一种地面平整信息检测传感器及地面平整信息检测系统的制作方法

本实用新型属于测量及自动化控制领域，具体涉及一种地面平整信息检测传感器，进一步涉及使用该传感器进行地面平整信息实时监测的方法。

背景技术：

在混凝土摊铺和道桥建设等领域中广泛应用激光控制系统进行精准平整作业。该系统以激光发射器产生的旋转激光为基准面，将激光传感器安装在机具的桅杆上，用于检测平整具相对旋转激光的高程偏差信息并传输至控制器，控制器通过驱动液压系统自动调节机具，从而实现精准平整作业。

平整摊铺作业中，地面平整信息是评价作业质量的重要指标。现有技术中，是在完整全部的平整作业后，再通过人工的方法进行地面平整信息检测。这种方法存在两个问题。其一，由于检测的滞后，一旦平整设备在施工过程中发生偏差并导致平整度不符合要求，需要将整个平整工程重新作业，难以实现“实时纠错”；其二，人工检测不仅耗时耗力，还有可能破坏平整后的地表，严重时同样会导致将整个平整工程重新作业。

平整摊铺作业的质量主要受到平整设备所采用的激光传感器的影响。现有技术中公开了多种可用于地面平整用激光控制系统的激光传感器。专利cn201320178153.6公开了一种激光接收器，该激光接收器选用硅光电池作为光电探测器，进行旋转激光高程偏差信息的检测。专利cn201310138997.2公开了一种激光平地机的激光接收器，通过内置光电片进行旋转激光高程偏差信息的检测。专利cn201610602744.x公开了一种农田激光平地机中激光接收器，通过硅光电池阵列检测旋转激光高程偏差信息。但是，现有技术中所公开的激光传感器，尚无法在实际平整作业过程中实时检测地面平整信息，使得操作人员无法判断平整摊铺作业是否达到预期效果。现有产品在实际平整作业过程中无法实时检测地面平整信息，使得操作人员在平整摊铺作业的施工过程中，无法及时地了解并判断作业质量，需待完成全部作业后由人工进行检测。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本实用新型的一个目的在于提供一种改进的地面平整信息检测传感器。在检测旋转激光高程偏差信息的同时，采用该传感器还实时检测地面平整信息，实现平整摊铺作业与地面平整信息检测同步进行。

具体而言，本实用新型的地面平整信息检测传感器包括激光高程传感阵列模块、测距模块、算法处理模块、通信传输模块和数显模块；该激光高程传感阵列模块和该测距模块的输出端分别与该算法处理模块的输入端电连接，该算法处理模块的输出端与该通信传输模块的输入端电连接，该通信传输模块的输出端分别与该数显模块输入端和高程控制器的输入端电连接；该激光高程传感阵列模块用于将提供激光基准平面信号的激光发射器发出的激光信号转化为电信号；该测距模块用于测量该地面平整信息检测传感器与待检地面之间的相对距离；所述算法处理模块包括用于计算旋转激光高程偏差信息和待检地面平整信息的计算单元，以激光高程传感阵列模块检测到的高程信息为参考，通过测距模块测量传感器至放样点的标定距离和传感器至待检地面距离，实时计算时地面平整信息。

进一步地，

该激光高程传感阵列模块包括将激光发射器发出的激光信号转换为电信号的激光传感元件构成的激光传感阵列。其中激光发射器为旋转扫平激光发射器。

进一步地，该激光传感阵列包括成对的且感光面相互垂直的该激光传感元件，优选包括4个该激光传感元件。如此可实现360°无死角检测旋转激光信号。同时，将激光高程传感阵列任意位置可设置为高程零位置。

进一步地，该测距模块包括成对的信号发射器与信号接收器，该成对的信号发射器与信号接收器的信号传输方式选自激光、红外线、超声波中的任一种，优选激光。

进一步地，该算法处理模块包括用于计算旋转激光高程偏差信息和待检地面平整信息的计算单元，该计算单元能够执行以下计算：

式中：

z——待检地面平整信息；

h——实测距离，测距模块测量到的传感器至待检地面距离；

——期望距离，测距模块测量到的传感器至放样点的标定距离；

h——激光高程偏差，激光高程传感阵列模块检测的相对高程零位的高程偏差；

n——相位延迟中半周期的个数，测距模块检测到测距脉冲信号往返待检地面的相位延迟中半周期的个数；

——不足半周期的相位延迟，测距模块检测到测距脉冲信号往返待检地面的相位延迟不足半个周期的相位延迟时间；

——测距脉冲信号在空气中的传播速度，光速3×10⁸m/s，声速346m/s(空气25℃)；

——测距脉冲信号频率，10~100hz之间。

进一步地，该通信传输模块包括通过总线与高程控制器进行全双工通信的通信单元。

进一步地，该数显模块可以是包括显示屏的模块，安装于该地面平整信息检测传感器之上，或者通过电缆与外接显示屏相连接，还可以不使用显示屏，直接将信号传输至其他种类的终端之上。在一种优选方案中，该数显模块包括高程指示灯、平整信息显示屏和平整信息指示灯；该高程指示灯实时显示旋转激光高程偏差信息；该平整信息显示屏实时显示当前位置的地面平整信息；该平整信息指示灯依次显示距离当前位置0~xm、x~2xm和2x~3xm的平整作业情况，并进行实时更新。x可根据用户需求自行设置，在一种典型的应用场景下，例如混凝土平整作业，x可设置为1。

进一步地，该地面平整信息检测传感器还包括外壳，该外壳包括壳体和分别安装于该壳体两端的上底盖和下底盖，以及设置于该下底盖上的航空插头和该测距模块，该数显模块嵌套安装于该壳体上，该通信传输模块通过该航空插头与该高程控制器进行通信。

本实用新型的另一个目的在于，提供一种采用前述地面平整信息检测传感器进行实施地面平整控制和检测的方法，该方法能够在地面平整过程中直接实施进行平整程度检测，省去了平整后人工检测的步骤，具有省时省力、提升效率的有点。

具体而言，该地面平整信息实时检测方法，包括以下步骤：

s01、在施工场地选取平整作业标准高程的放样点，安设前述地面平整信息检测传感器，使得该测距模块检测到该放样点；

s02、放置该激光发射器并提供激光基准平面信号。该激光发射器应在施工场地内选择平坦地面架设，用于提供调节平整信息实时检测传感器的高程偏差所需的信号。

s03、通过该高程控制器调节作业部件深度至标准放样高程；调节该地面平整信息检测传感器的高程位置，使该激光发射器提供的激光基准平面信号照射在该地面平整信息检测传感器的高程零位，标定获得该地面平整信息检测传感器与放样点之间的期望距离h0；

s04、将该高程控制器设置为自动调节作业模式，进行地面平整信息实时动态测量，计算作业后待测地面的平整信息。

进一步地，步骤s04中，该计算的方法为：

式中：

z——待检地面平整信息；

h——实测距离，测距模块测量到的传感器至待检地面距离；

——期望距离，测距模块测量到的传感器至放样点的标定距离；

h——激光高程偏差，激光高程传感阵列模块检测的相对高程零位的高程偏差；

n——相位延迟中半周期的个数，测距模块检测到测距脉冲信号往返待检地面的相位延迟中半周期的个数；

——不足半周期的相位延迟，测距模块检测到测距脉冲信号往返待检地面的相位延迟不足半个周期的相位延迟时间；

——测距脉冲信号在空气中的传播速度，光速3×10⁸m/s，声速346m/s(空气25℃)；

——测距脉冲信号频率，10~100hz之间。

进一步地，该地面平整信息实时检测方法还包括以下步骤：

s05、将当前位置和前一段位置的地面平整信息通过数显模块实时显示，依次显示距离当前位置0~xm，x~2xm和2x~3xm前一段位置的平整信息，并进行实时更迭。

进一步地，该地面平整信息实时检测方法还包括以下步骤：

s06、该0~xm，x~2xm和2x~3xm位置的平整信息以不同颜色分别指示表示是否满足施工要求。如此可便于及时地对施工进行指导和修正。

本实用新型进一步还提供一种地面平整信息检测系统，其包括上述的地面平整信息检测传感器，以及旋转扫平激光发射器。

本实用新型的有益效果在于，提供一种地面平整信息检测传感器及配套的实时检测方法，能够在检测旋转激光高程偏差信息的同时，实时检测平整后待检地面的平整信息，实现平整摊铺作业与地面平整信息检测同步进行，达到省时和高效的目的。通过本实用新型实时检测，可减少施工检测人员，由于混凝土给料不均等问题，造成平整作业后混凝土面不平，达不到施工要求，如不能及时改正但后期需破坏拆除重新施工。例如对于混凝土平整作业，实时显示完成作业3m附近的平整信息，指导及时进行补救。保证施工质量，并按期完成施工。

附图说明

图1是本实用新型的地面平整信息检测传感器及相关设备的结构示意图。

图2是本实用新型一个实施例中激光高程传感阵列的示意图，图2a为其主视图，图2b为其侧视图。

图3是本实用新型一个实施例中地面平整信息检测传感器实体设备示意图。

图4是本实用新型一个实施例中地面平整信息实时检测方法的工作示意图，图4a为静态标定示意图，图4b为动态检测示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

本实施例展示地面平整信息检测传感器1的基本模块单元和运作原理。

参见图1，本实施例的地面平整信息检测传感器1（图中虚线框所示部分）包括激光高程传感阵列模块2、测距模块3、算法处理模块4、通信传输模块5和数显模块6。

前述激光高程传感阵列模块2包括激光传感阵列，激光传感阵列由多个激光传感元件10构成，用于将旋转激光信号转换为电信号。进一步参见图2，在一种优选的实施方式中，激光传感阵列包括四个激光传感元件10，各个激光传感元件10的感光面11相互垂直，且与基板12平面的夹角α=45°。更进一步地，激光传感元件10成对分别安装于基板12的两个长边。选用4列高分辨率激光传感元件10构成激光高程传感阵列，在检测旋转激光信号时，高程偏差检测精度为±0.5mm。激光高程传感阵列默认纵向中心定义为高程零位置，当旋转激光照射在高程零位置上方时定义为负，反之则为正，可将任意位置设置为高程零位置。四列线阵相互垂直排布，可实现360°无死角检测旋转激光信号。

前述测距模块3用于测量地面平整信息检测传感器1与待检地面9之间的相对距离，并将该距离信息以电信号的形式传送至算法处理模块4。测距模块3包括成对的信号发射器与信号接收器，信号种类（即测距所采用的能量种类，图1中测距模块3与待检地面9之间的成对的虚线箭头）没有特别限制，例如可以选用激光（光波）、红外线（光波）、超声波（声波）等，优选采用激光进行测距。

前述算法处理模块4的输入端与激光高程传感阵列模块2、测距模块3的输入端分别电连接，用于接收并处理由激光高程传感阵列模块2和测距模块3传送的信息，并进行运算处理。运算处理由用于计算旋转激光高程偏差信息和待检地面9平整信息的计算单元执行，具体执行以下公式的计算：

式中：

z——待检地面平整信息；

h——实测距离，测距模块测量到的传感器至待检地面距离；

——期望距离，测距模块测量到的传感器至放样点的标定距离；

h——激光高程偏差，激光高程传感阵列模块检测的相对高程零位的高程偏差；

n——相位延迟中半周期的个数，测距模块检测到测距脉冲信号往返待检地面的相位延迟中半周期的个数；

——不足半周期的相位延迟，测距模块检测到测距脉冲信号往返待检地面的相位延迟不足半个周期的相位延迟时间；

——测距脉冲信号在空气中的传播速度，光速3×10⁸m/s，声速346m/s(空气25℃)；

——测距脉冲信号频率，10~100hz之间。

前述通信传输模块5的输入端与算法处理模块4的输出端电连接、输出端分别与数显模块6和高程控制器8的输入端电连接。通信传输模块5包括通过总线与高程控制器8进行全双工通信的通信单元，用于将运算结果传送至数显模块6和高程控制器8。

前述数显模块6可以是包括显示屏的模块，安装于地面平整信息检测传感器1之上，或者通过电缆与外接显示屏相连接，还可以不使用显示屏，直接将信号传输至其他种类的终端之上。在一种优选方案中，数显模块6包括高程指示灯、平整信息显示屏和平整信息指示灯；高程指示灯实时显示旋转激光高程偏差信息；平整信息显示屏实时显示当前位置的地面平整信息。前述平整信息指示灯为3个，分别标号为a、b、c，依次显示距离当前位置0~xm、x~2xm和2x~3xm的平整作业情况，并进行实时更迭，x可根据用户需求自行设置，如混凝土平整作业时x可设置为1。

通过具体实施例进一步阐明数显模块的功能，在进行混凝土摊铺作业过程中，数显模块6的平整信息指示灯a用来表示在距离当前位置0~xm范围内的平整信息z的结果：

如果平整信息指示灯a为绿色，说明测距模块3测量的平整信息z在±3mm之间，符合混凝土地坪行业的施工要求；

如果平整信息指示灯a为黄色，说明测距模块3测量的平整信息z低于-3mm，未达到混凝土地坪行业的施工要求；

如果平整信息指示灯a为红色，说明测距模块3测量的平整信息z高于3mm，未达到混凝土地坪行业的施工要求。

与之类似，数显模块6的平整信息指示灯b和c用同样的颜色逻辑，分别用于表示在距离当前位置x~2xm范围内和2x~3xm范围内的平整信息结果。

通过数显模块使操作人员实时了解平整摊铺作业的质量，对于未达到混凝土地坪行业施工要求的作业范围，可及时修正误差，达到省时、高效的目的。

实施例2

本实施例展示一种具体的地面平整信息检测传感器实体设备。应当注意的是，本实施例仅用于示例性说明，而非实物图，不能理解为对本实用新型的限制。

参见图3。地面平整信息检测传感器1包括外壳13，外壳具有一个壳体13-2，壳体13-2两端分别安装有上底盖13-1和下底盖13-3。下底盖13-3上安装有航空插头13-4和测距模块3，数显模块6嵌套安装于壳体13-2上，通信传输模块5通过航空插头13-4与高程控制器8进行通信。上底盖1、壳体13-2和下底盖4组成密闭腔体，对传感器进行保护，其中壳体2的内表面附着红色窄带滤光片，可有效滤除红色激光信号以外的背景光干扰。

数显模块6可以是包括显示屏的模块，显示屏可以直接安装于地面平整信息检测传感器1之上，或者通过电缆与外接显示屏相连接，还可以不使用显示屏，直接将信号传输至其他种类的终端之上。在一种优选方案中，如图3所示，数显模块6具有平整信息显示屏，并嵌套安装在壳体13-2上。

航空插头5通过电缆将传感器与激光控制系统中的高程控制器相连接进行全双工通信。测距模块3安装于传感器底端，用于测量传感器与地面之间的相对距离，评估获得待测地面平整信息。

实施例3

本实施例结合图4来说明本实用新型的地面平整信息实时检测方法。

参见图4a的静态标定示意图。在平整作业前，需要对平整信息实时检测传感器进行静态标定。首先，在施工场地选取平整作业标准高程放样点14。随后，将本实用新型的地面平整信息实时检测传感器1固定在机具桅杆上，并保证测距模块3检测到放样点14所在区域。

在施工场地内选择平坦地面架设激光发射器7，用于提供调节平整信息实时检测传感器1的高程偏差所需的信号。通过高程控制器8调节机具升降，使作业部件停在期望高程处；接着调节桅杆升降，使地面平整信息检测传感器1的高程零位置与激光发射器7发出的旋转激光重合，此时标定获得传地面平整信息检测传感器1与放样点14之间的期望距离h0。

进一步参见图4b的动态检测示意图。在整平机沿着图中箭头所示方向行进并进行平整摊铺作业过程中，将高程控制器8设置为自动调节作业模式，地面平整信息实时检测传感器1开始进行动态测量。如图4b所示，地面平整信息实时检测传感器1测得旋转激光高程偏差信息为h，测距模块3测得传感器1与放样点14之间的实测距离为h，按照以下公式对地面平整信息z进行计算：

式中：

z——待检地面平整信息；

h——实测距离，测距模块测量到的传感器至待检地面距离；

——期望距离，测距模块测量到的传感器至放样点的标定距离；

h——激光高程偏差，激光高程传感阵列模块检测的相对高程零位的高程偏差；

n——相位延迟中半周期的个数，测距模块检测到测距脉冲信号往返待检地面的相位延迟中半周期的个数；

——不足半周期的相位延迟，测距模块检测到测距脉冲信号往返待检地面的相位延迟不足半个周期的相位延迟时间；

——测距脉冲信号在空气中的传播速度，光速3×10⁸m/s，声速346m/s(空气25℃)；

——测距脉冲信号频率，10~100hz之间。

实施例4

本实施例结合实际施工过程对本实用新型进行说明。

在混凝土整平机实时检测施工过程中，由于平整作业过程中混凝土给料不均等问题，造成平整作业后混凝土地面不平，达不到平整作业施工要求，如不能及时修正误差，后期需破坏或拆除已经凝固的混凝土重新施工。本实用新型通过平整摊铺作业与地面平整信息检测同步进行，可及时修正误差，节省人工成本，达到省时、高效的目的。

具体的施工过程如下。首先选择放样点14并标定地面平整信息实时检测传感器1与放样点14之间的期望距离h0，此时测得期望距离h0为160mm；将高程控制器8设置为自动调节作业模式，地面平整信息实时检测传感器1开始进行动态测量，选取动态测量中某一时刻的实测距离h和激光高程阵列高程偏差h进行检测。以某一次的取样数据为例，此时测得高程偏差h为3mm。测距模块3采用高信噪比的红色激光测距单元进行测距，其n为测距模块检测到测距脉冲信号往返待检地面的相位延迟中半周期的个数，0个、φ为测距模块检测到测距脉冲信号往返待检地面的相位延迟不足半个周期的相位延迟时间，3.454×10^-7s、c为激光在空气中的传播速度，3×10⁸m/s、f为激光脉冲信号的频率，设置为50hz，经计算得到h==165mm。由前述公式计算得到地面平整信息z为2mm，认定为平整作业0~1m位置的平整情况。由于平整信息z在±3mm之间，符合混凝土地坪行业的施工要求，此时数显模块6的平整信息指示灯a为绿色。

继续进行施工，当平整作业达到1~2m位置时，采用相同的方法，计算得到地面平整信息z为-4mm，此时平整信息指示灯b为黄色，说明平整作业1~2m位置的平整信息z低于-3mm，不符合施工要求，提示要进一步平整；忽略前述错误的前提下继续施工，当平整作业达到2~3m位置时，采用相同的方法，计算得到地面平整信息z为5mm，此时平整信息指示灯c为红色，说明平整作业2~3m位置的平整信息z高于3mm，不符合施工要求，提示要进一步平整。

至此可以判断，平整作业1~3m位置的施工不符合质量要求，需要及时返工。

通过这种方法，便于及时地对施工进行指导和对不达标地面及时进行补救，保证施工质量，并按期完成施工。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。