專利名稱：激光斷面高程儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種檢測斷面高程的設備，特別是一種能同時完成高速公路路面車轍和平整度檢測的高速、實時激光斷面高程儀。
公路、特別是高速公路的路面，平整度和路面高程起伏，是公路系統(tǒng)對新建公路驗收和安全檢驗的關(guān)鍵參數(shù)，而公路在運行一定時間后所形成的車轍更是公路例行檢驗和年檢的重要項目，平整度影響行車的平穩(wěn)和舒適，而車轍現(xiàn)象嚴重時將直接影響行車的安全?，F(xiàn)有的平整度測試儀如較早的3m直尺，繪圖式路面平整儀等，它們都只能給出短程的高程起伏，由于是人工操作，故檢測速度很慢。國外目前已研制出一種基于半導體激光器和光電池組成的三角光路高程傳感器，使用時是置于車體上。地面高程不同，就會影響反射光的方向，從而影響光電池接收電流的大小，即它是根據(jù)接收光通量的多少來判斷路面高低平整度的，這種設計雖結(jié)構(gòu)簡單，可實現(xiàn)高速采樣，但由于電流變化是模擬量，精度和分辯率都較難提高，對路面特性如反射率不同，將會對光電流變化影響很大，易造成較大誤差。這種儀器在使用中還會存在車身振動影響，為消除這種影響，日本、丹麥、美國等有的是采用車體前后各置一個傳感器，用其差值解平整度，也有采用加速度傳感器，經(jīng)二次積分得到車的振動量，但實際上由于和主探測器存在位相差，它們均難以有效消除車體振動影響。車轍作為高速公路例行檢驗的必測量，現(xiàn)有的實時、有效方法很少，在靜態(tài)驗收中多采用和平整度測量相同的3米尺或橫梁劃線式路面車轍測定儀，動態(tài)高速檢驗國外主要采用多個半導體激光光電池高程傳感器，按一定距離分布于車體下一可折疊的3米多長的橫梁上，測量時將兩邊折疊桿打開，它可同時測平整度和車轍，但存在的問題是該方法在高速行駛的路面上既影響公路行車又很不安全，而且因長梁的撓度和形變會對測量精度造成很大影響。1998年由盛安連編著、人民交通出版社出版的“路基路面檢測技術(shù)”一書中曾提出遠程非接觸脈沖掃描的測量方法，用激光脈沖對路面進行掃描測距，其原理是利用脈沖掃描時，對有車轍路面出現(xiàn)的時間異常座標，由時間差得到車轍深度，這種方案雖較上述方法好，但難以實現(xiàn)，原因在于目前脈沖激光測距精度遠達不到1mm以下的精度要求，故至今未見任何實施與樣機報道。
本實用新型的目的在于提供一種能在不影響高速公路正常運行情況下，對路面不平整度和路面車轍進行同時檢測，且精確、可靠、直觀的激光斷面高程儀。
為實現(xiàn)上述目的，本實用新型所述的激光斷面高程儀是根據(jù)激光三角測距原理設計而成，它采用了三組由紅外半導體激光發(fā)射器，光學接收透鏡和高速CCD接收器組成的光電三角測距探頭，分別設置在車體的前后端，各探頭的光軸均處于同一平面內(nèi)，其中光電三角測距探頭Ⅰ和探頭Ⅱ分別通過一塊擺動平臺和固定板的一端置于基座上，基座固定在車體的一端，光電三角測距探頭Ⅰ中的紅外半導體激光發(fā)射器是固定在擺動平臺的旋轉(zhuǎn)軸上方，探頭Ⅰ可撓垂直于地面的旋轉(zhuǎn)軸做大角范圍的擺動掃描，探頭Ⅰ的光軸與垂直于地面的旋轉(zhuǎn)軸之間有一夾角α，它為銳角；光電三角測距探頭Ⅱ的光軸垂直于地面；光電三角測距探頭Ⅲ通過一固定板置于車體的另一端，其光軸設置也是垂直于地面；三組光電三角測距探頭的探測信號分別通過數(shù)據(jù)處理接口與中心計算機連接；在車體的車輪處，還設置有與中心計算機相連的轉(zhuǎn)數(shù)傳感器，它主要是用來確定所測數(shù)據(jù)的地理位置，給出行車正確的行程和座標位置。根據(jù)光電三角測距的原理，由發(fā)射光軸和接收光軸以及基線構(gòu)成測距三角形，當路面高程變化時，激光光斑就會經(jīng)接收透鏡到達成像面，使CCD處得到位置偏離量△X，另外，由于基線D和透鏡的焦距f為確定量，則由△X、D和f即可通過中心計算機高速實時給出高程的變化。
本實用新型中的激光三角測距探頭Ⅰ主要是用來測量車轍量，它可以在擺動平臺上以紅外半導體激光發(fā)射器為中心，隨旋轉(zhuǎn)軸對路面進行高速擺動掃描，直接給出精確的全車道斷面等高圖，其精度可達0.1毫米，同時還給出路面高程的斜距離值，由計算機快速運算得出高程值。為了消除運載車行進中振動的影響，在車體的同一端設置了一個光軸垂直于地面的激光三角測距探頭Ⅱ，它與探頭Ⅰ同步驅(qū)動，由這兩個探頭所測的高程值相減即可得到消除了車體影響后的精確的車轍數(shù)據(jù)。另外還為了能同時得到路面平整度值，本實用新型采取在車體另一端加置一個與探頭Ⅱ結(jié)構(gòu)、性能完全相同的激光三角測距探頭Ⅲ，其光軸同樣垂直地面且其它探頭相步驅(qū)動，以探頭Ⅲ和探頭Ⅱ測量的高程差作統(tǒng)計處理，進行空間濾波，即可得到路面的平整度值。
本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有顯著的優(yōu)點，由于采用了高速CCD接收器采樣，克服了脈沖測距高重頻采樣和高精度測頻可達1000次/秒以上的困難，使其在掃描后給出的測量值精度達0.1毫米；另外CCD的輸出為數(shù)值量，無需再轉(zhuǎn)換，可對平整度和車轍實現(xiàn)全車道3.75米以上大范圍的掃描和行車速度100公里/小時的高速、實時數(shù)值化檢測，還能給出車轍等高形貌圖，是一臺直觀、精確、可靠的激光斷面高程儀。它還可用于工件、物體輪廓測量和識別以及汽車安全防撞中。
本實用新型的具體結(jié)構(gòu)由以下附圖和實施例給出。


圖1是根據(jù)本實用新型所述激光斷面高程儀在車體上的位置示意圖。
圖2是CCD線陣光電三角測距原理圖。
圖3是激光斷面高程儀探頭Ⅰ和探頭Ⅱ在基座上的連接示意圖。
下面根據(jù)附圖對本實用新型做進一步詳細說明。
參見圖1、圖2，激光斷面高程儀主要是依據(jù)激光三角測距原理，采用了三組結(jié)構(gòu)和性能相同的測距探頭分別置于車體前后端，其中探頭Ⅰ和探頭Ⅱ在一端，分別設置在基座的上端面和側(cè)面，探頭Ⅰ為擺動掃描探頭，它與垂直轉(zhuǎn)軸有一α銳角，并可撓轉(zhuǎn)軸對前方路面做小于180度擺動掃描。探頭Ⅱ為垂直探頭，探頭垂直于地面掃描，探頭Ⅲ在車體另一端，與探頭Ⅱ一樣垂直于地面掃描，三個探頭均由中心計算機7控制同步驅(qū)動，擺動掃描探頭Ⅰ的擺動是由基座5內(nèi)設置的驅(qū)動裝置驅(qū)動。其擺動速度為1次/秒。另外在車體車輪處設置的轉(zhuǎn)數(shù)傳感器8，采用可逆條紋計數(shù)器，它可防止逆行誤差，達到正確測出絕對行程和座標位置，它同樣由計算機控制。中心計算機7內(nèi)帶數(shù)據(jù)處理接口，用于連接各探頭。
權(quán)利要求1.一種激光路面斷面高程儀，它是根據(jù)三角測距原理設計而成，其特征是采用了三組由紅外半導體激光發(fā)射器[1]，光學接收透鏡[2-1]以及高速CCD接收器[2-2]組成的光電三角測距探頭Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，分別設置在車體的前后端，各探頭的光軸均處于同一平面內(nèi)，其中光電三角測距探頭Ⅰ和光電三角測距探頭Ⅱ分別通過一塊擺動平臺[3]的轉(zhuǎn)軸和固定板[4]的一端置于基座[5]上，基座[5]固定在車體的一端，光電三角測距探頭Ⅰ中的紅外半導體激光發(fā)射器[1]位于擺動平臺[3]的旋轉(zhuǎn)軸上方，光軸與垂直于地面的旋轉(zhuǎn)軸之間的夾角為銳角；光電三角測距探頭Ⅱ的光軸垂直于地面；光電三角測距探頭Ⅲ通過固定板[6]置于車體的另一端，其光軸也垂直于地面；三組光電三角測距探頭的探測信號分別通過數(shù)據(jù)處理接口與中心計算機[7]連接；在車體的車輪處還設置有轉(zhuǎn)數(shù)傳感器[8]，其輸出與中心與計算機[7]連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述激光斷面高程儀，其特征是光電三角測距探頭Ⅰ在擺動平臺[3]上繞垂直軸旋轉(zhuǎn)擺動的角度為0～180°。
專利摘要本實用新型公開了一種激光斷面高程儀,它是由紅外半導體激光發(fā)射器、光學接收透鏡、高速CCD接收器構(gòu)成三組結(jié)構(gòu)和性能均相同的光電測距探頭,分別設置于檢測車體的前后端,其中探頭I它可對前方路面進行大范圍擺動掃描。另兩個探頭對垂直路面掃描,它們可在同步驅(qū)動下,實現(xiàn)對路面平整度和車轍的高速、實時測量,結(jié)果精確、可靠、直觀,可廣泛用于公路驗收年檢等安全檢驗上,還可用于其它工件、物體輪廓等識別和測量上。
文檔編號G01C3/00GK2453388SQ00240679
公開日2001年10月10日 申請日期2000年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月20日
發(fā)明者賀安之, 賀斌, 徐友仁, 賀寧 申請人:南京理工大學