自校准式结构体裂缝三维参数的检测系统

本实用新型属于测量技术领域，具体涉及一种用于公路、桥梁、隧道等大型结构体上裂缝参数的检测系统。

背景技术：

隧道、桥梁在交通运输中不可或缺，保障其安全运营也成为关系国计民生的一件大事。据统计，每年发现的隧道损坏中有90％以上是由裂缝引起的，高效的裂缝检测技术的研究刻不容缓。

申请号为cn201911188391.3的中国专利“一种裂缝动态变化参数的绝对测量装置及测量方法”公开了一种裂缝动态变化参数的绝对测量装置及方法，装置包括传感器本体和设置在结构体上待测裂缝两侧的两只光电靶标，传感器本体包括机壳和设置在机壳内部的光学镜头、图像传感器和核心控制单元，实现了视场内裂缝绝对宽度及其随时间的变化的测量。其存在的问题是裂缝检测算是基于可见光图像，这类图像为平面图像，只能给出裂缝的宽度和长度二维参数，无法测量得到裂缝的深度参数，同时图像质量受光照影响较大，这直接影响裂缝检测的结果。特别是在隧道内部光照环境复杂的情况下，基于可见光图像的裂缝检测容易受到外界影响，实用性较差。

技术实现要素：

本实用新型提出了一种基于激光轮廓仪的裂缝三维参数检测方法，采用激光轮廓仪对裂缝进行扫描测量，得到裂缝的宽度、长度和深度三维参数，并克服了传统可见光测量时存在的光照干扰问题。特别是通过在结构体上设置了深度校准块，为长裂缝图像的拼接提供了基准，并实现了裂缝深度的自校准测量。

本实用新型的技术方案如下：

自校准式结构体裂缝三维参数的检测系统，包括活动支撑平台和安装在活动支撑平台上的激光轮廓仪；活动支撑平台支撑在结构体上，并带动激光轮廓仪扫描待测量表面，获取包括裂缝在内的表面深度参数；在裂缝附近的待测量表面上至少设置有两只深度校准块；所述的深度校准块包括上基准面和下基准面，深度校准块粘接在待测量表面上或者嵌入安装在裂缝内。

上述自校准式结构体裂缝三维参数的检测系统中，所述的深度校准块为筒形深度校准块，所述的筒形深度校准块包括圆筒结构的筒体，筒底的上表面为下基准面，筒沿的上表面为上基准面。

上述自校准式结构体裂缝三维参数的检测系统中，待测量表面设置有台阶孔，筒形深度校准块安装在台阶孔内。

上述自校准式结构体裂缝三维参数的检测系统中，所述的深度校准块为条形深度校准块，所述的条形深度校准块为l形结构。

上述自校准式结构体裂缝三维参数的检测系统中，条形深度校准块嵌入安装在裂缝内。

上述自校准式结构体裂缝三维参数的检测系统中，所述的激光轮廓仪包括信号处理单元，以及与信号处理单元电连接的半导体激光器和探测单元，半导体激光器发出的出射光线入射至待测物体的表面后，探测单元接收其散射光，并根据散射光线的位置计算得到待测物体表面的高度参数。

上述自校准式结构体裂缝三维参数的检测系统中，活动支撑平台(11)包括框架(19)和框架上设置的x轴位移台、y轴位移台和z轴位移台；所述的激光轮廓仪设置在z轴位移台上，并在框架上实现x轴、y轴和z轴三个方向的位移。

上述自校准式结构体裂缝三维参数的检测系统中，框架上设置有水平导轨，x轴位移台在水平导轨上沿水平方向移动。

上述自校准式结构体裂缝三维参数的检测系统中，x轴位移台上设置有垂直导轨，z轴位移台在垂直导轨上沿垂直方向移动。

本实用新型的有益效果如下：

1、本实用新型提出的激光轮廓仪的裂缝三维参数测量方法，采用激光轮廓仪对裂缝进行扫描测量，得到裂缝的宽度、长度和深度三维参数，并克服了传统可见光相机测量时存在的光照干扰问题和无法得到裂缝深度参数的不足，对于裂缝的检测和分析具有重要的意义。

2、本实用新型在结构体上设置了深度校准块，实现了裂缝深度的自校准测量，确保了测量精度，同时该深度校准块可以作为长裂缝图像拼接处理的基准和标记点，用于多幅裂缝三维图像的高精度拼接，对于提高裂缝检测和裂缝病害分析的准确度具有重大应用价值。

附图说明

图1为本实用新型激光轮廓仪的组成原理示意图；

图2为本实用新型裂缝测量系统的组成原理示意图；

图3为本实用新型活动支撑平台的俯视图；

图4为本实用新型筒形深度校准块的结构示意图；

图5为本实用新型条形深度校准块的结构示意图；

图6为本实用新型校准块工作原理示意图。

附图标记为：1-激光轮廓仪；2-探测单元；3-收集透镜；4-信号处理单元；5-半导体激光器；6-发射透镜；7-出射光线；8-散射光线；9-待测物体；10-裂缝；11-活动支撑平台；12-水平导轨；13-y轴位移台；14-x轴位移台；15-垂直导轨；16-z轴位移台；17-结构体；18-待测量表面；19-框架；21-条形深度校准块；22-筒形深度校准块；23-上基准面；24-下基准面；31-筒沿；32-筒体；33-筒底。

具体实施方式

传统的基于数字图像处理的裂缝检测系统是使用相机采集裂缝可见光图像。一方面相机可见光图像的采集需要考虑隧道内复杂光照环境的影响；另一方面，相机采集的可见光图像是二维的，缺少裂缝深度这个重要的第三维信息。通过激光轮廓仪扫描的得到的深度图像可以不受光照影响，并且图像中除了包括裂缝的平面形态特征外，还包含一个非常重要的裂缝深度特征，这对于裂缝的检测和分析是非常关键的一个特征。

如图1所示，激光轮廓检测仪1是利用激光三角测距法原理制成，三角测距法就是利用光线在被测物体表面发生散射，根据接收器接收到光斑的位置和三角几何关系，从而计算得到被测物体的距离，光路中出射光线7和散射光线8组成一个三角形而得名。图1中激光轮廓仪1包括信号处理单元4，以及与信号处理单元4电连接的半导体激光器5和探测单元2，半导体激光器5发出的出射光线7经过发射透镜6后，入射至待测物体9的表面后，探测单元2经过收集透镜3接收其散射光，并根据散射光线8的位置计算得到待测物体9表面的高度参数，当激光器在物体表面进行扫描，并实时记录聚焦点的位置参数，根据几何关系计算得到不同测点的高度值，从而获得待测物体9的表面轮廓构造。

从图1中可以看出，激光轮廓检测仪1是通过在探测单元2上获取不同高度表面对应的光斑位置而表征深度参数的，因此在测量时需要对测量系统进行校准，也就是将仪器对一个已知高度的标准块进行测量，根据标准块的高度对测量系统进行校准。此外对于桥梁、隧道等结构体而言，裂缝的长度很长，活动支撑平台的移动尺寸有限，故难以获取整幅的三维图像，而需要分段扫描后进行多幅图像的拼接，而图像拼接时如果在图像中能插入标记点，则很容易实现完整的图像的高精度拼接，否则需要进行大量的图像算法处理。

本实用新型的思路就是利用标准块在对测量系统进行深度参数校准的同时，将标准块作为图像拼接的标记点，从而提高了裂缝测量精度，实现了大范围裂缝的高精度测量。

如图2所示，自校准式结构体裂缝三维参数的检测系统，包括活动支撑平台11和安装在活动支撑平台11上的激光轮廓仪1；活动支撑平台11支撑在结构体17上，并带动激光轮廓仪1扫描待测量表面18，获取包括裂缝10在内的表面深度参数；在裂缝10附近的待测量表面18上至少设置有两只深度校准块；深度校准块粘接固定在待测量表面18上或者嵌入安装在裂缝10内，所述的深度校准块包括上基准面23和下基准面24，为了实现两幅图像的拼接，通常需要2个基准点以上的标记，两幅图均包含该基准点的图像后，在实施中根据标记点位置很容易实现图像的像素拼接。在整个桥面根据激光轮廓仪1的扫描区域空间布置了若干只标记点后，就可以获取整个桥面的完整裂缝图像。

如图3所示，为了实现激光轮廓仪1对裂缝的扫描，本实用新型的活动支撑平台11包括框架19和框架19上设置的x轴位移台14、y轴位移台13和z轴位移台16；所述的激光轮廓仪1设置在z轴位移台16上，框架19上设置有水平导轨12，x轴位移台14在水平导轨12上沿水平方向移动；x轴位移台14上设置有垂直导轨15，z轴位移台16在垂直导轨15上沿垂直方向移动，最终在框架19上实现了激光轮廓仪1在x轴、y轴和z轴三个方向的位移。其中位移台和导轨均采用市场上成熟的产品，其中x轴位移台14和y轴位移台13的行程可达1000mm，z轴位移台16的行程达200mm，精度达0.01mm使用中z轴位移台16调节至合适高度后保持不动，只是x轴位移台14和y轴位移台13在控制台的操控下对裂缝的范围进行逐点扫描。

如图4和图5所示，深度校准块可以为筒形深度校准块22或者条形深度校准块21两种。其中筒形深度校准块22包括圆筒结构的筒体32，筒底33的上表面为下基准面24，筒沿31的上表面为上基准面23，应用时将筒形深度校准块22粘接在待测量表面18上，校准时由激光轮廓检测仪1测量得到上基准面23和下基准面24之间的距离，并与实际的尺寸相比，获得校准系数后，用于裂缝深度的校准修正。深度校准块也可采用条形深度校准块21，条形深度校准块21为l形结构，可以嵌入安装在裂缝10内，并确保上基准面23与待测量表面18平齐。作为进一步的实施方式，其中下基准面24和上基准面23之间的距离与裂缝的深度大致相同，确保校准定标的精度。

如图6所示，当采用深度校准块对裂缝深度进行校准时，激光轮廓仪1对裂缝的表面和深度校准块同时进行扫描，同时获取裂缝10内部及上基准面23、下基准面24的深度参数，由于上基准面23和下基准面24之间的高度值已知，且上基准面23与待测量表面18平齐，则以该高度值对裂缝10的深度进行校准，从而获取准确的参数。

本实用新型通过在待测量表面18上设置多只深度校准块，在实现对深度参数校准的同时，用于激光轮廓检测仪的多幅图像拼接标记点，实现了大范围裂缝的高精度测量。