二维、大量程激光挠度/位移测量方法及装置

1、二维、大量程激光位移/挠度测量装置，其特征在于：它由激光发射部分 和二维激光光斑接收测量部分构成；
激光发射部分由激光器和激光器安装支架组成，激光器安装支架为一个可变 阻尼铰链结构，铰链的上部安装在被测结构上，下部摆杆上安装激光器，激光光 束发射方向与摆杆垂直；
二维激光光斑接收测量部分由激光光斑接收屏幕、摄像机、发光或不发光标 记组成；激光光斑接收屏幕位于前端，与激光光束发射方向正对，具有粗糙半透 明表面，发光或不发光标记安装在四方形屏幕的四角上，摄像机安装在屏幕之后， 并被置于与屏幕一起密封连接的保护外壳内。
2、根据权利要求1所述的二维大量程激光位移/挠度测量装置，其特征在 于：激光器安装支架的可变阻尼铰链结构是一个被可变阻尼液体包围的一个球形 铰链结构，铰链外壳上安装有控制电极或磁极。
3、利用权利要求2所述的装置进行二维大量程激光位移/挠度测量的方法， 包括以下步骤：
(1)先给激光器安装支架的可变阻尼铰链结构加上控制信号，使可变阻尼 液体的粘度逐渐变大，铰链的阻尼随之变大，使摆杆最终停在竖直向 下的位置，激光器发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)光斑的位置被摄像机采集并测量出来，当被测结构发生二维位移时，激 光光斑的位置相应发生变化，以发光或不发光标记作为测量的基准，测量激 光光斑和标记的相对位移，通过分析摄像机的图像变化即可计算出被测结 构的二维位移量。

                        技术领域\n本发明属于光电测量领域与民用基础设施状态监测领域的交叉领域，具体涉 及一种二维大量程激光位移/挠度测量装置及方法。\n                        技术背景\n桥梁等建筑结构的梁在自重、荷载作用下的垂向和侧向变形称为挠度；而桥塔在拉索 和风载荷等作用下产生的侧向变形称为位移，一般用塔顶相对塔基的位移表示，下面统称 为位移。位移能直接反映结构的施工质量、承载能力、健康情况，因而在桥梁的设计、施 工质量控制、竣工验收、剩余寿命评估等各环节中，有严格的规定。故在桥梁等建筑结构 施工过程、竣工验收、服役期，对挠度、位移等变形参数进行监测，对于掌握其施工质量、 了解其健康状况、实现事故早期报警，意义重大。传统的桥梁位移测量基本上都是在桥梁 竣工验收时、或已察觉到明显的险情后，才用仪器进行一次性人工测量。近年来随着桥梁 长期健康监测技术的发展，基于光电测量方法的长期、自动测量桥梁位移测量技术得到较 快的发展。光电测量法是一种非接触测量方法，它主要有基于成像原理与基于光射线原理 的两大类。\n图1所示是基于成像原理一种最为典型的光电测量法。它将一发光靶标1固定在桥面 或桥塔顶部某被测点2上，在桥墩或桥外地面上的测量基准位置固定光电摄像系统3，并 通过摄像机的成像透镜3-1将发光靶标成像在其探测器3-2上的X1点。当2产生位移d时， 发光靶标将随桥面的位移d移动到位置2’，相应地其在探测器上的成像位置亦移动到X2， 用摄像机摄下靶标变化前后的两幅图像，即可根据光学透镜的缩小成像倍率A及两幅图像 上靶标位置的变化量X1-X2，用计算机算出位移d＝A(X1-X2)。\n图2所示是基于光射线原理的另一类测量法。它将一激光器4固定在被测点2上，在 桥墩或桥外地面测量基准位置、安装光电位敏探测器(PSD)或光电探测器阵列5，激光器发 出的光束直接在探测器5上的X1点形成光斑。当桥面由于承载产生位移变化d移动到2’ 时，激光器将随桥面的位移变化d而同步移动，相应地其在光电探测器阵列上的光斑亦从 X1移动到X2，这个位置变化量X1-X2显然就是桥面的位移d。\n对于第一类成像测量原理而言，由于成像透镜将实际位移d缩小成像，需要知道准确 知道物距才能得到位移d和像的准确关系(这在实际工程实施中非常困难)，且距离越远 得到的测量的分辨力与精度越低；而且其测量范围和分辨力彼此相互矛盾，给使用带来不 便。测量中摄像机是测量基准，其安装要求很高，任何因素带来的摄像机位置移动都会影 响测量的准确性。另外透镜都会受到灰尘等的污染，从而影响成像、测量效果，甚至使仪 器失效，因而难以适应长期野外工作的恶劣环境。\n对于第二类光射线测量原理而言，去掉了成像透镜，消除了由透镜造成的问题，同时 可以采用特制的线阵探测器实现测量范围达20～30厘米的一维位移测量；但在实际使用中 仍然存在如下问题：\n1.对于大型桥梁，尤其是斜拉桥和悬索桥位移非常大，通常要达到1米左右的数量 级，20～30厘米的量程是远远不够的；\n2.桥梁的位移通常是二维的，在长期监测过程中，照射在探测器阵列上的光斑会因 为另一方向的位移而移动到探测器之外，从而使测量失效。\n3如果被测点2存在位移和微小转动两种变形，则激光的发射角度将产生变化，这种 变化将转动放大，反映在探测器阵列上将出现光斑位置的大量移动，严重影响测量结果的 准确性。\n这些问题使上述两种测量方法存在缺陷，严重制约其在桥梁的实时、全天候、自动挠 度监测的应用。\n                          发明内容\n本发明的目的正是为了避免上述已有技术的不足，同时结合上述两种技术的优点，而 设计的一种二维大量程激光位移/挠度测量装置及方法，实现大量程、二维测量，具 有恒定的分辨力，不受被测机构转动影响，环境适应性能强。\n本发明的目的是采用下述方案来实现的：\n二维大量程激光位移/挠度测量装置的是由激光发射部分和二维激光光斑接 收测量部分构成。激光发射部分由激光器和激光器安装支架组成，激光器安装支 架为一个可变阻尼铰链结构，该可变阻尼铰链实际上是一个被可变阻尼液体包围 的一个球型铰链，铰链的上部安装在被测结构上，下部摆杆安装激光器，激光光 束发射方向与摆杆垂直。体现在测量方法上，当不给铰链加控制信号的时候，铰 链的阻尼很小，因重力作用，铰链摆杆始终垂直向下，激光器发出的光束不受结 构微小转动的影响，保持水平；而结构的位移可以无损失的传递到激光器上。为 了避免铰链摆动影响测量的准确性，工作的时候给铰链加上控制信号，可变阻尼 液体的粘度逐渐变大，铰链的阻尼也逐渐变大，这样铰链摆杆的摆动被逐渐约束， 最终停在竖直向下的位置，激光光束也会水平射到光斑接收测量装置上，光束的 方向与结构的转动无关。\n二维激光光斑接收测量部分外形类似一个普通电视机的显象管。其前端是一 个大型的激光光斑接收屏幕，屏幕的大小可根据测量量程定制。屏幕的四角安装 四个发光或不发光标记，几个标记具有确定的相互位置关系。屏幕的后面安装一 个摄像机，摄像机将上述屏幕成像在其面阵的探测器阵列上。这样，激光照射到 屏幕上形成光斑，光斑的位置被摄像机采集并测量出来，被测结构发生二维位移 时、激光光斑的位置相应发生变化，通过分析摄像机的图像变化即可计算出二维 位移量。屏幕与摄像机用一保护外壳保护起来，形成一个整体。\n本发明的优点如下：\n1、本装置和方法用屏幕接收光斑并用摄像机对光斑成像，通过图像处理计算出光斑位 移，这种方法消除了原有成像测量方法中分辨力随距离改变的缺点，并可以通过不同大小 屏幕的选择实现大量程二维位移测量。\n2、由于装置采用了可变阻尼铰链结构，保证了激光光束永远处于水平方向，同时避免 了在测量时激光器的摆动，彻底消除了被测结构的微小转动对挠度测量的影响，使激光光 束、光斑的位置只与结构的位移有关。\n3、工作中，摄像机不是测量的基准，而是以发光或不发光标记作为测量的基准；只 需要测量激光光斑和标记的相对位移，不需要测量激光光斑对摄像机的相对位移，这样可 以避免因为各种原因引起的摄像机位置蠕变(漂移)对测量准确性的影响。\n4、屏幕和摄像机之间的距离相对固定，这样测量装置有一个固定的测量分辨力，不会 因为激光器安装位置的远近影响仪器的分辨力。\n5、因为采用屏幕接收光斑，并用摄像机拍摄屏幕，屏幕的大小可以根据量程要求选择， 同时避免了采用大型的阵列光电接收器件，因此可以实现大量程测量；摄像机拍摄的是二 维图像，可以对激光光斑进行二维定位测量；系统的测量分辨力要求也可以选用不同象素 数量的数字摄像机的来满足，这样，这种二维激光光斑接收测量方法可以实现大量程、 高分辨力的二维位移测量。\n6、屏幕的的粗糙表面作用是对激光进行半漫反射和半透射形成光斑，灰尘不会影响这 种功能；同时摄像机处于一个密封保护壳内，可以避免灰尘和水汽的影响，测量装置具有 很好的环境适应性能，可以在野外使用。\n因此，本发明综合现有两种光电位移测量方法的的优点，弥补其不足，具有大量程、 二维测量、恒定分辨力、不受被测机构转动影响、环境适应性能强的等优点。\n                        附图说明\n图1光电成像方法示意图\n图2光射线方法示意图\n图3本发明一种实施方案的结构图\n图4A本实施方案中可变阻尼铰链结构示意图\n图4B结构发生轻微旋转后激光器安装支架的工作状态图\n                      具体实施方式\n下面结合附图对本发明作进一步阐述：\n参见图3，二维大量程激光位移/挠度测量装置由安装在被测结构2上的激光 发射部分6和根据实际情况相距一定距离安装的二维激光光斑接收测量部分7构 成。\n参见图4A，激光发射部分6由激光器6-5和激光器安装支架组成，激光器安装 支架为一个可变阻尼铰链结构。可变阻尼铰链结构上部分包含一个中空的安装座 6-1和一个球形外壳6-2，球形外壳的内部装有可变阻尼液体6-8(此处采用磁流 变液体)和一对由导磁材料和线圈组成的磁极6-3，磁极6-3的控制线6-9经安装座 6-1引出，为了避免磁流变液体漏出，特设有密封圈6-4；可变阻尼铰链下部分包 含一个球形关节6-7，一个摆杆6-6。铰链的上部安装在被测结构2上，下部摆杆6-6 上安装激光器6-5，激光光束发射方向与摆杆垂直。在不给铰链加控制信号的时 候，铰链的阻尼很小，激光器6-5可以自由摆动。结构发生微小转动时，如变化 到位置2’(见图4B)，由于铰链的缘故，转动不传递到激光器6-5上，但结构的 位移可以无损失的传递到激光器6-5上。\n参见图3，二维激光光斑接收测量部分7由磨沙玻璃屏幕7-1、摄像机7-4、 发光二极管7-2、保护外壳7-3等组成。磨沙玻璃屏幕7-1位于前端，与激光光束 发射方向正对，具有粗糙半透明表面，接收激光光斑。磨沙玻璃屏幕7-1上安装由 四个作为标记的发光二极管7-2，形成测量基准。摄像机7-4采用数字式的，安 装在屏幕7-1之后，并被置于与屏幕一起密封连接的保护外壳7-3内，以避免灰 尘和水汽的影响。\n工作时，通过可控阻尼铰链的控制线6-9给铰链加上控制电信号，磁流变液 体的粘度逐渐变大，铰链的阻尼也逐渐变大，这样激光器6-5的摆动被逐渐约束， 最终停在竖直向下的位置，激光光束也会水平射到光斑接收测量部分7上，光束 的方向与结构的转动无关。此时，激光光束的位置直接反映了结构的位置，光束 直接投射到磨沙玻璃屏幕7-1上，形成光斑，光斑和作为标记的发光二极管7-2经 过经过摄像机镜头7-4-1在摄像机的探测器阵列7-4-2上成像。计算机8先对发光二 极管7-2的像进行处理，然后再计算激光光斑像的重心位置和发光二极管像的相 对距离，获得目前光斑的坐标；把这个坐标减去初始值，即可以获得现在光斑的 位移值，进而得出被测结构的二维位移。\n尽管本发明主要针对桥梁的梁和桥塔的二维位移测量而设计，然而本发明的应用并不 限于桥梁的位移测量，可以推广应用到高楼，高塔等其他大型建筑结构的一、二维位移测 量中。另外，尽管本发明实施方式中采用磁流变液作为可控阻尼铰链的可变阻尼液体，采 用磨沙玻璃屏幕接收光斑，采用发光二极管作为测量基准指示，采用数字摄像机作为摄像 机，仍然可以利用电流变液等其他可变阻尼液体制作可控阻尼铰链的可变阻尼液体，采用 其他材料的粗糙表面制作屏幕，采用其他发光或不发光的标记作为基准指示，采用的模拟 摄像机或数码相机采集信号，从而实现本发明而不背离权利要求书中所定义的本发明实质 和范围。