光电式双向位移量测方法技术

本发明专利技术涉及一种光电式双向位移量测新方法。本发明专利技术的目的是提供一种高精度、非接触式、易联网、操作便捷、成本较低的光电式双向位移量测新方法。本发明专利技术的技术方案是：一种光电式双向位移量测新方法，其特征在于：参考点上设置成像靶面Ⅰ，测点上设置成像靶面Ⅱ，在参考点与测点之间的连线范围外设置中间点，中间点上设置两组激光发射器，两组激光发射器分别对应成像靶面Ⅰ和成像靶面Ⅱ发射激光束，两组激光发射器射出的激光束之间夹角为固定值，且两激光束分别在成像靶面Ⅰ和成像靶面Ⅱ上形成光斑。本发明专利技术适用于非接触的两测试点间的竖向位移和相对水平位移变化量测，以及结构裂缝的两向位移变化量测。

A new method of photoelectric bidirectional displacement measurement

The invention relates to a new photoelectric bidirectional displacement measuring method. The aim of the invention is to provide a photoelectric bidirectional displacement measuring method with high accuracy, non-contact, easy networking, convenient operation and low cost. The technical scheme of the invention is: a photoelectric type bidirectional displacement measurement method, which is characterized in that: the imaging of the target reference point arranged on the surface of the imaging target point set surface of intermediate point between the reference point and the measuring point range setting, an intermediate point set to two laser transmitters two sets of laser transmitter corresponding to the target surface imaging and imaging of the target surface of the laser beam, the angle between the laser beam emitted from the two laser transmitter group to a fixed value, and the two laser beam respectively on the focal plane imaging target I and II formed on the spot. The invention is suitable for measuring the vertical displacement and relative horizontal displacement of the non-contact two test points, and measuring the variation of the two direction displacement of the structural cracks.

【技术实现步骤摘要】
光电式双向位移量测新方法
本专利技术涉及一种光电式双向位移量测新方法。适用于非接触的两测试点间的竖向位移和相对水平位移变化量测，以及结构裂缝的两向位移变化量测。
技术介绍
目前，高精度的变形变位一般采用水准仪、全站仪、裂缝计、电子水平尺等仪器或传感器进行量测，且大多采用人工量测手段。这些仪器设备成本高、工作效率较低、自动化程度低，人为影响因素较多，量测误差较大，且无法实现在线监测以及自动预警。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种高精度、非接触式、易联网、操作便捷、成本较低的光电式双向位移量测新方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种光电式双向位移量测新方法，其特征在于：参考点上设置成像靶面Ⅰ，测点上设置成像靶面Ⅱ，在参考点与测点之间的连线范围外设置中间点，中间点上设置两组激光发射器，两组激光发射器分别对应成像靶面Ⅰ和成像靶面Ⅱ发射激光束，两组激光发射器射出的激光束之间夹角为固定值，且两激光束分别在成像靶面Ⅰ和成像靶面Ⅱ上形成光斑；分别通过成像光电器件获取成像靶面Ⅰ和成像靶面Ⅱ上的光斑信息，光斑信息并经信号处理单元通过图形处理算法找出光斑的中心点在对应的成像靶面Ⅰ、Ⅱ上的坐标位置；当成像靶面Ⅰ、Ⅱ上光斑中心点的坐标位置反生变化时，根据成像靶面Ⅰ、Ⅱ上光斑中心点的坐标位置变化信息，结合已知的初始时成像靶面Ⅰ和成像靶面Ⅱ相对位置关系，得出测点相对于参考点发生的位移变化值。所述图形处理算法采用斑点坐标平均法、斑点分布椭圆形拟合法或斑点包络矩形法。所述斑点坐标平均法为：给定一个光斑像素阈值，对椭圆形内的每一个像素，求得横纵坐标的平均值：所述斑点分布椭圆形拟合法为：在对光斑边缘信息获取的基础上，再经拟合计算便可得到光斑椭圆及光斑中心的亚像素位置坐标，基于椭圆拟合的激光光斑中心检测算法是根据最小二乘原理用椭圆来逼近激光光斑轮廓，椭圆方程的一般方程为：Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+l＝0其残差平方和函数为：式中，(xi,yi)为激光光斑边缘点坐标；根据最小二乘原理，应有：由此可以得到包含5个方程和5个未知数的方程组，如下：通过求解该方程组便可以得到五个参数的值，进而求出椭圆中心坐标，即：所述斑点外包络矩形法为：对光斑的灰度图像进行二值化，对光斑边缘信息获取的基础上，用矩形去外切斑点，根据矩形四个点的坐标(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)、(x4，y4)，求出中心坐标：采用成像透镜将激光发射器射出的激光束聚焦成光斑像后成像在相应的成像靶面Ⅰ、Ⅱ上。所述成像光电器件为CCD或CMOS光电转换器件。所述信号处理单元采用FPGA芯片处理图像信息。本专利技术的有益效果是：本专利技术从中间点成一定角度射出两条激光束，在参考点和测点的成像靶面上形成光斑，根据光斑位置信息得出测点相对于参考点发生的位移变化值。本专利技术非接触、安装方便、测试精度高、成本较低，改变了传统位移测量方法需要花费大量人力的缺点。附图说明图1为实施例的量测示意图。图2为实施例中图形处理算法的示意图。图3为实施例应用于两轨相对沉降和水平位移量测的示意图。具体实施方式本实施例利用两束成一定角度的激光束分别成像于参考点1的成像靶面Ⅰ4和成像于测点2的成像靶面Ⅱ5上，并通过激光光斑成像系统获得两束激光在成像靶面Ⅰ4和成像靶面Ⅱ5的成像中心及其中心位置变化来计算参考点1和测点2相对于中间点3的位置及变化，从而量测到测点2与参考点1的相对高差和水平位移。如图1所示，本例中包括两组激光发射器6，以及两个激光光斑成像系统，激光光斑成像系统包括成像靶面、成像透镜、成像光电器件和信号处理单元。参考点1上设置成像靶面Ⅰ4，测点2上设置成像靶面Ⅱ5。在参考点1与测点2之间的连线范围外设置中间点3，中间点3上设置两组激光发射器6，两组激光发射器6分别对应成像靶面Ⅰ4和成像靶面Ⅱ5发射激光束。两组激光发射器6射出的激光束之间夹角为固定值，且两激光束分别经成像透镜将激光束聚集成光斑像后在成像靶面Ⅰ4和成像靶面Ⅱ5上形成光斑。对应成像靶面Ⅰ、Ⅱ分别设有成像光电器件(CCD或CMOS光电转换器件)，通过成像光电器件获取成像靶面Ⅰ4和成像靶面Ⅱ5上的光斑信息，光斑信息并经信号处理单元(采用FPGA芯片)通过图形处理算法找出光斑的中心点在对应的成像靶面Ⅰ、Ⅱ上的坐标位置。本实施例中图形处理算法采用斑点坐标平均法、斑点分布椭圆形拟合法或斑点外包络矩形法确定激光束光斑中心点在对应的成像靶面Ⅰ、Ⅱ上的坐标位置。斑点坐标平均法(见图2-a)，为给定一个光斑像素阈值，对椭圆形内的每一个像素，求得横纵坐标的平均值：斑点分布椭圆形拟合法(见图2-b)，为在对光斑边缘信息获取的基础上，再经拟合计算便可得到光斑椭圆及光斑中心的亚像素位置坐标，基于椭圆拟合的激光光斑中心检测算法是根据最小二乘原理(残差平方和最小)用椭圆来逼近激光光斑轮廓，椭圆方程的一般方程为：Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+l＝0其残差平方和函数为：式中，(xi,yi)为激光光斑边缘点坐标；根据最小二乘原理，应有：由此可以得到包含5个方程和5个未知数的方程组，如下：通过求解该方程组便可以得到五个参数的值，进而求出椭圆中心坐标，即：斑点外包络矩形法(见图2-c)，为对激光光斑的灰度图像进行二值化，对光斑边缘信息获取的基础上，用矩形去外切斑点，根据矩形四个点的坐标(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)、(x4，y4)，求出中心坐标：当成像靶面Ⅰ和/或Ⅱ上光斑中心点的坐标位置反生变化时，根据成像靶面Ⅰ、Ⅱ上光斑中心点的坐标位置变化信息，结合已知的初始时成像靶面Ⅰ4和成像靶面Ⅱ5相对位置关系，得出测点2相对于参考点1发生的相对沉降和水平位移变化值。图3为本实施例双向位移量测方法应用于轨道Ⅰ7与轨道Ⅱ8之间相对沉降和水平位移量测的示意图。将参考点1设置于轨道Ⅰ7上，将测点2和中间点3设置于轨道Ⅱ8上不同位置，参考点1与测点2之间的连线垂直轨道Ⅰ、Ⅱ轴向。中间点3上设置两组激光发射器6，其中一组激光发射器6射出的激光束朝向测点2位置的成像靶面Ⅱ5；另一组激光发射器6射出的激光束朝向参考点1位置的成像靶面Ⅰ4。两激光束之间夹角为固定值α(0°＜α＜90°)，且两激光束位于同一水平面内，其中对应成像靶面Ⅱ5的激光束平行轨道Ⅱ8轴线方向，成像靶面Ⅱ5与对应的激光束垂直；成像靶面Ⅰ4与对应的激光束垂直，成像靶面Ⅰ4与轨道Ⅰ7轴线方向的夹角为(90°-α)。本例中两轨相对沉降和水平位移计算原理：设XYZ为以参考点1为坐标原点的空间整体坐标系，xmym和xy为成像靶面Ⅰ、Ⅱ局部坐标系。初始时，测点2位置上成像靶面Ⅱ5的光斑中心点在XYZ坐标系内的坐标为(X,Y,Z)，变形后坐标为(X+ΔX,Y+ΔY,Z+ΔZ)。在xmym局部坐标系中，初始时成像靶面Ⅰ4上光斑中心点的坐标为(xm,ym)，变形后坐标为(x'm,y'm)。在xy局部坐标系中，初始时成像靶面Ⅱ5的光斑中心点坐标为(x,y)，变形后坐标为(x',y')。测点2相对参考点1发生的轨距变化值ΔX和高差变化值ΔZ可按下列公式计算获得：ΔX＝x-x'+(x'm-xm)cosα；ΔZ＝y-y'-ym+y'm。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光电式双向位移量测新方法，其特征在于：参考点(1)上设置成像靶面Ⅰ(4)，测点(2)上设置成像靶面Ⅱ(5)，在参考点(1)与测点(2)之间的连线范围外设置中间点(3)，中间点(3)上设置两组激光发射器(6)，两组激光发射器(6)分别对应成像靶面Ⅰ(4)和成像靶面Ⅱ(5)发射激光束，两组激光发射器(6)射出的激光束之间夹角为固定值，且两激光束分别在成像靶面Ⅰ(4)和成像靶面Ⅱ(5)上形成光斑；分别通过成像光电器件获取成像靶面Ⅰ(4)和成像靶面Ⅱ(5)上的光斑信息，光斑信息并经信号处理单元通过图形处理算法找出光斑的中心点在对应的成像靶面Ⅰ、Ⅱ上的坐标位置；当成像靶面Ⅰ、Ⅱ上光斑中心点的坐标位置反生变化时，根据成像靶面Ⅰ、Ⅱ上光斑中心点的坐标位置变化信息，结合已知的初始时成像靶面Ⅰ(4)和成像靶面Ⅱ(5)相对位置关系，得出测点(2)相对于参考点(1)发生的位移变化值。

【技术特征摘要】
1.一种光电式双向位移量测新方法，其特征在于：参考点(1)上设置成像靶面Ⅰ(4)，测点(2)上设置成像靶面Ⅱ(5)，在参考点(1)与测点(2)之间的连线范围外设置中间点(3)，中间点(3)上设置两组激光发射器(6)，两组激光发射器(6)分别对应成像靶面Ⅰ(4)和成像靶面Ⅱ(5)发射激光束，两组激光发射器(6)射出的激光束之间夹角为固定值，且两激光束分别在成像靶面Ⅰ(4)和成像靶面Ⅱ(5)上形成光斑；分别通过成像光电器件获取成像靶面Ⅰ(4)和成像靶面Ⅱ(5)上的光斑信息，光斑信息并经信号处理单元通过图形处理算法找出光斑的中心点在对应的成像靶面Ⅰ、Ⅱ上的坐标位置；当成像靶面Ⅰ、Ⅱ上光斑中心点的坐标位置反生变化时，根据成像靶面Ⅰ、Ⅱ上光斑中心点的坐标位置变化信息，结合已知的初始时成像靶面Ⅰ(4)和成像靶面Ⅱ(5)相对位置关系，得出测点(2)相对于参考点(1)发生的位移变化值。2.根据权利要求1所述的光电式双向位移量测新方法，其特征在于：所述图形处理算法采用斑点坐标平均法、斑点分布椭圆形拟合法或斑点包络矩形法。3.根据权利要求2所述的光电式双向位移量测新方法，其特征在于：所述斑点坐标平均法为：给定一个光斑像素阈值，对椭圆形内的每一个像素，求得横纵坐标的平均值：4.根据权利要求2所述的光电式双向位移量测新方法，其特征在于：所述斑点分布椭圆形拟合法为：在对光斑边缘信息获取的基础上，再经拟合计算便可得到光斑椭圆及光斑中心的亚像素位置坐标，基于椭圆拟合的激光光斑中心检测算法是根据最小二乘原理用椭圆来逼近激光光斑轮廓，椭圆方程的一般方程为：Ax2+Bxy+Cy2+Dx+Ey+l＝0其残差平方和函数为：式中，(xi,yi)为激光光斑边缘点坐标；根据最小二乘原理，应有：

【专利技术属性】
技术研发人员：王群敏，吴勇，黄江华，陈文华，王烨晟，
申请(专利权)人：浙江华东工程安全技术有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33