CN112240761A - 一种激光静力水准自动化监测***及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及点状激光的发射装置、接收及采集装置、分析及解析处理程序领域，具体来说是一种激光静力水准自动化监测***及监测方法，监测装置包括激光发射装置、信号接收装置和数据处理装置，所述激光发射装置包括独立激光发射器和位移平衡调节器，所述独立激光发射器安装在所述位移平衡调节器上，所述位移平衡调节器可以自动对调整独立激光发射器的发射角度，且所述数据处理装置能更好的分辨所述激光发射器发射的激光中心，能够实现自动实时测量的要求，受到外界环境因素影响较小，所测量的数据更加准确、可靠，克服了传统静力水准仪管路内部的液体因平衡而不能实时测量的缺点。

Description

一种激光静力水准自动化监测***及监测方法

技术领域

本发明涉及点状激光的发射装置、接收及采集装置、分析及解析处理程序等领域，具体来说是一种激光静力水准自动化监测***及监测方法。

背景技术

静力水准仪是测量高差及其变化的精密仪器，传统静力水准仪主要采用高精度液位测量***测量多点的相对沉降，仪器由一系列含有液位传感器的容器组成，多个容器间由充满液体的连通管连接在一起。基准容器位于稳定的基准点上，任何一个容器与基准容器间的高程变化都将引起相应容器内的液位变化。通过测量液位变化即可获取测点的高程变化，主要用于管廊、大坝、核电站、高层建筑、基坑、隧道、桥梁、地铁等垂直位移的监测。但是在实际应用中，传统静力水准仪由于液体的粘滞作用，静力水准仪管路内部的液体需要时间才能流动并且平衡，那么，在这段时间内，就无法实现高速测量沉降变化量，因此其在实际应用时就具有一定的局限性。

近年来由于技术的进步，采用磁致伸缩式、压差式等技术应用于静力水准测量***中。但是这些方法不是直接测量长度，而是通过电信号转换实现位移的测量，容易受到外界的电磁干扰。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种不易受到干扰的静力水准仪。

为了实现上述目的，设计一种激光静力水准自动化监测***，包括激光发射装置、信号接收装置和数据处理装置，其特征在于，所述激光发射装置包括独立激光发射器和位移平衡调节器，所述独立激光发射器安装在所述位移平衡调节器上，所述位移平衡调节器包括水平调节盘、竖向调节螺丝和铅锤控制器，所述水平调节盘上设有滑槽，用于使所述独立激光发射器左右旋转以调节水平位置，所述竖向调节螺丝分别与所述独立激光发射器和所述水平调节盘连接，所述竖向调节螺丝包括两个调高螺丝，通过调节两个调高螺丝之间的高差以控制独立激光发射器的竖向发射角度，所述铅锤控制器安装在水平调节盘上，用于根据外部环境对激光发射装置的影响，自动平衡独立激光发射器。

本发明还具有如下优选的技术方案：

进一步的，所述激光发射装置还包括底座，所述铅锤控制器安装在所述底座中，所述铅锤控制器包括顶板，十字轴和铅锤，所述十字轴通过轴承转动连接在所述底座侧壁上，所述铅锤包括相互连接的螺杆与重块，所述螺杆连接在所述十字轴上，所述顶板安装在所述轴承的轴承座上。

进一步的，所述顶板上还设有转轴，所述转轴与所述螺杆连接，所述顶板上还设有中轴，所述转轴通过中轴与所述水平调节盘连接。

进一步的，所述激光发射装置还包括电源，所述电源用于向所述独立激光发射器供电。

进一步的，所述信号接收装置内安装了控制电路板，控制电路板用于数据采集、数据校验、数据存储、数据通信和连接互联网，通过所述控制电路板与数据处理装置交互，实现测量过程的控制。

进一步的，所述信号接收装置还包括工业相机，所述工业相机与所述控制电路板连接，用于将所述独立激光发射器发射的激光信号转换为图像信号，并通过控制电路板将图像信号传输给所述数据处理装置。

进一步的，所述数据处理装置用于处理信号接收装置采集的数据，并计算相对位移。

本发明的另一方面，还涉及一种激光静力水准自动化监测方法，包括以下步骤：

S1、激光发射装置向信号接收装置发射激光，通过数据处理装置进行校准，获取基准数据；

S2、校准完成后，激光发射装置自动调平，保证激光发射装置的平衡状态，进行测量，所述信号接收装置接收测量图像；

S3、所述信号接收装置将测量图像发送至数据处理装置，经数据处理装置处理后与基准数据进行比对，获取相对位移测量结果。

进一步的，所述数据处理装置进行校准的步骤中包括：

S11、通过激光光斑的边界获取激光基准光斑中心。

进一步的，所述数据处理装置处理所述测量数据的步骤包括：

S31、所述数据处理装置对信号接收装置采集的测量图像进行数字图像处理，通过算法计算光斑轮廓与中心，对不同测量时刻的光斑中心信息比对，计算出本次光斑中心与上次光斑中心、基准光斑中心的相对位置变化，从而得到对端与本端相对水平与垂直位移变化；

发明的有益效果

本发明所提供的一种激光静力水准自动化监测***及监测方法的优点包括但不限于：

(1)应用激光静力水准自动化监测***能够实现自动实时测量的要求，克服了传统静力水准仪管路内部的液体因平衡而不能实时测量的缺点。

(2)基于激光静力水准的自动化监测设备，不仅可以测量两点间的相对竖向位移还可以测量相对水平位移，通过激光感知两点间距离，形成三维坐标体系。

(3)通过改进的***、数据处理模式以及自适应的调节监测频率，大大提高了监测的效率。

(4)数据处理软件重新定义了光斑的明暗边界，并且剔除了周围环境对激光光线传播路径的影响，使得测量结果更加准确；

(5)自主研发了激光发射装置的自平衡***，该平衡***能够实时根据外部环境对发射装置的影响(包括晃动、偏移等情况)平衡激光发射器，使之能够实时保持初始位置的状态，保证测量的精度；

(6)该激光静力水准自动化监测***的激光发射模块和激光光斑接收及解析模块均集成在封闭的箱子内，受到外界环境因素影响较小，所测量的数据更加准确、可靠。

附图说明

图1示例性示出了本发明的激光发射装置的铅锤控制器的结构示意图；

图2示例性示出了本发明的水平调节盘的结构示意图

图3示例性示出了本发明的信号接收装置示意图；

图4示例性示出了本发明的数据处理装置获取基准数据的示意图；

图5示例性示出了本发明的数据处理装置获取测量数据的示意图。

图中：1.顶板 2.十字轴 31.螺杆 32.重块 4.轴承 5.转轴 6.中轴 7.滑槽 8.工业相机 9.控制电路板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明采用的技术方案作进一步说明。

参照图1，激光发射装置主要由独立电源、点状激光发射器、位移平衡调节装置等组成，独立电源用于为点状激光发射器供电；平衡调节装置主要由水平调节盘、竖向调节螺丝及铅锤控制器组成，水平调节盘通过左右旋转来控制点状激光器的水平发射角度；通过调节两个竖向调节螺丝所形成的的前后位置竖向位移差值来控制激光发射器的竖向发射角度；为了减小外部环境(如风、雨等)的影响，还自主研发了激光发射装置的铅锤控制器，该铅锤控制器能够实时根据外部环境对发射装置的影响(晃动、偏移等情况)平衡激光发射器，使之能够实时保持初始位置的状态，保证测量的精度。以防其在测量过程中产生晃动、偏移等情况。

其中，所述水平调节盘上设有滑槽，参见图2，用于使所述独立激光发射器左右旋转以调节水平位置，所述竖向调节螺丝分别与所述独立激光发射器和所述水平调节盘连接，所述竖向调节螺丝包括两个调高螺丝，通过调节两个调高螺丝之间的高差以控制独立激光发射器的竖向发射角度，所述位移平衡调节装置还包括一用于安装所述水平调节盘及竖向调节螺丝的底座，所述铅锤控制器安装在所述底座中，所述铅锤控制器包括顶板，十字轴和铅锤，所述十字轴通过轴承转动连接在所述底座侧壁上，所述铅锤包括相互连接的螺杆与重块，所述螺杆连接在所述十字轴上，所述顶板安装在所述轴承的轴承座上。所述顶板上还设有转轴，所述转轴与所述螺杆连接，所述顶板上还设有中轴，所述转轴通过中轴与所述水平调节盘连接。

参见图3，信号接收装置主要由接收板、工业相机、散热器、移动装置等组成。信号接收装置内安装了控制电路板，控制电路板集成了数据采集、数据校验、数据存储、数据通信和上网功能，通过与平台服务器交互，实现测量过程的控制。

数据处理装置主要包括点状光斑处理输入、输出程序，该程序对拍摄到的光斑照片进行数字图像处理，通过算法计算光斑轮廓与质心，对不同测量时刻的光斑信息比对，计算出本次光斑与上次光斑、初始光斑的相对位置变化，从而得到对端与本端相对水平与垂直位移变化；用户在移动终端或者电脑终端获得相对位移测量结果。

所述数据处理装置，参见图4和图5，采用光斑能量分布百分比的方法对光斑中心信息进行数据处理，重新定义了光斑的边界，划定了光斑周围明暗的分界线，首先粗略判断激光光斑的中心，然后从初次判断的激光中心向四周扩展一定的像素，当扩展到一定程度，激光能量会产生衰减，定义激光边界能量为

由

的像素点组成的边界为光斑的明暗分界线，确定边界后，再反演光斑中心，重复上述步骤多次，最后通过计算取平均值来最终确定光斑的中心，使得软件提取的光斑中心信息更加准确；除此之外，激光在传播路径中受水蒸气及其他因素影响会产生折射，造成激光传播路径的微小变化，并影响工业相机的采集帧数，根据对激光采集的帧数的判断，剔除了周围环境对激光的折射影响，提高了测量精度。当光线以任意角度入射时，此时光斑中心落在光屏上任意位置，这样会在四个数字象限内均占有一定面积，占用的面积不同或者光照强度不同，各个象限就会产生的不同的强度值，利用这些强度值在横向和纵向分别做差再除以四个数字象限的光照总强度即可获得光斑中心在CCD感光面上的横向和纵向的相对位置。如图4所示。此时光斑中心坐标为(x，y)，其中V(D00)、V(D01)、V(D10)和V(D11)为四个数字象限的光照强度。

即可获得光斑中心坐标。通过两次测量中，光斑中心的坐标位移，可以很轻松的获得两次测量之间，待测物体的位移。同时，只需要简单的调整两次测量之间的时间间隔，就可以根据需求随时获取位移信息，这样就大大提高了监测的效率。

以上所述，仅为此发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案和新型的构思加于等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光静力水准自动化监测***，包括激光发射装置、信号接收装置和数据处理装置，其特征在于，所述激光发射装置包括独立激光发射器和位移平衡调节器，所述独立激光发射器安装在所述位移平衡调节器上，所述位移平衡调节器包括水平调节盘、竖向调节螺丝和铅锤控制器，所述水平调节盘上设有滑槽，用于使所述独立激光发射器左右旋转以调节水平位置，所述竖向调节螺丝分别与所述独立激光发射器和所述水平调节盘连接，所述竖向调节螺丝包括两个调高螺丝，通过调节两个调高螺丝之间的高差以控制独立激光发射器的竖向发射角度，所述铅锤控制器安装在水平调节盘上，用于根据外部环境对激光发射装置的影响，自动平衡独立激光发射器。

2.根据权利要求1所述的一种激光静力水准自动化监测***，其特征在于，所述激光发射装置还包括底座，所述铅锤控制器安装在所述底座中，所述铅锤控制器包括顶板，十字轴和铅锤，所述十字轴通过轴承转动连接在所述底座侧壁上，所述铅锤包括相互连接的螺杆与重块，所述螺杆连接在所述十字轴上，所述顶板安装在所述轴承的轴承座上。

3.根据权利要求2所述的一种激光静力水准自动化监测***，其特征在于，所述顶板上还设有转轴，所述转轴与所述螺杆连接，所述顶板上还设有中轴，所述转轴通过中轴与所述水平调节盘连接。

4.根据权利要求3所述的一种激光激光静力水准自动化监测***，其特征在于，所述激光发射装置还包括电源，所述电源用于向所述独立激光发射器供电。

5.根据权利要求1所述的一种激光静力水准自动化监测***，其特征在于，所述信号接收装置内安装了控制电路板，控制电路板用于数据采集、数据校验、数据存储、数据通信和连接互联网，通过所述控制电路板与数据处理装置交互，实现测量过程的控制。

6.根据权利要求5所述的一种激光静力水准自动化监测***，其特征在于，所述信号接收装置还包括工业相机，所述工业相机与所述控制电路板连接，用于将所述独立激光发射器发射的激光信号转换为图像信号，并通过控制电路板将图像信号传输给所述数据处理装置。

7.根据权利要求1所述的一种激光静力水准自动化监测***，其特征在于，所述数据处理装置用于处理信号接收装置采集的数据，并计算相对位移。

8.一种激光静力水准自动化监测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、激光发射装置向信号接收装置发射激光，通过数据处理装置进行校准，获取基准数据；

S2、校准完成后，激光发射装置自动调平，保证激光发射装置的平衡状态，进行测量，所述信号接收装置接收测量图像；

S3、所述信号接收装置将测量图像发送至数据处理装置，经数据处理装置处理后与基准数据进行比对，获取相对位移测量结果。

9.根据权利要求8所述的一种激光静力水准自动化监测方法，其特征在于，所述数据处理装置进行校准的步骤中包括：

S11、通过激光光斑的边界获取激光基准光斑中心。

10.根据权利要求9所述的一种激光静力水准自动化监测方法，其特征在于，所述数据处理装置处理所述测量数据的步骤包括：

S31、所述数据处理装置对信号接收装置采集的测量图像进行数字图像处理，通过算法计算光斑轮廓与中心，对不同测量时刻的光斑中心信息比对，计算出本次光斑中心与上次光斑中心、基准光斑中心的相对位置变化，从而得到对端与本端相对水平与垂直位移变化。

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