專利名稱：一種自動調平調向智能激光斷面儀的制作方法
技術領域：
本發明屬于幾何尺寸測量技術領域，具體涉及一種高精度自動調平調向智能激光斷面儀，尤其適用于隧道，橋梁等拱形橫斷面的面型檢測與監測及安全預警。
背景技術：
隨著高鐵、城市地下交通以及橋梁建設的快速發展，隧道施工時，欠挖和過挖均會影響隧道管片的安裝，若管片安裝好后重新修補隧道面，會帶來額外的人力成本和工程造價成本。安裝好的隧道管片隨著使用時間的變長會因為應力作用、地質變動等出現松動、嚴重時會脫落下掉，影響隧道內行車安全。基于此，隧道施工過程中的隧道橫斷面型檢測和隧道挖掘完成后的隧道面型監測變得非常迫切且意義深遠。1986年瑞士安伯格公司率先推出激光斷面儀，該斷面儀最高精度±5mm，國內于1987年由鐵道部專業設計研究院研制出國產激光斷面儀，該款斷面儀精度較低，只有
2.5%。，2001年北京工業大學研制出一種結合激光測距技術和數字測角技術的巷道斷面檢測儀，2002年中鐵隧道集團強力機械有限公司推出一款利用伺服電機驅動，利用氣泡法調水平的簡易型激光斷面儀，2010年，同濟大學提出一種由九個激光測距儀組成的扇形組合車載斷面儀，理論誤差±2.733mm。
發明內容
本發明的目的在于提供一種高精度自動調平調向智能激光斷面儀，該激光斷面儀很好的解決了以往激光斷面儀靠人工微調而不能智能調平測量姿態的問題，能進行隧道斷面面型檢測又能長期監測，且能實現遠程控制。本發明提供的一種自動調平調向智能激光斷面儀，其特征在于，它包括電動旋轉臺，無線通信模塊，第一減速步進電機，彈性聯軸器，帶軸承的軸承座，第二減速步進電機，三維電子羅盤，以及激光測距傳感器；電動旋轉臺和無線通信模塊固定在第一連接底板上；第一減速步進電機和帶軸承的軸承座均固定在第二連接板上，第二連接板固定在電動旋轉臺上；第二減速步進電機固定于第一托板上，第一托板通過軸承座與第一減速步進電機連接在一起，三維電子羅盤和激光測距傳感器均布置在第二托板上；第二托板與第二減速步進電機的軸端連接在一起,第一減速步進電機、第二減速步進電機和激光測距傳感器均與無線通訊模塊通過串口數據線連接，無線通信模塊用于控制指令和測量數據的無線接收與發送。基于現有技術存在的問題，本發明提供的激光斷面儀的智能體現在系統安裝時底座不需精確調水平，系統能夠針對自身姿態進行自動調水平，且控制指令和測量數據均采用無線通信方式進行傳輸。自動調平調向是指斷面儀能定時根據隧道設計軸向方向和隧道軌道面坡度進行自我方位調整，當斷面儀安裝在隧道壁進行隧道斷面長期監測時，由于地質變動造成支座扭轉變形，斷面儀會根據斷面儀水平方位角和坡度角的變動值結合隧道設計走向進行自我姿態校正，保證激光測距傳感器掃描斷面與隧道走向設計軸線垂直，從而很好的保證斷面儀的長期測量精度。本發明中儀器控制和數據傳輸均采用無線傳輸方式，以實現遠程控制。
圖1是本發明中高精度自動調平調向智能激光斷面儀的裝配圖；圖2是本發明中高精度自動調平調向激光斷面儀進行隧道面面型檢測的示意圖；圖3是本發明中高精度自動調平調向激光斷面儀進行隧道面面型監測的示意圖；圖4為托板(包括第一托板和第二托板)外觀示意圖；圖中，I是第一連接底板，2是電動旋轉臺，3是無線通信模塊，4是第二連接板，5是第一減速步進電機，6是彈性聯軸器，7是帶軸承的軸承座，8是第一托板，9是第二減速步進電機，10是第二托板，11是三維電子羅盤，12是激光測距傳感器，13是固定支撐架，14是隧道壁，15是光學三腳架。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發明，但并不構成對本發明的限定。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。如圖1、2和圖3所示，本發明提供的一種高精度自動調平調向智能激光斷面儀，包括電動旋轉臺2，無線通信模塊3，第一減速步進電機5，彈性聯軸器6，帶軸承的軸承座7，第二減速步進電機9，三維電子羅盤11，激光測距傳感器12。電動旋轉臺2和無線通信模塊3固定在第一連接底板I上。第一減速步進電機5，帶軸承的軸承座7均固定在第二連接板4上，第二連接板4固定在電動旋轉臺2上。第二減速步進電機9固定于第一托板8上,第一托板8通過軸承座7與第一減速步進電機5連接在一起，三維電子羅盤11和激光測距傳感器12均布置在第二托板10上。第二托板10與第二減速步進電機9的軸端通過螺釘擰緊而連接在一起。第一減速步進電機5、第二減速步進電機9和激光測距傳感器12均通過串口數據線16與無線通訊模塊3連接，無線通信模塊3負責控制指令和測量數據的無線接收與發送。為提高斷面儀的測量精度，電動旋轉臺2應盡量使用高精密電動旋轉臺。為了進一步提高本發明提供的斷面儀的測量精度，應滿足以下定位要求:第二減速步進電機9的輸出軸軸心線與第一減速步進電機5輸出軸軸心線要相互垂直。激光測距傳感器12的掃描平面要和第二步進電機9保證垂直，當二者不垂直時，掃描的隧道截面將會是橢圓形，從而造成較大的測量誤差。為保證儀器安裝支架具有良好通用性，斷面儀通過第一連接底板I與支座連接，底板設計的安裝孔使得安裝支座可以是常用的光學三腳架15，也可以是固定在隧道壁的普通固定支撐架13。為了更進一步提高本發明提供的斷面儀的測量精度，還應滿足以下定位要求:三維電子羅盤11和激光測距傳感器12的布置要使得二者的重心落在第二減速步進電機9的輸出軸軸心線上，提高第二減速步進電機9的旋轉均勻性。本發明提供的斷面儀的工作過程為:
第一步姿態調正:儀器安裝完畢后，無線通信模塊3接收指令后讀取三維電子羅盤11的航向角α和坡度角β和橫滾角Y，首先由α的值發送脈沖信號驅動電動旋轉臺2將第二減速步進電機9的軸線與隧道設計施工軸線調至同軸，然后由β的值發送脈沖信號驅動第一減速步進電機5將第二減速步進電機9的軸線調至與隧道實際坡面平行。至此，通過前述調節保證了激光測距傳感器掃面截面與隧道軸線垂直，測量儀的姿態調節完畢。第二步周向掃描測量:發送脈沖信號驅動減速步進電機2周向旋轉，使Y角每次轉過一定角度，實現隧道斷面的周向掃描測量。激光測距傳感器12的測量數據通過串口數據線傳輸至無線通信模塊3，無線通信模塊3再將測量數據發送出去。當進行隧道橫斷面超欠挖測量時，整個測量系統安裝在光學三腳架15上，光學三角架放置在隧道中線軌道面上，如附圖2所示，激光斷面儀置于光學三腳架15上，光學三腳架位于隧道中線上，隨隧道施工依次向前推進，從而實現隨隧道施工實時測量。測量系統的自我調平調向功能可保證光學三腳架不需精確調平，測量完一個斷面后移動光學三腳架至下一個斷面即可繼續測量，極大的節省了測量時間，提高了工作效率，減少了測量對隧道施工的影響。當進行隧道橫斷面面型長期監測時，其目的主要是監測隧道形變，預防隧道管片由于地質變動造成脫落，掉到軌道上影響行車安全。進行長期監測時，測量系統固定在隧道壁的固定支撐架13上面，以對隧道斷面進行長期監測，測量數據通過無線傳輸方式傳輸至控制室。如附圖3所示，激光斷面儀至于固定支撐架13上，固定支架通過螺釘安裝在隧道壁上，隧道壁發生變動造成固定支架形變時，本發明中的激光斷面儀會自我調平調整，從而保證長期測量精度。進行隧道斷面面型監測的主要誤差影響因素是地質變動造成固定于隧道壁的支座扭轉變形，而本發明中的測量系統能針對支座扭轉進行自我調平調向，極大的保證了長期測量精度。傳統監測方法是定時派遣工人進入隧道內進行測量，而本發明的隧道斷面長期監測功能省掉了長時間的人力投入，測量系統定時通過無線傳輸方式將斷面面型信息發送至洞外操作室即可完成監測任務。總之，本發明借助三維電子羅盤的方位指示進行自動調平調向，既能隨隧道施工實時測量隧道斷面面型，判斷是否有超欠挖，又能在隧道施工完畢后進行隧道面型長期監測，很好的解決了以往激光斷面儀靠人工微調而不能隨時自動調平測量姿態，僅用于隧道斷面檢測而不能長期監測的問題。具有精度高，操作簡單方便，安裝時能一鍵自動調平調向，儀器便于拆裝后重復使用，在隧道監測時能很好的針對地質變動造成的基座錯位和扭轉進行自我調平調向校正，從而保證長期測量精度，控制指令和測量數據通過無線通信模塊進行傳輸，實現遠程控制。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種自動調平調向智能激光斷面儀，其特征在于，它包括電動旋轉臺(2)，無線通信模塊(3)，第一減速步進電機(5)，彈性聯軸器￠)，帶軸承的軸承座(7)，第二減速步進電機(9)，三維電子羅盤(11)，以及激光測距傳感器(12)； 電動旋轉臺(2)和無線通信模塊(3)固定在第一連接底板(I)上；第一減速步進電機(5)和帶軸承的軸承座(7)均固定在第二連接板(4)上，第二連接板(4)固定在電動旋轉臺(2)上；第二減速步進電機(9)固定于第一托板(8)上，第一托板(8)通過軸承座(7)與第一減速步進電機(5)連接在一起，三維電子羅盤(11)和激光測距傳感器(12)均布置在第二托板(10)上； 第二托板(10)與第二減速步進電機(9)的軸端連接在一起,第一減速步進電機(5)、第二減速步進電機(9)和激光測距傳感器(12)均與無線通訊模塊(3)通過串口數據線(16)連接，無線通信模塊(3)用于控制指令和測量數據的無線接收與發送。
2.根據權利要求1所述的自動調平調向智能激光斷面儀，其特征在于，借助三維電子羅盤的方位指示進行自動調平調向。
3.根據權利要求1所述的自動調平調向智能激光斷面儀，其特征在于，第二減速步進電機(9)的輸出軸軸心線與第一減速步進電機(5)輸出軸軸心線要相互垂直。
4.根據權利要求1、2或3所述的自動調平調向智能激光斷面儀，其特征在于，激光測距傳感器(12)的掃描平面與第二步進電機(9)垂直。
5.根據權利要求1、2或3所述的自動調平調向智能激光斷面儀，其特征在于，三維電子羅盤(11)和激光測距傳感器(12)的布置使得二者的重心落在第二減速步進電機(9)的輸出軸軸心線上。
6.根據權利要求4所述的自動調平調向智能激光斷面儀，其特征在于，三維電子羅盤(11)和激光測距傳感器 (12)的布置使得二者的重心落在第二減速步進電機(9)的輸出軸軸心線上。
全文摘要
本發明屬于幾何尺寸測量技術領域，具體涉及一種自動調平調向智能激光斷面儀，包括電動旋轉臺，無線通信模塊，第一、第二減速步進電機，帶軸承的軸承座，三維電子羅盤，以及激光測距傳感器。本發明借助三維電子羅盤的方位指示進行自動調平調向，很好的解決了現有技術中存在的問題。本激光斷面儀既能隨隧道施工實時測量隧道斷面面型，判斷是否有超欠挖，又能在隧道施工完畢后進行隧道面型長期監測，具有精度高，操作簡單方便，儀器便于拆裝后重復使用，在隧道監測時能很好的針對地質變動造成的基座錯位和扭轉進行自我調平調向校正，并實現遠程控制。
文檔編號G01C7/06GK103175510SQ20131008012
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月13日 優先權日2013年3月13日
發明者趙斌, 汪琛, 曹智穎, 陳海平 申請人:華中科技大學
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