CN114459427A - 一种自动调平高精度测量仪及测量方法 - Google Patents

一种自动调平高精度测量仪及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自动调平高精度测量仪及测量方法，用于测量建筑物、大型构件类设备的沉降值和水平位移值。该测量仪包括调平***、主控***和电子水准尺，其中调平***包括吊杆、激光器、下摆部分及阻尼***，激光器与下摆部分成90度固接，激光器与吊杆通过吊点连接；主控***包括主机控制***、通信***和旋转电动机，用于完成主机和电子水准尺上从机的通信，并控制激光器的转动及发射；电子水准尺包括水准尺、成像***、升降电动机，其中成像***由透镜、图像传感器及控制模块组成。该测量仪利用下摆部分静止时重心竖直向下的特性完成激光器的自动安平，使激光器射出水平准直激光光束到固定的水准尺上的成像***并完成竖向及水平位移测量。

Description

一种自动调平高精度测量仪及测量方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种自动调平高精度测量仪及测量方法。
背景技术
目前，对于建筑物、大型构件类设备的沉降值和水平位移值的测量大多采用以下方式：1)基于全站仪来测量。其缺点在于全站仪在测量时，需要由专业技术人员去测量、观察，难以实现全自动实时测量和数据的传输，并且人为误差较大；2)采用自动测量机器人来测量。其缺点是自动测量机器人价格非常高，维护麻烦，不适于大面积推广和应用。如今市场上的自动安平测量仪，是在一定的竖轴倾斜范围内，利用补偿器自动获取视线水平时水准标尺读数的测量仪。这种自动安平测量仪用自动安平补偿器代替管状水准器，在仪器微倾时补偿器受重力作用而相对于望远镜筒移动，使视线水平时标尺上的正确读数通过补偿器后仍旧落在水平十字丝上。用此类测量仪观测时，当圆水准器气泡居中仪器放平之后，不需再经手工调整即可读得视线水平时的读数。它简化了操作手续，提高了作业速度，减少了外界条件变化所引起的观测误差。但是，由于其无法解决通过望远镜在水准尺上读取数据的读数误差，以及三大***误差：视准线零位误差、视准线补偿误差、补偿交叉误差。基于此，研究人员提出一些新方法，中国专利：一种激光位移测量装置及其测量方法，201810772647.4,2018-07-13,该发明通过激光测距仪发射激光至检测面上，通过面阵CCD扫描装置在检测面内的来回扫描，可实现对光斑形状和位置的判断，并通过测量光斑在检测面的位置变化来计算测量装置的沉降值。但是由于现今面阵CCD装置尺寸较小，来回扫描光斑效率会较低，且装置固定在桥墩上激光水平效果不好。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种自动调平高精度测量仪及测量方法。该测量仪利用调平***静止时重心竖直向下的特性自动安平，利用阻尼***减轻振动的影响，从而使没有附加倾角的激光器快速射出准直激光光束。激光器发出的水平光束射入到透镜上，刻度标识及激光光斑经过透镜缩放后投射至图像传感器的感光点阵上，从机控制模块通过图像传感器获取的数据推算出水平或者竖向的位移。同时，测量仪通过具有旋转功能的电动机与升降电动机完成不同测点的自动化测量。
本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种自动调平高精度测量仪，其特征在于，所述测量仪包括调平***、主控***、电子水准尺和装置外壳；
所述调平***包括吊杆、激光器、下摆部分及阻尼***，其中，所述激光器与下摆部分成90度固接，所述吊杆与装置外壳采用铰接，所述激光器与吊杆通过吊点连接，所述下摆部分放置在阻尼***中，通过阻尼***消除振动；
所述主控***包括主机控制模块、主通信模块及旋转电动机，所述旋转电动机接收主机控制模块的控制指令；所述旋转电动机与激光器通过吊点连接，控制激光器旋转并射出水平准直激光；
所述电子水准尺包括水准尺、成像装置、从通信模块、从机控制模块及升降电动机，所述成像装置包括透镜和图像传感器，所述成像装置通过升降电动机驱动力在水准尺上下滑动，所述升降电动机接收从机控制模块的控制指令；
所述测量仪利用调平***稳定时处于竖直状态的特性完成激光器的自动安平，从而使激光器射出水平准直激光光束到固定的水准尺的图像传感器上测量水平、竖向坐标；
所述调平***与电子水准尺竖直放置，所述激光器发出的水平光束射入到透镜上，刻度标识及激光光斑经过透镜缩放后投射至图像传感器的感光点阵上，所述从机控制模块通过图像传感器获取的坐标推算出光斑在水平、竖向的位移。
优选的实施方式中，所述阻尼***为盛有高粘度液体的器皿，在下摆部分往复运动中通过液压阻力使摆动快速停止；或者所述阻尼***为由磁铁和铝板构成的磁阻尼器，其中磁铁设置于单摆***底部，并位于铝板上方，在下摆部分往复运动中通过切割磁感线作用使摆动快速停止，消除振动的影响。
优选的实施方式中，所述测量仪利用调平***中下摆部分静止时重心竖直向下的特性完成激光器的自动安平，从而使与其相连的激光器射出水平准直光束。
优选的实施方式中，激光器射出水平激光光束至电子水准尺的透镜上，刻度标识及激光光斑经过透镜缩放至图像传感器感光点阵上，利用高斯成像原理，根据图像传感器上刻度标识与光斑位置推算出入射光束在透镜中的坐标。
优选的实施方式中，在图像传感器前增加透镜组成成像装置，通过透镜使光斑聚焦投射在图像传感器视场内，使图像传感器能精确捕捉到激光。
优选的实施方式中，水准尺每隔一段尺寸设置一个卡槽，当光束射入到水准尺的成像装置上时，通过从机控制模块控制升降电动机使成像装置每次移动到相邻两卡槽之间，直到图像传感器捕捉到光斑信息，将成像装置固定在相邻两卡槽之间，此时进入测量状态。
优选的实施方式中，水准尺的两侧平行线上分别贴有光敏电阻阵列，所述光敏电阻阵列为等间距设置的一系列光敏电阻，当激光器逐步旋转扫射到水准尺的一光敏电阻时，光敏电阻感应并发出信号至从机控制模块，此时激光光束和水准尺在同一个平面内，旋转定位完成；从机控制模块发送指令给从通信模块，主机控制模块接收到主通信模块指令后，控制旋转电动机使激光器停止旋转之后，通过升降电动机驱动成像装置移动，使入射激光射入到高精度的图像传感器内。
优选的实施方式中，旋转电动机控制激光器旋转并调整射出水平准直激光，因此，测量仪通过与吊杆相连的旋转电动机实现自动旋转，测量不同观测点的坐标。
本发明的另一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种自动调平高精度测量仪的测量方法，所述测量方法包括以下步骤：
激光器通过自动调平射出水平准直光束，主控***的旋转电动机控制激光器旋转；
当激光器旋转扫射到水准尺的光敏电阻时，光敏电阻感应并发出信号至从机控制模块，此时激光光束和水准尺在同一个平面内，旋转定位完成；
从机控制模块发送指令给从通信模块，主机控制模块通过主通信模块接收到从通信模块指令后，控制旋转电动机使激光器停止旋转，同时，从机控制模块控制升降电动机使成像装置每次移动到相邻两卡槽之间，直到图像传感器捕捉到光斑信息，将成像装置固定在相邻两卡槽之间进入测量状态；
激光器发出的水平光束射入到透镜上，刻度标识及激光光斑经过透镜缩放后投射至图像传感器的感光点阵上，从机控制模块通过图像传感器获取的数据推算出水平或者竖向的位移。
优选的实施方式中，通过调节阻尼***中液体或者磁流变阻尼器的阻尼比消除振动。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1)本发明公开的自动调平高精度测量仪，利用调平***静止时重心竖直向下的特性自动安平，利用阻尼***减轻振动的影响，从而使没有附加倾角的激光器快速射出准直激光光束。
2)同时，本发明公开的自动调平高精度测量仪通过具有自动旋转功能的旋转电动机自动测量不同测点的坐标，通过图像传感器对光学信号的高精度捕捉完成坐标的测量。
3)本发明还公开了一种自动调平高精度测量仪的测量方法，用于测量建筑物、大型构件类设备的沉降值和水平位移值，相较于现有测量设备繁琐的调平步骤，本发明不需要专业人员进行调平、测量，即可实现自动调平，智能化地自动测量不同测点的数据。
附图说明
图1是本发明公开的自动调平高精度测量仪的结构原理图；
图2是本发明公开的自动调平高精度测量仪的校准原理图；
图3是本发明公开的自动调平高精度测量仪的透镜成像原理图；
图4是电子水准尺的正面图；
图5是电子水准尺的局部侧视图。
其中，附图标记说明如下：1-激光器；2-电子水准尺；3-下摆部分；4-装置外壳；5-阻尼***；6-吊杆；7-旋转电动机；8-主通信模块；9-主机控制模块；10-水准尺；11-透镜；12-图像传感器；13-从机控制模块；14-从通信模块；15-升降电动机；16-光敏电阻阵列；17-刻度标识；18-玻璃板；19-卡槽；20-一号水准尺；21-二号水准尺。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整得描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例公开了一种自动调平高精度测量仪，在图1中，附图标记1为激光器，3为下摆部分，4为装置外壳，5为阻尼***，6为吊杆，该吊杆6、激光器1、阻尼***5和下摆部分3组成调平***，吊杆6与装置外壳4采用铰接，激光器1与下摆部分3采用90度固接，在调平***稳定时，激光器1可以射出水平准直光束。该下摆部分3置于阻尼***5之中，该阻尼***5优选为盛有高粘度液体的器皿或由磁铁和铝板构成的磁阻尼器。高粘度液体既可以减少梁位移测量时其自身液体平面的晃动，也使由下摆部分3快速静止。当阻尼***5为由磁铁和铝板构成的磁阻尼器，其中磁铁设置于单摆***底部，并位于铝板上方，在下摆部分3往复运动中通过切割磁感线作用使摆动快速停止，消除振动的影响。
测量仪包括主控***，其由主机控制模块9、主通信模块8及旋转电动机7组成，旋转电动机7接收主机控制模块9的控制指令；旋转电动机7与激光器1通过吊点连接，控制激光器1旋转并射出水平准直激光。
测量仪还包括电子水准尺2，其由水准尺10、成像装置、从机控制模块13、从通信模块14、升降电动机15组成，水准尺10由光敏电阻阵列16、刻度标识17、玻璃板18组成，成像装置由透镜11和图像传感器12组成，水准尺的两侧平行线上分别贴有光敏电阻阵列，所述光敏电阻阵列为等间距设置的一系列光敏电阻，该成像装置通过升降电动机15提供动力在水准尺上滑动，升降电动机15接收从机控制模块13的控制指令。
调平***与电子水准尺2竖直放置，激光器1发出的水平光束射入到透镜11上，刻度标识17及激光光斑经过透镜11缩放后投射至图像传感器12的感光点阵上，通过该图像传感器12获取的数据推算出竖向的位移，同时，这些推算通过从机控制模块13运算自动完成。参照图1，7为测量仪上的旋转电动机，该旋转电动机使该测量仪具有自动旋转功能，当需要测其他测点的坐标时，主控***的旋转电动机7控制激光器1旋转。当激光器1旋转扫射到水准尺10的某光敏电阻16时，光敏电阻16感应并发出信号至从机控制模块13，此时激光光束和水准尺10在同一个平面内，旋转定位完成。从机控制模块13发送指令给从通信模块14，主机控制模块9通过主通信模块8接受到从通信模块14的指令后，控制旋转电动机7使激光器1停止旋转。同时，从机控制模块13控制升降电动机15使成像装置每次移动到相邻两卡槽19之间，直到图像传感器12捕捉到光斑信息，将成像装置固定在相邻两卡槽19之间。参照图1，采用图像传感器12前增加透镜11组成成像装置21，激光器1射出水平光束至电子水准尺2的透镜11上，刻度标识17及激光光斑经过透镜11缩放后图像传感器12的感光点阵上，参照图3，利用高斯成像原理，根据图像传感器12上光斑竖向位置可以推算出入射光束在透镜11中的位置。如图3，该透镜和透镜焦距的距离f和透镜焦距至图像传感器12的距离d已知推算过程如下：
Figure BDA0003500625130000071
式中，H1为准直光束到透镜11主光轴的距离，H2为刻度标识17原心到透镜11主光轴的距离，h1为投射到图像传感器12的光束到透镜11主光轴的距离，h2为投射到图像传感器12的刻度标识17原心到透镜11主光轴的距离。
图像传感器12上以向上为正向建立坐标系，与透镜11主光轴的交点为坐标原点，位移Δ向下为正。若投射在图像传感器12的光束在刻度标识原心下方，则测点的坐标为H＝H刻+ΔH；若投射在图像传感器12的光束在刻度标识原心上方，则测点的坐标为H＝H刻-ΔH。
H刻为刻度标识所显示数值，ΔH为准直光束与刻度标识原心的距离。
基于此，当光束未射入到电子水准尺2的成像装置上时，通过从机控制模块13控制升降电动机15使成像装置每次移动到相邻两卡槽19之间，直到图像传感器12捕捉到光斑信息，将成像装置固定在相邻两卡槽19之间。
参照图1，激光器1所射出的水平光束可能不会恰好射在透镜11的范围内，当未射入到透镜11上时，电子水准尺2参照图4和图5，水平光束射在电子水准尺2的某个读数范围，如70～75cm，在此范围内的光敏电阻阵列16的光敏电阻识别光束，光敏电阻将接收到光束的信息传给主控***，然后通过从机控制模块13自动控制成像装置到70～75cm范围内。
为了使下摆部分3在自然状态下快速静止，使调平***不出现往复振动，需要对用于连接激光器1与装置外壳4的吊杆6长度进行控制，并使测量仪装置的结构阻尼大于体系自由振动反应中不出现往复振动所需的最小阻尼值。有阻尼单摆运动过阻尼条件可通过以下方法获得：
单摆的自由振动微分方程及自振频率：
Figure BDA0003500625130000081
有阻尼时单摆运动微分方程为：
Figure BDA0003500625130000082
Figure BDA0003500625130000083
式中：C为阻尼系数，m为摆锤重量，L为装置重心到吊点的距离，ωn为调平***自振频率，ξ为调平***的阻尼比。
Figure BDA0003500625130000084
若Δ>0，此时为过阻尼状态，即钟摆体系不出现振动，此时ξ>1。在工程实践中ξ大于0。对于一般的液体阻尼***来说，阻尼比ξ可以取到0.01～0.9，磁流变阻尼器可调节阻尼到适应的范围内。过阻尼***不需要进行计算；小阻尼***下，主要参数表达式如下：
Figure BDA0003500625130000091
Figure BDA0003500625130000092
Figure BDA0003500625130000093
式中：θ(0)为初始倾角，v(0)为初始速度，A为振幅，是与调平***初始位移和速度有关的常值，ωD是有阻尼振动的振动频率。
由(5)式可以得出，当阻尼比ξ值取得越大时，其振动衰减会越快，且其振动的频率ωD越慢。取吊杆长度L＝0.1m，重力加速度g取为9.8kN/m2，ξ＝0.01和ξ＝0.5，在ξ＝0.01时，θ在5s的时间内只会消减为0.37A，对于振动的能量消耗很慢；当ξ＝0.5时，θ在1s的时间内会消减为0.007A，能量消耗很快，由于调平***自然状态下的初始速度和初始倾角就很小，于是此振动幅度可忽略不计。当然，为了更进一步消除振动，可取用更大的阻尼比ξ的液体或者调节磁流变阻尼器的阻尼比。
为进一步消除振动带来的读数误差，可通过读取数个振动周期的数据取平均值来实现，可根据公式(2)所计算的振动频率，准确获得最佳采集频率。
图像传感器12可选为面阵CCD扫描装置，假设面阵CCD扫描装置的采样单元为96个，每个面阵单元的间隔为1.00mm，每个像素单元的峰值为1024，从机控制模块13通过模数采样读取每个像素单元的光照值，结合面阵CCD扫描装置在X方向的步进值在从机控制模块13内绘制出光斑的图像，然后根据每个像素单元的亮度找出亮度最大值所对应的位置即为光斑的位置。
参照图2，在测量之前先进行校准。由激光器1射出一束带有θ倾角的光束，分别投影到一号水准尺20和二号水准尺21，如果标尺的读数满足下述等式，则认为激光器射出准直光束。
L1＝L2 (9)
式中：L1为一号水准尺20，L2为二号水准尺21的读数。
实施例2
基于实施例1中公开的一种自动调平高精度测量仪，本实施例基于图1所示的一种自动调平高精度测量仪，公开基于自动调平高精度测量仪的测量方法，所述测量方法包括以下步骤：
激光器通过自动调平射出水平准直光束，主控***的旋转电动机控制激光器旋转；
当激光器旋转扫射到水准尺的光敏电阻时，光敏电阻感应并发出信号至从机控制模块，此时激光光束和水准尺在同一个平面内，旋转定位完成；
从机控制模块发送指令给从通信模块，主机控制模块通过主通信模块接收到从通信模块指令后，控制旋转电动机使激光器停止旋转，同时，从机控制模块控制升降电动机使成像装置每次移动到相邻两卡槽之间，直到图像传感器捕捉到光斑信息，将成像装置固定在相邻两卡槽之间进入测量状态；
激光器发出的水平光束射入到透镜上，刻度标识及激光光斑经过透镜缩放后投射至图像传感器的感光点阵上，从机控制模块通过图像传感器获取的数据推算出水平或者竖向的位移。
本实施例公开的一种自动调平高精度测量仪的测量方法，通过调节阻尼***中液体或者磁流变阻尼器的阻尼比消除振动，相较于现有测量设备繁琐的调平步骤，本测量方法不需要专业人员进行调平、测量，即可实现自动调平，智能化地自动测量不同测点的数据。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包括在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自动调平高精度测量仪，其特征在于，所述测量仪包括调平***、主控***、电子水准尺和装置外壳；
所述调平***包括吊杆、激光器、下摆部分及阻尼***，其中，所述激光器与下摆部分成90度固接，所述吊杆与装置外壳采用铰接，所述激光器与吊杆通过吊点连接，所述下摆部分放置在阻尼***中，通过阻尼***消除振动；
所述主控***包括主机控制模块、主通信模块及旋转电动机，所述旋转电动机接收主机控制模块的控制指令；所述旋转电动机与激光器通过吊点连接，控制激光器旋转并射出水平准直激光；
所述电子水准尺包括水准尺、成像装置、从通信模块、从机控制模块及升降电动机，所述成像装置包括透镜和图像传感器，所述成像装置通过升降电动机驱动力在水准尺上下滑动，所述升降电动机接收从机控制模块的控制指令；
所述测量仪利用调平***稳定时处于竖直状态的特性完成激光器的自动安平，从而使激光器射出水平准直激光光束到固定的水准尺的图像传感器上测量水平、竖向坐标；
所述调平***与电子水准尺竖直放置，所述激光器发出的水平光束射入到透镜上，刻度标识及激光光斑经过透镜缩放后投射至图像传感器的感光点阵上，所述从机控制模块通过图像传感器获取的坐标推算出光斑在水平、竖向的位移。
2.根据权利要求1所述的一种自动调平高精度测量仪，其特征在于，所述调平***的阻尼***为盛有高粘度液体的器皿，或者为由磁铁和铝板构成的磁阻尼器，当阻尼***为磁阻尼器时，磁铁设置于单摆***底部，并位于铝板上方。
3.根据权利要求1所述的一种自动调平高精度测量仪，其特征在于，所述测量仪利用调平***中下摆部分静止时重心竖直向下的特性完成激光器的自动安平，从而使与其相连的激光器射出水平准直光束。
4.根据权利要求1所述的一种自动调平高精度测量仪，其特征在于，所述激光器射出水平激光光束至电子水准尺的透镜上，刻度标识及激光光斑经过透镜缩放至图像传感器感光点阵上，利用高斯成像原理，根据图像传感器上光斑位置推算出入射光束在透镜中的坐标。
5.根据权利要求1所述的一种自动调平高精度测量仪，其特征在于，所述水准尺每隔一段距离设置一个卡槽，当光束射入到水准尺的成像装置上时，通过从机控制模块控制升降电动机使成像装置每次移动到相邻两卡槽之间，直到图像传感器捕捉到光斑信息，此时成像装置固定在相邻两卡槽之间进入测量状态。
6.根据权利要求1所述的一种自动调平高精度测量仪，其特征在于，所述水准尺的两侧平行线上分别贴有光敏电阻阵列，所述光敏电阻阵列为等间距设置的一系列光敏电阻，当激光器逐步旋转扫射到水准尺的一光敏电阻时，光敏电阻感应并发出信号至从机控制模块，此时激光光束和水准尺在同一个平面内，旋转定位完成；从机控制模块发送指令给从通信模块，主机控制模块接收到主通信模块指令后，控制旋转电动机使激光器停止旋转之后，通过升降电动机驱动成像装置移动，使入射激光射入到高精度的图像传感器内。
7.一种根据权利要求1至6任一项所述的自动调平高精度测量仪的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：
激光器通过自动调平射出水平准直光束，主控***的旋转电动机控制激光器旋转；
当激光器旋转扫射到水准尺的光敏电阻时，光敏电阻感应并发出信号至从机控制模块，此时激光光束和水准尺在同一个平面内，旋转定位完成；
从机控制模块发送指令给从通信模块，主机控制模块通过主通信模块接收到从通信模块指令后，控制旋转电动机使激光器停止旋转，同时，从机控制模块控制升降电动机使成像装置每次移动到相邻两卡槽之间，直到图像传感器捕捉到光斑信息，将成像装置固定在相邻两卡槽之间进入测量状态；
激光器发出的水平光束射入到透镜上，刻度标识及激光光斑经过透镜缩放后投射至图像传感器的感光点阵上，从机控制模块通过图像传感器获取的数据推算出水平或者竖向的位移。
8.根据权利要求7所述的自动调平高精度测量仪的测量方法，其特征在于，通过调节阻尼***中液体或者磁流变阻尼器的阻尼比消除振动。
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