一种双向极值倾角检测传感器

1.本实用新型属于机器视觉智能传感技术领域，涉及一种双向极值倾角检测传感器。


背景技术：

2.大型土木工程诸如水利工程、桥梁工程、房屋工程、输电线路等由于地基基础不均匀沉降易发生倾斜现象，不但影响工程建筑的正常使用功能，而且引起附加应力甚至导致结构破坏。因此，贯穿施工与运营维护期的机构倾斜状态监测很有必要。传统的倾角传感器以电磁效应、电容效应等为基本原理，可达到较高的精度与分辨率，但这种弱电式传感器存在抗电磁干扰性能差、测量距离近的缺陷，在电磁干扰严重的环境以及需要远距离监测的情况下难以适用。
3.而光纤光栅具有测量灵敏度高、抗电磁干扰、信号传输距离远、耐腐蚀的优点，适用于建筑物的远距离结构健康监测，但是，光纤光栅随着使用次数增加寿命会逐渐折减，因材料本身的缺点无法避免，不适用于长期监测，并且光纤光栅解调过程繁琐，且现有传感器针对倾角的测量公式较为繁琐，大多精度较低，无法满足工程实际需求。
4.已有倾角传感技术存在的难以实现应变低成本采集以及长期监测将产生大量数据导致分析处理较为繁琐、传输记录较为困难的问题。通过查阅文献可以知道，结构发生的最大倾角值参数最值得关注，因为往往通过最大倾角值与现有理论的比较来对结构的安全状态进行分析和判断。所以，获得结构在荷载作用下的倾角信息尤其是最大倾角值具有重要研究价值。目前尚未存在一种低成本、便捷式的检测结构的最大倾角的技术手段。


技术实现要素：

5.针对已有倾角传感技术存在的难以实现应变低成本采集以及长期监测将产生大量数据导致分析处理较为繁琐、传输记录较为困难的问题，本实用新型提出了一种新型的、使用方便、精度高、测量成本低的基于机器视觉的双向极值倾角检测传感器，可以直接测量和记录结构在一段时间内发生的最大倾角值，通过利用显微视觉技术保证具有较高精度。具体为：将结构倾斜产生角度通过质量块的巧妙设计反应到轴承转动角度上，进而通过连接绳转换成可以用显微视觉测量的探针和标靶的相对位移，同时因为轴承仅可单向转动停止检测时得到的便是结构产生倾角的最大值，从而实现了一段时间内传感标距内结构发生最大倾角值的测量。该传感器显微视觉位移测量的分辨率可以达到10-6
级别，所以能够保证倾角测量的高精度，且本传感器可以直接测量和记录结构在一段时间内发生的最大倾角值，结构简单安装方便，能够降低最大倾角检测成本，拓宽最大倾角检测在实际结构中的应用前景。
6.为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：
7.一种双向极值倾角检测传感器，包括正向倾斜检测机构、负向倾斜检测机构、相机以及封装结构；所述封装结构顶部设有开口，方便相机检测，底部两侧打有螺栓孔用于安
装；所述正向倾斜检测机构和负向倾斜检测机构结构相同，均包括转动单元1、连接单元2、检测单元3和稳定单元4。
8.所述转动单元1包括固定杆11、单向转动轴承12、质量块13、套棒14和制动棒15；正向倾斜检测机构和负向倾斜检测机构共用同一个固定杆11，二者共同构成对称结构；所述固定杆11为t型结构，其底端与封装外壳的侧壁固定连接，水平布置，另两个对称端分别连接正向倾斜检测机构和负向倾斜检测机构的单向转动轴承12；所述质量块13固定在单向转动轴承12外侧中部偏下位置；所述套棒14固定在单向转动轴承12的下表面；单向转动轴承12上开有制动孔，同时在封装外壳的对应位置开有同样大小的孔，所述制动棒15穿过两个单向转动轴承12上的制动孔以及封装外壳的孔，用于限制单向转动轴承12的运动；正向倾斜检测机构对应的单向转动轴承12仅可逆时针转动，负向倾斜检测机构对应的单向转动轴承12仅可顺时针转动；所述质量块13的质量大于单向转动轴承12自重。
9.所述连接单元2包括套环21、连接绳22和探针23，每个连接单元2中有两条连接绳22，其中一条的两端分别连接套环21和探针23的一端，另一条的两端分别连接探针23的另一端和稳定单元中的稳定球43，通过稳定球43的拉力使得两条连接绳时刻处于受拉紧绷状态；所述套环21套挂于套棒14上，与套环21连接的连接绳22缠绕在对应的单向转动轴承12上，随着单向转动轴承12的转动牵拉探针23产生移动；所述探针23两端均受水平力所以仅发生水平方向的移动。
10.所述检测单元3包括标靶31、初始标记32和参考标记33；正向倾斜检测机构和负向倾斜检测机构共用一个标靶31，所述标靶31固定于封装外壳上，与探针23处于同一水平面；所述初始标记32位于探针23上，由随机散斑标记组成；所述参考标记33位于标靶31靠近探针23的边缘上，由等规则标记组成。
11.所述稳定单元4包括静滑轮41、稳定杆42和稳定球43；所述稳定杆42的一端固定于封装外壳上，另一端安装有静滑轮41，稳定杆42与对应的单向转动轴承12相对；所述稳定球43通过连接绳22悬挂于静滑轮41正下方，稳定球43的质量小于质量块13，但能够保证连接绳22紧拉状态、探针23仅在标靶31所处水平面内沿绳方向发生移动。
12.检测时，将双向极值倾角检测传感器安装于被测结构上；将相机置于封装结构顶部开口正上方，视野对准标靶31上的参考标记33和探针23上的初始标记32，拍摄一张初始位置照片；然后抽出制动棒15，当被测物体发生倾斜时，转动单元1中的单向转动轴承12在质量块13的重力作用下发生单向转动，然后通过连接单元2牵动探针23相对于检测单元3中的标靶31发生移动，再通过相机拍摄一张目前位置照片；通过初始位置照片和目前位置照片测得参考标记33与初始标记32的相对位移，再除以单向转动轴承12半径，即得到被测结构在此时间段内的最大倾角值。
13.本实用新型的有益效果：本实用新型通过装置的巧妙设计，通过将结构倾斜产生角度通过质量块的巧妙设计反应到轴承转动角度上，又通过连接绳转换成可以用显微视觉测量的探针和标靶的相对位移，所得位移除以轴承半径即得到倾角值，同时因为轴承仅可单向转动停止检测时得到的便是结构产生倾角的最大值，即在量程允许的范围内可以直接测得结构一段时间内传感标距内结构发生的最大倾角值。简化繁琐的监测过程和数据处理过程，使得数据的采集、记录、分析和传输变得尤为便捷；采用数字摄像头检测采集数据，数据采集与分析系统构造简单，尤其是可以搭配智能手机摄像头采集，成本低；采用显微视觉
技术具有微米级观测精度，保证实际应用的精度；可用不同的摄像头模块或智能手机摄像头观测传感器得到精准数据，适用性很高；该传感器耐久性好，使用方便。
附图说明
14.图1为本实用新型的一种双向极值倾角检测传感器俯视图；
15.图2为本实用新型的一种双向极值倾角检测传感器正视图；
16.其中：
17.1-转动单元：11-固定杆；12-单向转动轴承；13-质量块；14-套棒；15-制动棒；
18.2-连接单元：21-套环；22-连接绳；23-探针；
19.3-检测单元；31-标靶；32-初始标记；33-参考标记；
20.4-稳定单元；41-静滑轮；42-稳定杆-43-稳定球。
具体实施方式
21.以下结合附图和技术方案，进一步说明本实用新型的具体实施方式。
22.如图1至图2所示，本实用新型公开了一种双向极值倾角检测传感器，采用的技术方案是，包括：正向(顺时针转动)倾斜检测机构、负向(逆时针转动)倾斜检测机构、相机以及封装结构，所述检测机构均包括转动单元1、连接单元2、检测单元3、稳定单元4四部分，所述封装结构顶部设有开口，方便相机检测，底部两侧打有螺栓孔，方便安装，旨在用于检测建筑物、输电塔、桥梁等结构在一段时间内发生的最大倾斜角度；所述正向倾斜检测机构和负向倾斜检测机构分别用于检测结构发生顺时针转动和逆时针转动时产生的倾角变化，其在结构组成上唯一区别在于单向转动轴承可旋转方向不同，正向倾斜检测机构对应的转动轴承仅可逆时针转动，负向倾斜检测机构对应的转动轴承仅可顺时针转动，其他结构组成均相同，所述转动单元包括固定杆11、单向转动轴承12、质量块13、套棒14、制动棒15；正向倾斜检测机构和负向倾斜检测机构共用同一个固定杆11，二者共同构成对称结构；所述固定杆11为t型结构，所述固定杆11选用与封装外壳同不锈钢材料一端与封装外壳焊接，另一端分别与两个单向转动轴承12焊接，所述单向转动轴承12沿可转动方向转动顺滑，所述质量块13选用不锈钢合金材料，质量远大于单向转动轴承12自重，使得单向转动轴承12和质量块13整体的质心几乎位于质量块13处，焊接于单向转动轴承12外侧中部偏下位置，套棒14选用普通不锈钢材料，焊接于单向转动轴承12的正下方，两个单向转动轴承12同一位置钻有略大于套棒14直径的制动孔，同时在封装外壳的对应位置开两个同样大小的孔，所述制动棒15可穿过两个制动孔以及封装外壳的孔，起到制动作用，安装好传感器即可抽出制动棒15，标志检测的开始。所述质量块13和套棒14均完全固定于转动单向转动轴承12上，不与单向转动轴承12发生相对移动。
23.所述连接单元2包括套环21、连接绳22、探针23，每个连接单元2包括连接绳22两条，采用尼龙材质，轻质耐磨，左侧连接绳22两端分别连接套环21和探针23，右侧一条连接绳22两端分别连接探针23和稳定球43，通过稳定球43的拉力使得两条连接绳22时刻处于受拉紧绷状态，所述套环21套挂于套棒14上，套环21直径略大于套棒14，在连接绳受拉状态下套环21和套棒14不发生相对位移，随着单向转动轴承12的转动牵拉探针23在水平方向移动，所述探针23两端均受水平力所以仅发生标靶31同平面面内水平方向的移动。
24.所述检测单元3主要由标靶31、初始标记32、参考标记33三部分组成，正向倾斜检测机构和负向倾斜检测机构共用一个标靶31，所述标靶31采用方形塑料板，固定于封装外壳上，与探针23处于同一水平面，所述初始标记32位于探针23上由一些随机散斑标记组成，所述参考标记33位于标靶靠近探针23的边缘上，由一些圆、正方形等规则标记组成，所述初始标记32和参考标记33的设置主要是便于算法测量探针23和标靶31的相对位移。
25.所述稳定单元4主要由静滑轮41、稳定杆42、稳定球43三部分组成，所述静滑轮41通过稳定杆42安装在封装外壳上，能够发生自由转动，所述稳定球43通过右侧连接绳22悬挂于静滑轮41正下方，稳定球43的质量远小于质量块13，但能够保证连接绳22紧拉状态，同时使得探针23仅在标靶31所处水平面内沿绳方向发生移动。
26.检测时，将基于显微视觉技术的双向极值倾角检测传感器安装于被测结构上；将相机置于封装结构顶部开口正上方，视野对准标靶31上的参考标记33和探针23上的初始标记32，拍摄一张初始位置照片；然后抽出制动棒15，当被测物体发生倾斜时，转动单元1中的单向转动轴承12在质量块13的重力作用下发生单向转动，然后通过连接单元2牵动探针23相对于检测单元3中的标靶31发生移动，再通过相机拍摄一张目前位置照片；通过初始位置照片和目前位置照片结合显微视觉技术和相关算法测得参考标记33与初始标记32的相对位移，再除以单向转动轴承12半径，即得到被测结构在此时间段内的最大倾角值。
27.本实用新型的工作原理：该显微视觉极值倾角传感器的测量原理，通过将结构倾斜产生角度通过质量块的巧妙设计反应到轴承转动角度上，进而通过连接绳转换成可以用显微视觉测量的探针和标靶的相对位移，所得位移除以轴承半径即得到倾角值，同时因为轴承仅可单向转动停止检测时得到的便是结构产生倾角的最大值，从而实现了一段时间内传感标距内结构发生最大倾角值的测量。
28.具体的，将传感器稳定安装于被测结构表面，拍摄一张初始位置照片，准备测量时需要抽出制动棒15，此时单向转动轴承12便可发生转动；当被测物体发生正向倾斜(顺时针转动)时，正向倾斜检测机构中对应的单向转动轴承12发生逆时针转动，因质量块13的重力作用，使得单向转动轴承12发生单向转动的角度与物体倾斜角度相同；因套棒14与单向转动轴承12完全固定，单向转动轴承12转动套棒14也产生位移，因套环21存在牵拉着左侧连接绳22发生移动，同时牵拉探针23移动，因为右侧稳定球43的重力，使得连接绳22时刻处于紧绷状态，故探针23只能在标靶31的同平面内发生水平移动；因单向转动轴承12仅可单向转动，故当被测物体正向倾斜变小时，单向转动轴承12仍处于原位置，只有当被测物体产生更大的正向倾斜角度时，单向转动轴承12才会继续转动，从而实现了记录此段时间内产生的倾角的最大值；被测物体负向倾斜(逆时针转动)时，负向倾斜检测机构中对应的单向转动轴承12发生顺时针转动，其他与正向倾斜检测机构均相同此处省略；最后当测量结束时，通过封装结构上方的开口，安装相机结合显微视觉技术和相关算法观测参考标记33和初始标记32得到相对位移数据，然后除以单向转动轴承12的半径即得到了此段时间内结构产生的两个方向的倾角最大值，实现了极值倾角的检测。
29.该传感器显微视觉位移测量的分辨率可以达到10-6
级别，所以能够保证倾角测量的高精度，且本传感器可以直接测量和记录结构在一段时间内发生的最大倾角值，结构简单安装方便，能够降低最大倾角检测成本，拓宽最大倾角检测在实际结构中的应用前景。