激光成像挠度和位移监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于建筑检测和监测领域，特别涉及一种激光成像挠度和位移监测方法。
【背景技术】
[0002] 在现代路桥、建筑的检测中，挠度和位移是两个重要参数。在楼宇、桥梁、公路、山 体改造等的验收和健康状况评价等方面都需要准确测量其静、动态挠度值和位移值。目前， 测量挠度主要采用水准仪测量、全站仪测量、倾角仪测量和光电成像测量等方法。每种方法 都存在一定优势和缺陷。随着计算机等级的提高、数据采样技术的进步，以及建筑材料和工 艺的不断成熟，挠度和位移的监测逐渐朝着集群式、大量程、自动化、长期在线动态测量的 方向发展。而现有的测量技术尚不能满足人们对大型目标，甚至是特大型目标安全评估的 需要。
【发明内容】
[0003] 为了解决现有挠度测量方法不能满足大量程、自动化、长期在线动态测量的需要， 本发明旨在提供一种激光成像挠度和位移监测方法，能够实现挠度和位移长期的双路实时 动态监测，具有自动化、高精度和低成本等特点。
[0004] 本发明通过如下技术方案实现：
[0005] -种激光成像挠度和位移监测方法，包括如下步骤：
[0006] (1)设备安装：将激光发射装置和控制器一固定在壳体一内的电路板上，并将壳 体一作为固定端安装在待测目标附近的静止处，将靶标、图像处理器和控制器二固定在壳 体二内的电路板上，并将壳体二作为监测端固定在待测目标上产生挠度和位移的部分，靶 标内延激光传输方向依次设置滤光光幕、镜头和图像传感器，将图像传感器设置于镜头的 光学焦点，镜头与滤光光幕之间的距离与测量量程呈线性正比例相关，将图像处理器的输 入端与图像传感器连接，输出端与控制器二连接；
[0007] (2)射线校准：调节激光发射装置的方位和俯仰角度，使其激光光束的焦点对准 滤光光幕的中心，并由控制器一记录激光发射装置的零点；
[0008] (3)激光成像：控制器开启激光发射装置发射激光光束，并直射在滤光光幕上，镜 头将滤光光幕背面的光斑投影在图像传感器上，然后由图像传感器将图像信息传送给图像 处理器；
[0009] (4)数据处理：图像处理器根据光斑投影图像的位移，计算出监测点的挠度值和 位移值，并发送至控制器二，控制器二将数据编码后发送给控制器一。
[0010] 进一步的，滤光光幕采用以挠度测量量程为边长的正方形有色有机玻璃，其颜色 与激光光束颜色一致。
[0011] 进一步的，图像传感器采用CMOS图像传感器，其分辨率为1024*768。
[0012] 进一步的，图像处理器采用FPGA现场可编程逻辑门整列用于挠度值和位移值的 计算，从CMOS接收到数字信号的图像数据依次经过FPGA、控制器二计算并转换为电信号的 挠度值和位移值。
[0013] 进一步的，FPGA采用如下算法计算挠度值和位移值：
[0014] 确定光斑的光强捕获门限D，作为满足稳定捕获光斑的最小光强值，记录所有光强 大于D的像素点的坐标xn、yn，并记录捕获的像素点个数η;
[0015] 则光斑中心像素点的坐标xc、yc为：
[0016] , ^ 丄.6 _7] 1.7
[0018] 则挠度值Ydef与位移值Xdls计算公式如下：
[0019] Ydef =xc*Z; 1. 8
[0020] Xdls = yc*Z ； 1.9
[0021] 其中，Z为设计测量精度。
[0022] 进一步的，激光发射装置内设有激光器座和多个激光器，激光器座呈中心对称结 构，其对称中心通过螺栓固定在外壳一上，其上均匀、对称地设有安装激光器的通孔，激光 器一一对应地内嵌在通孔中，并通过电路连接到电路板上。控制器一内并行设有多个继电 器，继电器与激光器 对应连接。控制器一通过继电器逐一控制激光器的开启或关闭。正 常工作时，同一时间仅有一个激光器处于开启状态。
[0023] 进一步的，FPGA根据光强捕获门限D选择有效像素点的同时，将全部光斑的光强 信息随挠度值和位移值一同传递给控制器二，经过编码后一并传递给控制器一，控制器一 通过对比所接收的光强信息与光强捕获门限D判断激光器工作健康程度，当所接收的光强 信息小于或等于光强捕获门限D时，判断当前工作的激光器寿命已完结，遂通过继电器进 行激光器的切换。
[0024] 进一步的，激光器座的边缘均匀、中心对称地设有可伸缩的预调组件，其对称中心 的螺栓预置在弹簧内，通过调节预调组件调节激光器座的方位和俯仰角度，并由预置在弹 簧内的螺栓进行固定。
[0025] 进一步的，激光器与激光器座之间还留有间隙，在该间隙内均匀、对称地设置有可 伸缩的预调组件，通过调节激光器与激光器座之间间隙的大小，进而调节激光器的方位和 俯仰角度。
[0026] 进一步的，控制器一设有调校状态和工作状态，设备安装完毕后，手动切换至调校 状态，多个激光器同时点亮，手动调节激光器与激光器座之间的预调组件，使多个激光器的 光束聚焦到同一焦点，然后调节激光器座边缘的预调组件，使激光器的焦点对准滤光光幕 的中心，并手动将控制器一切换到工作状态；进入工作状态后，控制器一首先进入自动调校 模式，记录每个激光器的零点，使得激光器切换后的零点保持一致，之后自动进入正常工作 模式。
[0027] 本发明结合了激光成像和光电成像原理，借助激光投影因待测目标的移动或形变 带动靶标移动而发生偏离，通过光斑投影的相对位移计算待测目标的挠度和位移，具有精 度高、速度快、成本低等优势。同时本发明采用滤光光幕滤除大量可见光及激光散光，降低 激光光束的强度，延长图像传感器的使用寿命；通过多个激光器的自动切换延长整个监测 仪的工作寿命；通过调节预调组件，使得初次安装以及多个激光器进行切换时其焦点始终 与滤光光幕中心对准，不因人工安装时的误差或待测点与固定点之间的距离而发生偏离。 而且本发明无需采用成本高昂的高清摄像头，只需普通的定焦广角光学镜头即可，极大地 降低了监测仪的成本，便于大规模批量使用。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明用于桥梁的安装位置的示意图；
[0029] 图2为本发明的工作原理图。
[0030] 其中，1 :桥壤；2 :桥面；3 :固定端；4 :监测端；5 :激光光束。
[0031] 下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
【具体实施方式】
[0032] 本发明提供一种激光成像挠度和位移监测方法，包括如下步骤：
[0033] (1)设备安装：将激光发射装置和控制器一固定在壳体一内的电路板上，并将壳 体一作为固定端3安装在待测目标附近的静止处，将靶标、图像处理器和控制器二固定在 壳体二内的电路板上，并将壳体二作为监测端4固定在待测目标上产生挠度和位移的部 分，靶标内延激光传输方向依次设置滤光光幕、镜头和图像传感器，将图像传感器设置于镜 头的光学焦点，镜头与滤光光幕之间的距离与测量量程呈线性正比例相关，将图像处理器 的输入端与图像传感器连接，输出端与控制器二连接。
[0034] 无论是测量动态挠度或是静态挠度，壳体一作为固定端3可以固定在待测目标或 周围相对静止的建筑物或构筑物上，壳体二作为监测端4可以端固定在待测目标产生挠度 或位移的部位。例如，用于监测山体静态位移时，固定端3安装在待测山体周围相对静止的 高速公路或其他位置，监测端4安装在山坡上。可进行长期监测预警山体滑坡。用于桥梁 挠度和位移的动态监测时，固定端3安装在待测桥梁一端的桥墩1上，监测端4安装在待测 桥梁两端桥墩1之间桥面2的中点处，如图1所示。
[0035] (2)射线校准：调节激光发射装置的方位和俯仰角度，使其激光光束5的焦点对准 滤光光幕的中心，并由控制器一记录激光发射装置的零点。
[0036] (3)激光成像：控制器开启激光发射装置发射激光光束5,并直射在滤光光幕上， 镜头将滤光光幕背面的光斑投影在图像传感器上，然后由图像传感器将图像信息传送给图 像处理器。
[0037] (4)数据处理：图像处理器根据光斑投影图像的位移，计算出监测点的挠