一种自动调平调向智能激光断面仪

摘要

本发明属于几何尺寸测量技术领域，具体涉及一种自动调平调向智能激光断面仪，包括电动旋转台，无线通信模块，第一、第二减速步进电机，带轴承的轴承座，三维电子罗盘，以及激光测距传感器。本发明借助三维电子罗盘的方位指示进行自动调平调向，很好的解决了现有技术中存在的问题。本激光断面仪既能随隧道施工实时测量隧道断面面型，判断是否有超欠挖，又能在隧道施工完毕后进行隧道面型长期监测，具有精度高，操作简单方便，仪器便于拆装后重复使用，在隧道监测时能很好的针对地质变动造成的基座错位和扭转进行自我调平调向校正，并实现远程控制。

权利要求

1.一种自动调平调向智能激光断面仪，其特征在于，该断面仪用于定时根据隧道设计轴向方向和隧道轨道面坡度进行自我方位调整，它具体包括电动旋转台（2），无线通信模块（3），第一减速步进电机（5），弹性联轴器（6），带轴承的轴承座（7），第二减速步进电机（9），三维电子罗盘（11），以及激光测距传感器（12）；

电动旋转台（2）和无线通信模块（3）固定在第一连接底板（1）上；第一减速步进电机（5）和带轴承的轴承座（7）均固定在第二连接板（4）上，第二连接板（4）固定在电动旋转台（2）上；第二减速步进电机（9）固定于第一托板（8）上，第二减速步进电机（9）的输出轴轴心线与第一减速步进电机（5）输出轴轴心线要相互垂直，第一托板（8）通过轴承座（7）与第一减速步进电机（5）连接在一起，三维电子罗盘（11）和激光测距传感器（12）均布置在第二托板（10）上，激光测距传感器（12）的扫描平面与第二步进电机（9）垂直；三维电子罗盘（11）和激光测距传感器（12）的布置使得二者的重心落在第二减速步进电机（9）的输出轴轴心线上；

第二托板（10）与第二减速步进电机（9）的轴端连接在一起，第一减速步进电机（5）、第二减速步进电机（9）和激光测距传感器（12）均与无线通讯模块（3）通过串口数据线（16）连接，无线通信模块（3）用于控制指令和测量数据的无线接收与发送；

该断面仪工作时能够针对自身姿态进行自动调水平，且控制指令和测量数据均采用无线通信方式进行传输；当断面仪安装在隧道壁进行隧道断面长期监测时，断面仪会根据断面仪水平方位角和坡度角的变动值结合隧道设计走向进行自我姿态校正，弥补由于地质变动造成支座扭转变形，保证激光测距传感器扫描断面与隧道走向设计轴线垂直，保证断面仪的长期测量精度。

2.根据权利要求1所述的自动调平调向智能激光断面仪，其特征在于，借助三维电子罗盘的方位指示进行自动调平调向。

说明书

一种自动调平调向智能激光断面仪

技术领域

[0001] 本发明属于几何尺寸测量技术领域，具体涉及一种高精度自动调平调向智能激光断面仪，尤其适用于隧道，桥梁等拱形横断面的面型检测与监测及安全预警。

背景技术

[0002] 随着高铁、城市地下交通以及桥梁建设的快速发展，隧道施工时，欠挖和过挖均会影响隧道管片的安装，若管片安装好后重新修补隧道面，会带来额外的人力成本和工程造价成本。安装好的隧道管片随着使用时间的变长会因为应力作用、地质变动等出现松动、严重时会脱落下掉，影响隧道内行车安全。基于此，隧道施工过程中的隧道横断面型检测和隧道挖掘完成后的隧道面型监测变得非常迫切且意义深远。

[0003] 1986年瑞士安伯格公司率先推出激光断面仪，该断面仪最高精度±5mm，国内于1987年由铁道部专业设计研究院研制出国产激光断面仪，该款断面仪精度较低，只有2.5‰，2001年北京工业大学研制出一种结合激光测距技术和数字测角技术的巷道断面检测仪，2002年中铁隧道集团强力机械有限公司推出一款利用伺服电机驱动，利用气泡法调水平的简易型激光断面仪，2010年，同济大学提出一种由九个激光测距仪组成的扇形组合车载断面仪，理论误差±2.733mm。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种高精度自动调平调向智能激光断面仪，该激光断面仪很好的解决了以往激光断面仪靠人工微调而不能智能调平测量姿态的问题，能进行隧道断面面型检测又能长期监测，且能实现远程控制。

[0005] 本发明提供的一种自动调平调向智能激光断面仪，其特征在于，它包括电动旋转台，无线通信模块，第一减速步进电机，弹性联轴器，带轴承的轴承座，第二减速步进电机，三维电子罗盘，以及激光测距传感器；

[0006] 电动旋转台和无线通信模块固定在第一连接底板上；第一减速步进电机和带轴承的轴承座均固定在第二连接板上，第二连接板固定在电动旋转台上；第二减速步进电机固定于第一托板上，第一托板通过轴承座与第一减速步进电机连接在一起，三维电子罗盘和激光测距传感器均布置在第二托板上；

[0007] 第二托板与第二减速步进电机的轴端连接在一起，第一减速步进电机、第二减速步进电机和激光测距传感器均与无线通讯模块通过串口数据线连接，无线通信模块用于控制指令和测量数据的无线接收与发送。

[0008] 基于现有技术存在的问题，本发明提供的激光断面仪的智能体现在系统安装时底座不需精确调水平，系统能够针对自身姿态进行自动调水平，且控制指令和测量数据均采用无线通信方式进行传输。自动调平调向是指断面仪能定时根据隧道设计轴向方向和隧道轨道面坡度进行自我方位调整，当断面仪安装在隧道壁进行隧道断面长期监测时，由于地质变动造成支座扭转变形，断面仪会根据断面仪水平方位角和坡度角的变动值结合隧道设计走向进行自我姿态校正，保证激光测距传感器扫描断面与隧道走向设计轴线垂直，从而很好的保证断面仪的长期测量精度。本发明中仪器控制和数据传输均采用无线传输方式，以实现远程控制。

附图说明

[0009] 图1是本发明中高精度自动调平调向智能激光断面仪的装配图；

[0010] 图2是本发明中高精度自动调平调向激光断面仪进行隧道面面型检测的示意图；

[0011] 图3是本发明中高精度自动调平调向激光断面仪进行隧道面面型监测的示意图；

[0012] 图4为托板(包括第一托板和第二托板)外观示意图；

[0013] 图中，1是第一连接底板，2是电动旋转台，3是无线通信模块，4是第二连接板，5是第一减速步进电机，6是弹性联轴器，7是带轴承的轴承座，8是第一托板，9是第二减速步进电机，10是第二托板，11是三维电子罗盘，12是激光测距传感器，13是固定支撑架，14是隧道壁，15是光学三脚架。

具体实施方式

[0014] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0015] 如图1、2和图3所示，本发明提供的一种高精度自动调平调向智能激光断面仪，包括电动旋转台2，无线通信模块3，第一减速步进电机5，弹性联轴器6，带轴承的轴承座7，第二减速步进电机9，三维电子罗盘11，激光测距传感器12。

[0016] 电动旋转台2和无线通信模块3固定在第一连接底板1上。第一减速步进电机5，带轴承的轴承座7均固定在第二连接板4上，第二连接板4固定在电动旋转台2上。第二减速步进电机9固定于第一托板8上，第一托板8通过轴承座7与第一减速步进电机5连接在一起，三维电子罗盘11和激光测距传感器12均布置在第二托板10上。

[0017] 第二托板10与第二减速步进电机9的轴端通过螺钉拧紧而连接在一起。第一减速步进电机5、第二减速步进电机9和激光测距传感器12均通过串口数据线16与无线通讯模块3连接，无线通信模块3负责控制指令和测量数据的无线接收与发送。

[0018] 为提高断面仪的测量精度，电动旋转台2应尽量使用高精密电动旋转台。

[0019] 为了进一步提高本发明提供的断面仪的测量精度，应满足以下定位要求：第二减速步进电机9的输出轴轴心线与第一减速步进电机5输出轴轴心线要相互垂直。激光测距传感器12的扫描平面要和第二步进电机9保证垂直，当二者不垂直时，扫描的隧道截面将会是椭圆形，从而造成较大的测量误差。为保证仪器安装支架具有良好通用性，断面仪通过第一连接底板1与支座连接，底板设计的安装孔使得安装支座可以是常用的光学三脚架15，也可以是固定在隧道壁的普通固定支撑架13。

[0020] 为了更进一步提高本发明提供的断面仪的测量精度，还应满足以下定位要求：三维电子罗盘11和激光测距传感器12的布置要使得二者的重心落在第二减速步进电机9的输出轴轴心线上，提高第二减速步进电机9的旋转均匀性。

[0021] 本发明提供的断面仪的工作过程为：

[0022] 第一步姿态调正：

[0023] 仪器安装完毕后，无线通信模块3接收指令后读取三维电子罗盘11的航向角α和坡度角β和横滚角γ，首先由α的值发送脉冲信号驱动电动旋转台2将第二减速步进电机9的轴线与隧道设计施工轴线调至同轴，然后由β的值发送脉冲信号驱动第一减速步进电机5将第二减速步进电机9的轴线调至与隧道实际坡面平行。至此，通过前述调节保证了激光测距传感器扫面截面与隧道轴线垂直，测量仪的姿态调节完毕。

[0024] 第二步周向扫描测量：

[0025] 发送脉冲信号驱动减速步进电机2周向旋转，使γ角每次转过一定角度，实现隧道断面的周向扫描测量。激光测距传感器12的测量数据通过串口数据线传输至无线通信模块3，无线通信模块3再将测量数据发送出去。

[0026] 当进行隧道横断面超欠挖测量时，整个测量系统安装在光学三脚架15上，光学三角架放置在隧道中线轨道面上，如附图2所示，激光断面仪置于光学三脚架15上，光学三脚架位于隧道中线上，随隧道施工依次向前推进，从而实现随隧道施工实时测量。测量系统的自我调平调向功能可保证光学三脚架不需精确调平，测量完一个断面后移动光学三脚架至下一个断面即可继续测量，极大的节省了测量时间，提高了工作效率，减少了测量对隧道施工的影响。

[0027] 当进行隧道横断面面型长期监测时，其目的主要是监测隧道形变，预防隧道管片由于地质变动造成脱落，掉到轨道上影响行车安全。进行长期监测时，测量系统固定在隧道壁的固定支撑架13上面，以对隧道断面进行长期监测，测量数据通过无线传输方式传输至控制室。如附图3所示，激光断面仪至于固定支撑架13上，固定支架通过螺钉安装在隧道壁上，隧道壁发生变动造成固定支架形变时，本发明中的激光断面仪会自我调平调整，从而保证长期测量精度。进行隧道断面面型监测的主要误差影响因素是地质变动造成固定于隧道壁的支座扭转变形，而本发明中的测量系统能针对支座扭转进行自我调平调向，极大的保证了长期测量精度。传统监测方法是定时派遣工人进入隧道内进行测量，而本发明的隧道断面长期监测功能省掉了长时间的人力投入，测量系统定时通过无线传输方式将断面面型信息发送至洞外操作室即可完成监测任务。

[0028] 总之，本发明借助三维电子罗盘的方位指示进行自动调平调向，既能随隧道施工实时测量隧道断面面型，判断是否有超欠挖，又能在隧道施工完毕后进行隧道面型长期监测，很好的解决了以往激光断面仪靠人工微调而不能随时自动调平测量姿态，仅用于隧道断面检测而不能长期监测的问题。具有精度高，操作简单方便，安装时能一键自动调平调向，仪器便于拆装后重复使用，在隧道监测时能很好的针对地质变动造成的基座错位和扭转进行自我调平调向校正，从而保证长期测量精度，控制指令和测量数据通过无线通信模块进行传输，实现远程控制。

[0029] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。