)靜止的 高速公路或其他位置，監(jiān)測(cè)端4安裝在山坡上?？蛇M(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)預(yù)警山體滑坡。用于橋梁 撓度和位移的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，固定端3安裝在待測(cè)橋梁一端的橋墩1上，監(jiān)測(cè)端4安裝在待測(cè) 橋梁兩端橋墩1之間橋面2的中點(diǎn)處，如圖1所示。
[0035] (2)射線校準(zhǔn)：調(diào)節(jié)激光發(fā)射裝置的方位和俯仰角度，使其激光光束5的焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn) 濾光光幕的中心，并由控制器一記錄激光發(fā)射裝置的零點(diǎn)。
[0036] (3)激光成像：控制器開啟激光發(fā)射裝置發(fā)射激光光束5,并直射在濾光光幕上， 鏡頭將濾光光幕背面的光斑投影在圖像傳感器上，然后由圖像傳感器將圖像信息傳送給圖 像處理器。
[0037] (4)數(shù)據(jù)處理：圖像處理器根據(jù)光斑投影圖像的位移，計(jì)算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的撓