PL239904B1 - Urządzenie do pomiarów przemieszczeń - Google Patents

Description

PL 239 904 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do pomiarów przemieszczeń względnych, takich jak: translacja i rotacja, zwłaszcza na obiektach naturalnych (przyrody nieożywionej np. bloki skalne) i inżynierskich (np. budynki, budowle itp.).

W przypadku pomiarów szczelin dylatacyjnych, pęknięć w konstrukcji budowli i budynków oraz przesunięć struktur tektonicznych w strefach uskokowych wykorzystuje się względne metody pomiaru, wraz ze specjalistycznym oprzyrządowaniem. Obserwacje przemieszczeń wykonywane są z zastosowaniem: metod geodezyjnych i fotogrametrycznych, umożliwiające odniesienie ich wyników do stałych układów odniesienia, jak również przyrządów mechanicznych oraz czujników, wykorzystujących w pomiarach zjawiska fizyczne, takie jak: indukcyjność, pojemność czy rezystancja, które umożliwiają odniesienie otrzymanych wyników pomiarów do niestałych układów odniesienia.

Współczesny nadzór geodezyjny, na etapach powstawania, diagnozowania i prognozowania występujących na badanych obiektach deformacji, odkształceń i przemieszczeń, korzysta z najnowszych osiągnięć z zakresu mechaniki precyzyjnej i optoelektroniki. Przyczyniło się to do budowy nowoczesnych urządzeń pomiarowych, które pozwalają na wykonanie zautomatyzowanych i telemetrycznych obserwacji w czasie rzeczywistym.

Zasady pomiarów przemieszczeń względnych i bezwzględnych opisane są w licznej li teraturze fachowej [Lazzarini T: Geodezyjne pomiary przemieszczeń budowli i ich otoczenia, PPWK, Warszawa 1977; Bryś H. i Przewłocki S.: Geodezyjne metody pomiarów przemieszczeń budowli, PWN, Warszawa 1998] oraz w obowiązujących normach krajowych [PN-N-02211: Geodezja - Geodezyjne wyznaczanie przemieszczeń - Terminologia podstawowa, PKN, 2000] i międzynarodowych [Engineer Manual EM 1110-2-1009: Structural Deformation Surveying, U.S. Army Corps of Engineers, Washington 2018].

W opisie patentu PL 207417 podano urządzenie, przeznaczone do pomiaru wartości przemieszczenia względnego przedmiotów, które wyposażone jest w źródło światła i liniową matrycę światłowodową, z której sygnały świetlne przesyłane są światłowodami do układu pomiarowego, zawierającego fotodetektor połączony ze wzmacniaczem. Pomiędzy źródłem światła a liniową matrycą światłowodową, której światłowody połączone są z układem pomiarowym, jest umieszczona przesuwnie ruchoma przysłona, przy czym wzdłuż przysłony są umieszczone na przemian paski przezroczyste i nieprzezroczyste.

Ponadto znany jest z opisu patentu PL 217348 system pomiarów zmian długości między znakami pomiarowymi, dotyczący pomiarów względnych zmian długości odcinków, w wyniku których wyznacza się odkształcenia gruntu lub obiektu między znakami pomiarowymi, wyznaczającymi dany odcinek. Cechą charakterystyczną tego wynalazku jest to, że do znaku pomiarowego, wyznaczającego jeden z końców mierzonego odcinka, zamocowane jest trwale cięgno, które przewieszone jest przez krążek zamontowany na płycie pomiarowej, założonej na drugi znak pomiarowy, wyznaczający drugi koniec odcinka. Na płycie pomiarowej zamontowana jest kamera oraz podziałka liniowa, a do cięgna zamocowany jest wskaźnik odczytowy, przy czym koniec cięgna wyposażony jest w obciążnik. Obraz wskaźnika odczytowego na tle podziałki liniowej rejestrowany jest kamerą i przesyłany przewodami zasilająco-sygnałowymi do rejestratora.

Znane są przyrządy mechaniczne [katalog GOECKE: Der Ausruster fur die Vermessungstechnik GK 7, s.59, www.goecke.de], wyposażone w podziałki, służące do monitorowania pęknięć w konstrukcji budowli w dwóch lub w trzech kierunkach (Riss-Spion 101-RS1, Riss-Spion 101-RS2, Riss-Spion 101-RS3 i Rissmonitor 101-TT4). W zależności od prognozowanych przemieszczeń przyrządy te montuje się na badanym obiekcie w różnych konfiguracjach. Z użyciem tych przyrządów można monitorować występujące względne przemieszczenia występujące na badanych obiektach. Przyrządy te składają się z dwóch wzajemnie przesuwających się płytek, na których naniesione są, z odpowiednią dokładnością, podziałki liniowe. Płytki te mogą być wykonane z materiału przeźroczystego lub nieprzeźroczystego.

Znany jest z literatury szczelinomierz TM-71 [Kostak B., 1991: “Combined indicator using moire technique”, Balkema, Rotterdam, ISBN 9054100257, 53-61]. Urządzenie składa się z dwóch indykatorów zorientowanych w dwóch prostopadłych płaszczyznach xy oraz xz. Każdy indykator składa się z pary szklanych płytek, z wytrawionymi siatkami spiralnymi, z hiperbolicznym prążkowaniem (tarcza kołowa), oraz liniowymi, z równoległym prążkowaniem, które wyznaczają dwie prostokątne powierzchnie interferencyjne. Ramiona szczelinomierza TM-71, przymocowane do bloków skalnych na skrzyPL 239 904 B1 dłach uskoku, przenoszą ich ruchy względne, które następnie rejestrowane są przez siatki główne oraz liniowe szczelinomierza. Obserwowane prążki Moire’a na siatkach spiralnych powstają w wyniku superpozycji regularnych struktur geometrycznych (spirale), wytrawionych na szklanych płytkach, z chwilą zmiany położenia jednej płytki względem drugiej. Zmiana położenia płytek związana jest z przemieszczeniem względnym bloków skorupowych. Natomiast prążki Moire’a na siatkach liniowych powstają na skutek różnicy gęstości światła przy przejściu przez obrócone względem siebie siatki liniowe w wyniku rotacji bloków skorupowych.

Znana jest metoda opracowania obrazów, pozyskanych za pomocą kamer metrycznych i niemetrycznych. Opisana w publikacji J. Butowtta i R. Kaczyńskiego metoda przetwarzania zdjęć o dowolnym kącie nachylenia względem przyjętej płaszczyzny odniesienia [Butowtt J. i Kaczyński R.: „Fotogrametria”, WAT, Warszawa 2003, str. 23+39], realizowana jest na podstawie znanych i stosowanych w fotogrametrii zasad geometrii rzutowej. Metoda płaskich przekształ ceń rzutowych bazuje na przekształceniu płaszczyzny w płaszczyznę, z wykorzystaniem co najmniej czterech odpowiadających sobie punktów homologicznych, przy założeniu, że żadne trzy punkty, spośród tych czterech, nie leżą na jednej prostej. Ta metoda przetwarzania pozwala wyeliminować zniekształcenia perspektywiczne, wynikające z nierównoległości wzajemnej płaszczyzn podlegających opracowaniu. W publikacji tej (na str. 126+130) opisane są również znane i stosowane w fotogrametrii procedury kalibracji kamer.

Problemem wskazanego stanu techniki jest to, że przyrządy mechaniczne nie pozwalają zautomatyzować sposobu prowadzonych obserwacji oraz nie pozwalają przesłać wyników tych obserwacji do jednostki rejestrującej. Innym ograniczeniem, dostrzeżonym w opisach stosowanych urządzeń, są niewielkie zakresy pomiarowe oraz konieczność ciągłej dostępności do punktów pomiarowych, w miejscach prowadzonych obserwacji. W znanych urządzeniach wykorzystane może być także zjawisko interferencji oraz analiza prążków Moire’a, które w prawdzie umożliwiają uzyskanie wysokiej dokładności pomiarów, ale ograniczone są do niewielkiej przestrzeni obserwacji.

Dlatego okazało się, że wprowadzenie do zestawu pomiarowego metody fotogrametrycznej, pozwala na automatyczną rejestrację i transmisję wyników pomiarów oraz zdalny pomiar na pozyskanych obrazach, natomiast zastosowanie poziomnicy zwierciadlanej umożliwia odniesienie wyników pomiarów do linii pionu. Poziomnica pozwala wyznaczyć kąty pochylenia mierzonego obiektu w dwóch wzajemnie prostopadłych kierunkach. Zastosowana poziomnica zwierciadlana (2D) zawiera pojemnik z cieczą i pływającą płaską tarczą. Tarcza posiada naniesione sygnały pomiarowe i połączona jest z dnem pojemnika kotwicą. Pojemnik wyposażony jest w zwierciadło płaskie nachylone pod zadanym kątem względem płaszczyzny pojemnika. Linia pionu poziomnicy jest prostopadła do powierzchni cieczy i wyznacza się ją metodą fotogrametryczną, na podstawie pomiaru odbicia obrazu sygnałów tarczy pływającej w zwierciadle.

Celem wynalazku jest opracowanie urządzenia pomiarowego, które umożliwi na drodze przetworzenia fotogrametrycznego zarejestrowanych obrazów tarczy pomiarowej na tle ramy odniesienia, w sposób automatyczny i telemetryczny, określenie zmian położenia, tj. przesunięć i obrotów elementów pomiarowych jednego względem innego na obiekcie, jako pojedynczy zestaw lub zwielokrotniony na elementach obiektu.

Istotą wynalazku jest to, że zawiera ramę odniesienia, z naniesionymi co najmniej czterema sygnałami odniesienia, które są osadzone w jednej płaszczyźnie XrZr, w lokalnym kartezjańskim układzie współrzędnych XryrZr, przy czym, jeśli liczba sygnałów odniesienia wynosi m, to liczba sygnałów odniesienia, które nie mogą leżeć na jednej prostej, wynosi m-1. Urządzenie zawiera także tarczę pomiarową, z co najmniej czterema sygnałami kontrolowanymi, które są osadzone w jednej płaszczyźnie xtzt, w lokalnym kartezjańskim układzie współrzędnych xtytzt, przy czym, jeśli liczba sygnałów kontrolowanych wynosi k, to liczba sygnałów kontrolowanych, które nie mogą leżeć na jednej prostej, wynosi k-1. Ponadto kamera elektroniczna ma zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych XkykZk i połączona jest z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych oraz zwrócona jest obiektywem w stronę ramy odniesienia i tarczy pomiarowej. Do ramy odniesienia przytwierdzona jest poziomnica zwierciadlana, zawierająca zwierciadło płaskie, które jest nachylone pod pionowym kątem α i pojemnik z cieczą, w którym jest płaska tarcza pływająca, z naniesionymi na niej sygnałami tarczy pływającej, ponadto poziomnica zwierciadlana ma kotwicę tarczy pływającej, która łączy płaską tarczę pływającą z dnem pojemnika z cieczą, przy czym poziomnica zwierciadlana ma zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych XpypZp.

PL 239 904 B1

Korzystnie jest, gdy system centralnej rejestracji i przetwarzania danych jest przenośnym mikrokomputerem.

Korzystnie również jest, gdy sygnały odniesienia mają postać kwadratów, zwłaszcza o kolorach białym i/lub czarnym albo mają postać koncentrycznych okręgów, albo koła, albo krzyża, albo znaku kodowego.

Korzystnie także jest, gdy sygnały odniesienia są rozmieszczone na ramie odniesienia w sposób regularny.

Korzystnie również jest, gdy sygnały kontrolowane mają postać kwadratów, zwłaszcza o kolorach białym i/lub czarnym albo mają postać koncentrycznych okręgów, albo koła, albo krzyża, albo znaku kodowego.

Korzystnie także jest, gdy sygnały kontrolowane są rozmieszczone na tarczy pomiarowej w sposób regularny.

Korzystnie również jest, gdy urządzenie zawiera wysięgnik, dodatkowo, gdy z wysięgnikiem połączona jest w sposób rozłączny, za pomocą śruby sprzęgającej, na stałe, kamera elektroniczna.

Dodatkowo, również korzystnie jest, gdy wysięgnik przymocowany jest za pomocą śrub mocujących do elementu odniesienia niezależnie od ramy odniesienia, natomiast wysięgnik ma postać płaskownika w kształcie litery L.

Dodatkowo, również korzystnie jest, gdy wysięgnik przymocowany jest za pomocą śrub mocujących do elementu odniesienia na stałe.

Korzystnie także jest, gdy kamera elektroniczna ustawiona jest na stanowisku obserwacyjnym niezwiązanym z mierzonym obiektem.

Korzystnie również jest, gdy tarcza pomiarowa znajduje się wewnątrz ramy odniesienia.

Korzystnie także jest, gdy odpowiednie osie kartezjańskich układów współrzędnych: tarczy pomiarowej xtytzt i ramy odniesienia XryrZr w pomiarze wyjściowym są względem siebie w przybliżeniu równoległe.

Korzystnie również jest, gdy kamera elektroniczna połączona jest bezprzewodowo z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych.

Korzystnie także jest, gdy oś yk kartezjańskiego układu współrzędnych kamery elektronicznej jest w przybliżeniu prostopadła do płaszczyzny XrZr wyznaczonej przez kartezjański układ współrzędnych ramy odniesienia.

Korzystnie również jest, gdy odpowiednie osie kartezjańskich układów współrzędnych: kamery elektronicznej XkykZk i ramy odniesienia XryrZr w pomiarze wyjściowym są względem siebie w przybliżeniu równoległe.

Korzystnie także jest, gdy oś yk kartezjańskiego układu współrzędnych kamery elektronicznej jest zwrócona w przybliżeniu centralnie do ramy odniesienia.

Korzystnie również jest, gdy rama odniesienia ma postać ramy prostokątnej.

Korzystnie także jest, gdy rama odniesienia ma postać obręczy.

Korzystnie również jest, gdy tarcza pomiarowa ma postać prostokąta albo koła.

Korzystnie także jest, gdy poziomnica zwierciadlana połączona jest z ramą odniesienia w sposób rozłączny, za pomocą śrub sprzęgających.

Korzystnie również jest, gdy poziomnica zwierciadlana połączona jest z ramą odniesienia na stałe.

Korzystnie także jest, gdy po połączeniu poziomnicy zwierciadlanej z ramą odniesienia, kartezjańskie układy współrzędnych ramy odniesienia XryrZr i poziomnicy XpypZp są względem siebie równoległe.

Korzystnie również jest, gdy zwierciadło płaskie jest nachylone pod pionowym kątem α równym 45°.

Korzystnie także jest, gdy płaska tarcza pływająca ma postać koła albo kwadratu, albo prostokąta, albo wieloboku foremnego.

Korzystnie również jest, gdy sygnały tarczy pływającej mają postać kwadratów, zwłaszcza z wypełnieniem kolorem białym i/lub czarnym albo mają postać koncentrycznych okręgów, albo koła, albo krzyża, albo koncentrycznych okręgów.

Korzystnie także jest, gdy sygnały tarczy pływającej są rozmieszczone na płaskiej tarczy pływającej w sposób regularny.

Zależność pomiędzy kartezjańskim i układami współrzędnych: ramy odniesienia 3 (XryrZr) względem kamery elektronicznej 6 (XkykZk) wyznacza się na podstawie wzoru 1, wykorzystując

PL 239 904 Β1 w CRPD 7 odpowiednie oprogramowanie. Formuła ta jest matematycznym zapisem przestrzennej transformacji między dwoma kartezjański mi układami współrzędnych.

X_k = MyX_r-Tf (1) gdzie:

- Mr jest to macierz obrotu, opisująca zależność kątową między układem o współrzędnych __₍ ramy odniesienia (xryrZ_r) a układem współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk);

- T* to wektor translacji, określający przesunięcie początku układu współrzędnych ramy odniesienia (xryrZ_r) od początku układu współrzędnych kamery elektronicznej ___> (xkykZk);

- X_r to wektor określający położenie danego punktu w układzie współrzędnych ramy odniesienia (x_ryrZr);

- X_k to wektor określający położenie danego punktu w układzie współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk).

Macierz obrotu to macierz kwadratowa, która w euklidesowej przestrzeni 3D ma wymiar 3x3 elementy (wzór 2). Dziewięć współczynników macierzy obrotu Mr są to liczby rzeczywiste, które stanowią związki funkcji trygonometrycznych (sinusów i cosinusów) trzech kątów obrotów (tzw. kątów Euler’a, oznaczonych greckimi literami): omega (ćot), phi (ę») i kappa (»), przy czym, w pierwszej kolejności stosuje się obrót układu ramy odniesienia 3 (xryrZ_r) o kąt omega (®r) wokół osi x_r (oś pierwszego obrotu), następnie o kąt phi (ę») wokół osi y_r (oś drugiego obrotu) i ostatecznie o kąt kappa (w) wokół osi Zr (oś trzeciego obrotu). Jest to tzw. konwencja ω-φ-κ. Kąty a*, φ<, κ określają rotację układu współrzędnych ramy odniesienia 3 (xryrZ_r) względem układu współrzędnych kamery 6 (XkykZk).

	mu	m12	mi3
=	m2i	m22	m23
	m3i	m32	m33

(2) gdzie:

mu = coscą cosa?

mi2 = cosć»r sin>&+ sin®rsinę>r cosw mi3 = sinć»rsin«·- cos®rsinę>r cosw m2i = - cosęv sin/cr m22 = cosr/A cosa? - sin®rsinę>r sin«m23 = sinć»r COS/&+ cosćarsinę» sin/&

msi = sinęv m32 = - sin®rcosę>r m33 = cosćarcosę»

W zagadnieniu odwrotnym do przedstawionego powyżej, w tzw. konwencji κ-φ-ω, określa się zależność kątową, pomiędzy układem współrzędnych kartezjańskich kamery elektronicznej 6 (XkykZk) względem układu współrzędnych ramy odniesienia 3 (x_ryrZr). Zależność tą opisuje, przy założeniu ortogonalności macierzy obrotu , wzór 3, z którego wynika, że odwrotność macierzy ortogonalnej jest równa jej transpozycji. Stąd macierz R_k , określająca kątową zależność między układem współrzędnych kamery elektroniczną 6 (XkykZk) a układem współrzędnych ramy odniesienia 3 (x_ryrz_r), przedstawia wzór 4.

W¹ = = (M*y = = R (3)

mu	m2i	m3i
m12	m22	m32
mi3	m23	m33

(4)

PL 239 904 Β1

W celu określenia wektora translacji T_k, który określa przesunięcie początku układu współrzędnych kamery elektronicznej 6 (XkykZk) od początku układu współrzędnych ramy odniesienia 3 (x_ryrZr), na podstawie znanej macierzy obrotu R^r _k i wektora translacji , korzysta się z wzoru 5.

(5)

Matematyczny zapis odwrotnej transformacji, czyli transformacji między kartezjańskim układem współrzędnych kamery elektronicznej 6 (XkykZk) a kartezjańskim układem współrzędnych ramy odniesienia 3 (x_ryrZr), przedstawia wzór 6.

T_r = R^r _k-r_k + TŹ (6)

Na podstawie macierzy (lub R_k) (wzory 2 i 4) można wyznaczyć kąty obrotów a*, φτ, κ (wzór 7). Wynik obliczeń uzyskujemy w radianach, natomiast w celu przeliczenia na stopnie należy przemnożyć wynik przez przelicznik 1807π.

ω_Γ = — atan2(m₃₂,m₃₃) (p_r = asin(m₃₁) (7)

K_r = —atan2(m₂i,m₁₁)

Następnie, w analogiczny sposób do przedstawionego powyżej, określa się zależność między kartezjańskimi układami współrzędnych tarczy pomiarowej 4 (xtytzt) i kamery elektronicznej 6 (XkykZk), czyli wyznacza się macierz obrotu R_k (określającą zależność kątową między układem współrzędnych kamery elektronicznej 6 (XkykZk) a układem współrzędnych tarczy pomiarowej 4 (xtytzt)) i wektor translacji ^(określający przesunięcie początku układu współrzędnych kamery elektronicznej 6 (XkykZk) od początku układu współrzędnych tarczy pomiarowej 4 (xtytzt)).

Na podstawie zarejestrowanych w czasach to (czas pomiaru wyjściowego) i ti (czas pomiaru aktualnego) obrazów położenia sygnałów odniesienia 11 i sygnałów kontrolowanych 12, wykorzystując oprogramowanie, wyznacza się przesunięcia ( i oraz rotacje (°j;£ i ) między kartezjańskim i układami współrzędnych: tarczy pomiarowej 4 (xtytzt) względem ramy odniesienia 3 (x_ryrz_r), w jednorodnym kartezjańskim układzie współrzędnych kamery elektronicznej 6 (XkykZk) (fig. 4 i fig. 5).

Na podstawie obliczonych wartości odpowiednich wektorów translacji i odpowiednich macierzy obrotów wyznacza się wzajemne położenie elementu pomiarowego 1, reprezentowanego przez tarczę pomiarową 4, względem elementu odniesienia 2, reprezentowanego przez ramę odniesienia 3.

W zależności od prognozowanych wielkości przemieszczeń elementów 1 i 2 mierzonego obiektu i wymaganych dokładności pomiarów należy dobrać wielkość urządzenia (w tym ilość i wielkość sygnałów kontrolowanych 12 i sygnałów odniesienia 11) oraz sposób ustawienia kamery elektronicznej 6 i jej parametry techniczne. Należy również pamiętać, że na wyniki pomiarów, wraz ze wzrostem odległości fotografowania, mogą mieć większy wpływ warunki środowiskowe (np. gradient temperatury i wilgotność powietrza, ciśnienie atmosferyczne, nasłonecznienie, zapylenie czy występujące wibracje), powodując obniżenie dokładności realizowanych pomiarów. Wpływ wymienionych czynników środowiskowych można ograniczyć monitorując dodatkowymi sensorami parametry środowiskowe i atmosfery. Wówczas wyniki z tych sensorów należy uwzględnić, stosując odpowiednie procedury obliczeniowe w CRPD 7, podczas przetwarzania obrazów, zarejestrowanych kamerą elektroniczną 6.

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia urządzenie do pomiarów przemieszczeń w rzucie aksonometrycznym, przy braku połączenia ramy odniesienia z wysięgnikiem, fig. 2 - przedstawia urządzenie w rzucie aksonometrycznym, przy połączeniu ramy odniesienia z wysięgnikiem, fig. 3 - przedstawia urządzenie w rzucie aksonometrycznym bez wysięgnika, przy ustawieniu kamery elektronicznej na niezależnym stanowisku obserwacyjnym, którym może być statyw lub słup obserwacyjny, fig. 4 - przedstawia zależność między kartezjańskimi układami współrzędnych: kamery elektronicznej XkykZk, ramy odniesienia x_ry_rZr, poziomnicy zwierciadlanej (2D) Xpypz_p i tarczy pomiarowej xtytzt w pozycji wyjściowej pomiarowej to, fig. 5 - przedstawia zależność między kartezjańskimi układami współrzędnych: kamery elektronicznej XkykZk, ramy odniesienia x_ry_rZr, poziomnicy zwierciadlanej (2D) Xpypz_p i tarczy pomiarowej xtytzt w pozycji aktualnej pomiarowej ti, natomiast fig. 6 - przedstawia zależność między kartezjańskimi układami współrzędnych: kamery elektronicznej XkykZk, ramy odniesienia x_ry_rZr, poziomnicy zwierciadlanej (2D) Xpypz_p i tarczy pomiarowej

PL 239 904 B1 xtytzt w kolejnej pozycji pomiarowej w czasie t2, przy pochyleniu: ramy odniesienia, poziomnicy zwierciadlanej (2D) i kamery elektronicznej oraz tarczy pomiarowej.

P r z y k ł a d 1

Urządzenie do pomiarów przemieszczeń, jak na fig. 1, składa się z tarczy pomiarowej 4, przytwierdzonej śrubami mocującymi 10 do elementu pomiarowego 1 mierzonego obiektu, oraz z ramy odniesienia 3, przytwierdzonej śrubami mocującymi 10 do elementu odniesienia 2 obiektu mierzonego. Do ramy odniesienia 3 przytwierdzona jest śrubami sprzęgającymi 9 poziomnica zwierciadlana (2D) 14, posiadająca pojemnik z cieczą 15, w której pływa płaska tarcza pływająca 16, z naniesionymi sygnałami tarczy pływającej 17. Płaska tarcza pływająca 16 połączona jest z dnem pojemnika z cieczą 15 kotwicą tarczy pływającej 20. Poziomnica zwierciadlana (2D) 14 posiada zwierciadło płaskie 18, w którym widać obraz sygnałów tarczy pływającej 19. Płaszczyzna zwierciadła płaskiego 18 jest nachylona pod kątem α względem płaszczyzny zawierającej górne krawędzie pojemnika z cieczą 15. Ciecz znajdująca się w pojemniku 15 poziomnicy zwierciadlanej (2D) 14, w minimalnym stopniu paruje i zmienia swoje właściwości chemiczne. Rama odniesienia 3 posiada sygnały odniesienia 11 i ma zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych ramy odniesienia XryrZr. Tarcza pomiarowa 4 posiada sygnały kontrolowane 12 ima zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych tarczy pomiarowej xtytzt. Do elementu odniesienia 2 przymocowany jest wysięgnik 5, do którego przymocowana jest kamera elektroniczna 6 śrubą sprzęgającą 9. Kamera elektroniczna 6, która ma określony swój kartezjański układ współrzędnych XkykZk, połączona jest przewodem transmisyjnym 8 z system centralnej rejestracji i przetwarzania danych (CRPD) 7.

Urządzenie do pomiarów przemieszczeń, wykonane jak w przykładzie 1, przeznaczone jest do określenia prognozowanych przemieszczeń elementów 1 i 2 mierzonego obiektu w zakresie od 0.0 mm do 50.0 mm, z dokładnością pomiarów na poziomie dziesiątych i setnych części milimetra. Rotację elementów mierzonego obiektu wyznacza się na poziomie tysięcznych części stopnia. Wykonane pomiary przemieszczeń odniesione są do linii pionu, realizowanej przez oś Zp kartezjańskiego układu współrzędnych XpypZp poziomnicy zwierciadlanej (2D) 14.

Wielkość urządzenia (w tym ilość i wielkość sygnałów kontrolowanych 12, sygnałów odniesienia 11 oraz sygnałów tarczy pływającej 17), jak i sposób ustawienia kamery elektronicznej 6 i jej parametry techniczne dobierane są po przeprowadzonej wnikliwej analizie zaistniałego przypadku. Parametry techniczne kamery elektronicznej 6, w tym wielkość i rozdzielczość matrycy oraz zastosowany obiektyw, powinny być tak dobrane, aby uwzględniały wymiary ramy odniesienia 3 oraz wymiary zastosowanych sygnałów kontrolowanych 12, sygnałów odniesienia 11 i sygnałów tarczy pływającej 17.

Rejestrację obrazów kamerą elektroniczną 6 należy prowadzić przy ustalonych warunkach oświetleniowych.

Sposób pomiaru przemieszczeń układem opisanym w przykładzie:

Przed przystąpieniem do pomiaru przemieszczeń na mierzonym obiekcie montuje się, za pomocą śrub mocujących 10, odpowiednio na elemencie pomiarowym 1 tarczę pomiarową 4. Z kolei na elemencie odniesienia 2 montuje się ramę odniesienia 3, z poziomnicą zwierciadlaną (2D) 14. Kamerę elektroniczną 6 mocuje się na wysięgniku 5, przy czym wysięgnik 5 jest połączony z elementem odniesienia 2 (fig. 1). Kamerę elektroniczną 6 łączy się przewodem transmisyjnym 8 z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych (CRPD) 7, natomiast tarczę pomiarową 4 umieszcza się tak, aby znalazła się wewnątrz ramy odniesienia 3 oraz, aby płaszczyzny Xy kartezjańskich układów współrzędnych: XryrZr i xtytZt były względem siebie równoległe. Po połączeniu poziomnicy zwierciadlanej (2D) 14 z ramą odniesienia 3, kartezjańskie układy współrzędnych: ramy odniesienia XryrZr i poziomnicy XpypZp, również są względem siebie równoległe. Tak przygotowany obiekt i urządzenie pomiarowe nadaje się do realizacji obserwacji cyklicznych, w założonym interwale czasowym, i pozwala określić zachodzące przemieszczenia na mierzonym obiekcie. Wyznaczone przemieszczenia odnoszą się do wzajemnych przemieszczeń elementów: pomiarowego 1 i odniesienia 2.

Przed rozpoczęciem właściwych pomiarów urządzenie według wynalazku kalibruje się. W przypadku ramy odniesienia 3 określa się położenie sygnałów odniesienia 11 w kartezjańskim układzie współrzędnych XryrZr ramy odniesienia 3. Dla tarczy pomiarowej 4 wyznacza się położenie sygnałów kontrolowanych 12 w kartezjańskim układzie współrzędnych XtytZt tarczy pomiarowej 4, a dla płaskiej tarczy pływającej 16 określa się położenie sygnałów tarczy pływającej 17 w kartezjańskim układzie współrzędnych XpypZp, poziomnicy zwierciadlanej 14. Dla kamery elektronicznej 6 wyznacza się elementy orientacji wewnętrznej wraz z parametrami dystorsji układu optycznego, stosując znane fotogrametryczne procedury. Dla poziomnicy zwierciadlanej 14 określa się położenie zerowe układu

PL 239 904 Β1 współrzędnych poziomnicy Xpypz_p, w którym pochylenie kątowe osi z_P wynosi 0°. Tarczę pomiarową 4, ramę odniesienia 3 i obraz tarczy pływającej 19 sytuuje się w dobranym zakresie głębi ostrości kamery elektronicznej 6, przy zadanej odległości fotografowania.

Podczas pomiaru wyjściowego w czasie to (fig. 4), a następnie pomiaru aktualnego w czasie ti (fig. 5), rejestruje się kamerą elektroniczną 6 obrazy: ramy odniesienia 3 z sygnałami odniesienia 11, tarczy pomiarowej 4 z sygnałami kontrolowanymi 12 oraz obrazy tarczy pływającej 19 (fig. 1).

W przypadku wystąpienia niedostatecznego natężenia oświetlenia, podczas fotografowania ramy odniesienia 3, tarczy pomiarowej 4 i obrazu tarczy pływającej 19, wprowadza się wdanym okresie pomiarowym to lub ti dodatkowe oświetlenie wspomnianych elementów urządzenia.

Zarejestrowane kamerą elektroniczną 6 obrazy przesyła się do systemu CRPD 7, gdzie następuje ich przetwarzanie i archiwizacja.

Przykładowy pomiar realizuje się przy następujących założeniach:

• kamera elektroniczna 6, wyposażona jest w obiektyw o stałej kamery 50.00 mm;

• rama odniesienia 3 jest prostokątna i ma wymiary 300 mm na 200 mm;

• tarcza pomiarowa 4 jest również prostokątna i ma wymiary 120 mm na 140 mm;

• odległość kamery elektronicznej 6 od ramy odniesienia 3 (yk) wynosi 200.00 mm;

• podczas pomiaru wyjściowego (w czasie to) odpowiednie osie kartezjańskich układów współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytzt) i ramy odniesienia (x_ryrz_r) są względem siebie równoległe, czyli macierz obrotu (macierz opisująca zależność kątową między układem współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytzt) a układem współrzędnych ramy odniesienia (x_ry_rZr)) jest macierzą jednostkową;

• oś yk kartezjańskiego układu współrzędnych kamery elektronicznej 6 jest zwrócona w przybliżeniu prostopadle i centralnie do ramy odniesienia 4 - wartości kątów ωκ, /λ (określające rotację układu współrzędnych kamery elektronicznej XkykZk w kartezjańskim układzie współrzędnych ramy odniesienia (xtytzt)) oblicza się na etapie pomiaru wyjściowego (w czasie to) i pomiaru aktualnego (w czasie ti).

Na podstawie zarejestrowanych w czasie to obrazów sygnałów odniesienia 11, sygnałów kontrolowanych 12 i tarczy pływającej 19 oblicza się wartości (fig. 4): wektorów translacji: °γΐ< (wektor przesunięcia początku układu współrzędnych ramy odniesienia (x_ryrz_r) od początku układu współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk)), (⁰^ = [-145.00; -200.00; -95.00]) i (wektor określający przesunięcie początku układu współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk) od początku układu współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytzt)) (θτ^ [118.07; -219.13; 62.03]). Oblicza się również macierze obrotów: (macierz opisująca zależność kątową między układem współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk) a układem współrzędnych ramy odniesienia (x_ryrz_r)) i (macierz opisująca zależność kątową między układem współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk) a układem współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytzt)).

Onr _ Kk ~	0.9999 0.0120 —0.0072	-0.0120 0.9999 0.0096	0.0073' -0.0095 0.9999
0 nt _ Kk ~	0.9999 0.0120 -0.0072	-0.0120 0.9999 0.0096	0.0073' -0.0095 0.9999

F

Na podstawie macierzy R_k wyznacza się (wzór 7) wartości kątów: ωκ, Kk, określające rotację układu współrzędnych kamery elektronicznej XkykZk względem układu współrzędnych ramy odniesienia (xry_rZr) (®k = 0.544°, ę>k = 0.421°, Kk = 0.685°).

Ponieważ obie macierze obrotów °R_k i °jR^są sobie równe, więc kąty obrotów: <ά, φι, ά (określające rotację układu współrzędnych tarczy pomiarowej xtytzt w układzie współrzędnych ramy odniesienia (x_ryrZr)) wynoszą <ά = 0.000°, φι = 0.000°, w = 0.000°. Świadczy to, że odpowiednie osie układów współrzędnych XkykZk i x_ryrz_r są wzajemnie równoległe.

Stosując wzór nr 5 oblicza się wektor °T_k (przesunięcie początku układu kamery elektronicznej (XkykZk) od początku układu ramy odniesienia (x_ryrz_r)):

°T{ = - °R_k * °7? = [148.07; -199.13; 92.03],

PL 239 904 Β1

Na podstawie wyników obliczeń można wyznaczyć składowe wektora (określające przesunięcie początku układu współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytzt) od początku układu współrzędnych ramy odniesienia (x_ryrz_r)):

⁰7f - [30.00; 20.00; 30.00],

Otrzymane wyniki obliczeń potwierdziły przyjęte założenia odnośnie położenia ramy odniesienia 3, tarczy pomiarowej 4, kamery elektronicznej 6 i poziomnicy zwierciadlanej 14 w czasie to.

W określonym cyklu pomiarowym (w czasie pomiaru aktualnego ti) na zarejestrowanych obrazach podobnie oblicza się (fig. 5) wartości wektorów translacji: ¹7’£ ( = [148.07; -199.13; 92.03]) i ( [113.52; -222.36; 60.95]) oraz macierze obrotów: i , na podstawie których wyznacza się przesunięcie tarczy pomiarowej 4 względem ramy odniesienia 3 (¹^ = [31.12; 21.98; 33.06], oraz macierz obrotu ^xRt (macierz opisująca zależność kątową między układem współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytzt) a układem współrzędnych ramy odniesienia (x_ryrz_r)).

0.9999

0.0131 —0.0087

-0.0131 0.0087

0.9999 -0.0044

0.0045 1.0000

Na podstawie macierzy ^Rf wyznacza się (wzór 7) kąty obrotu ra, w (określające rotację w czasie ti układu współrzędnych tarczy pomiarowej xtytzt w układzie współrzędnych ramy odniesienia (x_ryrZr): ra = 0.250°, (pi = 0.500°, w = 0.750°). Obliczone wartości składowych wektora i kąty obrotu (A, (p, κίή czasie ti są zgodne z założonymi wartościami, przyjętymi w tym przykładzie obliczeniowym.

W następnym kroku określa się wychylenie mierzonego obiektu względem linii pionu, realizowanej przez oś z_P, kartezjańskiego układu współrzędnych x_Py_Pz_P poziomnicy 14. W tym celu analizuje się wyniki pomiarów fotogrametrycznych na obrazach tarczy pływającej 19. Jeżeli wyniki pomiarów fotogrametrycznych na obrazach tarczy pływającej 19 są w czasie pomiaru aktualnego ti takie same jak w czasie pomiaru wyjściowego to, na poziomie dokładności pomiarów tego urządzenia, wówczas macierz ^p⁰ jest macierzą jednostkową i poziomnica zwierciadlana (2D) 14 wykazuje stałość położenia ramy odniesienia 3 (jednocześnie elementu odniesienia 2) w czasie pomiaru aktualnego ti (fig. 5).

W tym przypadku, wyznaczone przemieszczenie względne tarczy pomiarowej 4 względem ramy odniesienia 3 odnoszą się do linii pionu, zrealizowanej przez poziomnicę zwierciadlaną (2D) 14 (fig. 5).

P rzy kład 2

Urządzenie do pomiarów przemieszczeń, jak na fig. 2, składa się z tarczy pomiarowej 4, przytwierdzonej śrubami mocującymi 10 do elementu pomiarowego 1 mierzonego obiektu, oraz ramy odniesienia 3, przytwierdzonej śrubami mocującymi 10 do elementu odniesienia 2 obiektu mierzonego. Z kolei do ramy odniesienia 3 przytwierdzona jest śrubami sprzęgającymi 9 poziomnica zwierciadlana (2D) 14 i przymocowany jest na stałe wysięgnik 5. Tarcza pomiarowa 4 posiada sygnały kontrolowane 12 ima zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych tarczy pomiarowej xtytzt. Natomiast rama odniesienia 3 posiada sygnały odniesienia 11 ima określony kartezjański układ współrzędnych ramy odniesienia x_ryrZr, a poziomnica zwierciadlana (2D) 14 ma zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych poziomnicy x_Py_Pz_P. Dodatkowo do wysięgnika 5 przymocowana jest kamera elektroniczna 6 śrubą sprzęgającą 9. Kamera elektroniczna 6 ma zdefiniowany swój kartezjański układ współrzędnych XkykZk i połączona jest przewodem transmisyjnym 8 z system centralnej rejestracji i przetwarzania danych (CRPD) 7.

Urządzenie do pomiaru przemieszczeń, wykonane jak w przykładzie 2, przeznaczone jest do pomiarów prognozowanych przemieszczeń elementów 1 i 2 mierzonego obiektu w zakresie od 0.00 mm do 10.00 mm z dokładnością pomiarów na poziomie ±0.01 mm. Rotację elementów mierzonego obiektu wyznacza się na poziomie tysięcznych części stopnia. Wykonane pomiary przemieszczeń odniesione są do kartezjańskiego układu współrzędnych x_Py_Pz_P poziomnicy zwierciadlanej 14. W tym przykładzie wykonania wpływ warunków środowiskowych jest ograniczony do minimum. Wielkość urządzenia (w tym ilość i wielkość sygnałów kontrolowanych 12, sygnałów odniesienia 11 oraz sygnałów tarczy pływającej 17), jak i sposób ustawienia kamery elektronicznej 6 i jej parametry techniczne, dobierane są po przeprowadzonej wnikliwej analizie zaistniałego przypadku. Parametry techniczne kamery elektronicznej 6, w tym wielkość i rozdzielczość matrycy oraz zastosowany obiek

PL 239 904 Β1 tyw, powinny być tak dobrane, aby uwzględniały wymiary ramy odniesienia 3 oraz wymiary zastosowanych sygnałów kontrolowanych 12, sygnałów odniesienia 11 i sygnałów tarczy pływającej 17. Rejestrację obrazów kamerą elektroniczną 6 należy prowadzić przy ustalonych warunkach oświetleniowych.

Sposób pomiaru przemieszczeń układem opisanym w przykładzie:

Pomiaru dokonuje się jak w przykładzie 1, przy czym wysięgnik 5 przymocowany jest na stałe do ramy odniesienia 3 (fig. 2). Dalej postępuje się jak w przykładzie 1.

Przykład 3

Układ jak w przykładzie 1, z tym, że pokazane na fig. 3, gdzie kamera elektroniczna 6 umieszczona jest na niezależnym stanowisku obserwacyjnym 13, niezwiązanym z mierzonym obiektem.

Urządzenie do pomiaru przemieszczeń, wykonane jak w przykładzie 3, przeznaczone jest do pomiarów prognozowanych przemieszczeń elementów 1 i 2 mierzonego obiektu w zakresie od 0 mm do 200 mm z dokładnością pomiarów w zakresie od setnych części milimetra do kilku milimetrów. Uzyskana dokładność uwarunkowana jest parametrami technicznymi sprzętu pomiarowego i odległością fotografowania. W tym przykładzie wykonania, przy znacznych odległościach fotografowania, należy bezwzględnie uwzględnić wpływ warunków środowiskowych na wyniki pomiarów stosując odpowiednie procedury obliczeniowe w CRPD 7.

Sposób pomiaru przemieszczeń układem opisanym w przykładzie:

Sposób jak w przykładzie 1, czyli względne przemieszczenie tarczy pomiarowej w odniesieniu do ramy odniesienia 3 w czasie t2 jest takie same jak w czasie ti (²R[ = ¹/?J') z tym, że kamera elektroniczna 6 umieszczona jest na stanowisku obserwacyjnym 13, niezwiązanym z mierzonym obiektem (fig. 3) oraz element odniesienia 2, jak i stanowisko obserwacyjne 13 doznały przemieszczeń w stosunku do elementu pomiarowego 1.

Podczas pomiaru wyjściowego w czasie to (fig. 4), a następnie pomiaru aktualnego w czasie t2 (fig. 6), rejestruje się kamerą elektroniczną 6 obrazy: ramy odniesienia 3 (z sygnałami odniesienia 11) i tarczy pomiarowej 4 (z sygnałami kontrolowanymi 12) oraz obrazy tarczy pływającej 19 (fig. 3). Jeżeli element odniesienia 2, reprezentowany przez ramę odniesienia 3, doznał przemieszczenia, wówczas występują istotne różnice w wynikach pomiarów fotogrametrycznych na obrazach tarczy pływającej 19, przekraczające założone wartości dopuszczalne (fig. 6, czas kolejnego pomiaru t2).

W przykładzie obliczeniowym przyjęto, że na podstawie wyników pomiarów fotogrametrycznych na obrazach tarczy pływającej 19 obliczone kąty obrotu poziomnicy zwierciadlanej 14 wynoszą odpowiednio: a>p = -0.2565°, φρ = -0.4967° i przy założeniu, że po kalibracji osie współrzędnych x_Py_P poziomnicy zwierciadlanej 14 są równoległe z osiami współrzędnych x_ry_r ramy odniesienia 3, wówczas kąt Kp = 0.000°. Wtedy macierz obrotu ²Λρ“, określająca położenie poziomnicy zwierciadlanej 14 w czasie t2, oraz macierz ²R^^a, określająca położenie ramy odniesienia 3 względem linii pionu, są sobie równe i wynoszą:

2nPo _ 2ηΡυ _

Kr - ^Kp ~

1.0000

0.0000

0.0087

0.0000 —0.0087

1.0000 0.0045

-0.0045 1.0000.

Na podstawie znanych w literaturze wzorów przeprowadza się obliczenia położenia tarczy pomiarowej 4 względem linii pionu, a macierz obrotu ²R^° ma wartość:

‘ 0.9999

0.0131 .-0.0001

-0.0131 0.0001

0.9999 0.0001

-0.0001 1.0000.

Kąty obrotu tarczy pomiarowej 4 względem linii pionu, otrzymane z macierzy ²R^° (wzór 7), przyjmują odpowiednio wartości: ca = -0.0065°, = 0.0033°i w = 0.7522°. Kąty obrotu ramy odniesienia 3 względem linii pionu, otrzymane z macierzy ²Rr^a (wzór 7), przyjmują wartości: ca = -0.2565°, ψτ = -0.4967° i Kr = 0.0000°. Wektor przesunięcia tarczy pomiarowej 4 w stosunku do ramy odniesienia 3 (prf), wyznaczony w kartezjańskim układzie współrzędnych x_Py_Pz_P poziomnicy zwierciadlanej (2D) 14, czyli odniesiony do linii pionu, wynosi:

^pV_t = [30.83; 22.13; 33.23]

PL 239 904 Β1

Otrzymane wyniki obliczeń potwierdziły przyjęte założenia odnośnie położenia ramy odniesienia 3, tarczy pomiarowej 4, kamery elektronicznej 6 i poziomnicy zwierciadlanej 14 w czasie t2. Cały tok obliczeń przeprowadza się w systemie CRPD 7, stosując odpowiednie algorytmy.

Wykaz oznaczeń:

- element pomiarowy

- element odniesienia

- rama odniesienia

- tarcza pomiarowa

- wysięgnik

- kamera elektroniczna

- system centralnej rejestracji i przetwarzania danych (CRPD)

- przewód transmisyjny kamery

- śruba sprzęgająca

- śruba mocująca

- sygnał odniesienia

- sygnał kontrolowany

- stanowisko obserwacyjne

- poziomnica zwierciadlana (2D)

- pojemnik z cieczą

- płaska tarcza pływająca

- sygnał tarczy pływającej

- zwierciadło płaskie

- obraz sygnałów tarczy pływającej

- kotwica tarczy pływającej a - kąt pionowy pochylenia płaszczyzny zwierciadła względem płaszczyzny zawierającej górne krawędzie pojemnika z cieczą to - czas pomiaru wyjściowego ti - czas pomiaru aktualnego, przy stałości elementu odniesienia t2 - czas kolejnego pomiaru aktualnego, przy pochyleniu elementu odniesienia x_ryrZr - kartezjański układ współrzędnych ramy odniesienia xtytzt - kartezjański układ współrzędnych tarczy pomiarowej

XkykZk - kartezjański układ współrzędnych kamery elektronicznej

Xpypz_p - kartezjański układ współrzędnych poziomnicy zwierciadlanej <ά, <a, «· - trzy kąty Euler’a, określające rotację układu współrzędnych ramy odniesienia x_ry_rZr ακ, φι, ku - trzy kąty Euler’a, określające rotację układu współrzędnych tarczy pomiarowej xtytzt ć»p, φρ, Kp - trzy kąty Euler’a, określające rotację układu współrzędnych poziomnicy zwierciadlanej Xpypz_p c/χ, Ά- trzy kąty Euler’a, określające rotację układu współrzędnych kamery elektronicznej

XkykZk

Χ/ΛΓ ?R^r _t- macierze obrotu, opisujące zależność kątową między układem współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytzt) a układem współrzędnych ramy odniesienia (xryrZ_r), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t2 °77, ²Tj- wektory translacji, określające przesunięcie początku układu współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytzt) od początku układu współrzędnych ramy odniesienia (x_ryrZr), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t2

Rk,¹^ ?^Rtk- macierze obrotu, opisujące zależność kątową między układem współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk) a układem współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytzt), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego ___> __, __ w czasie ti, aktualnego w czasie t2 ^k’¹^ ²^k~ wektory translacji, określające przesunięcie początku układu współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk) od początku układu współrzędnych tarczy pomia-

Claims (48)

1. PL 239 904 Β1 rowej (xtytzt), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t2 ^ηΛ£, ,²R^r _k - macierze obrotu, opisujące zależność kątową między układem współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk) a układem współrzędnych ramy odniesienia (x_ryrZr), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t2

   - wektory translacji, określające przesunięcie początku układu współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk) od początku układu współrzędnych ramy odniesienia (x_ryrZr), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t2 °R_k ,¹/^ ,²R^p _k - macierze obrotu, opisujące zależność kątową między układem współrzędnych kamery elektronicznej (XkykZk) a układem współrzędnych poziomnicy (x_Py_Pz_P), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t2

   - macierze obrotu, opisujące zależność kątową między układem współrzędnych ramy odniesienia (xryrZ_r) a układem współrzędnych poziomnicy (x_Py_Pz_P), odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t2 ² Rp⁹ - macierz obrotu, opisująca zależność kątową układu współrzędnych poziomnicy zwierciadlanej (x_Py_Pz_P) względem linii pionu, odpowiednio podczas pomiaru: wyjściowego w czasie to, aktualnego w czasie ti, aktualnego w czasie t2

   - macierz obrotu, określająca zależność kątową układu współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytzt) względem linii pionu ² Rf° - macierz obrotu, określająca zależność kątową układu współrzędnych ramy odniesienia __₍ (x_ry_rZr) względem linii pionu ^ΡΓ( - wektor translacji, określający przesunięcie początku układu współrzędnych tarczy pomiarowej (xtytzt) w stosunku do początku układu współrzędnych ramy odniesienia (x_ryrZr), wyznaczony w kartezjańskim układzie współrzędnych x_Py_Pz_P poziomnicy zwierciadlanej, czyli odniesiony do linii pionu

   Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do pomiarów przemieszczeń, zawierające kamerę elektroniczną, połączoną z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych (CRPD), i poziomnicę oraz fotopunkty rejestrowane na obrazach, znamienne tym, że zawiera ramę odniesienia (3), z naniesionymi co najmniej czterema sygnałami odniesienia (11), które są osadzone w jednej płaszczyźnie x_rz_r, w lokalnym kartezjańskim układzie współrzędnych x_ry_rZr, przy czym, jeśli liczba sygnałów odniesienia (11) wynosi m, to liczba sygnałów odniesienia (11), które nie mogą leżeć na jednej prostej, wynosi m-1, oraz zawiera tarczę pomiarową (4), z co najmniej czterema sygnałami kontrolowanymi (12), które są osadzone w jednej płaszczyźnie xtzt, w lokalnym kartezjańskim układzie współrzędnych xtytzt, przy czym, jeśli liczba sygnałów kontrolowanych (12) wynosi k, to liczba sygnałów kontrolowanych (12), które nie mogą leżeć na jednej prostej, wynosi k-1, ponadto kamera elektroniczna (6) ma zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych XkykZk i połączona jest z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych (7) oraz zwrócona jest obiektywem w stronę ramy odniesienia (3) i tarczy pomiarowej (4), ponadto do ramy odniesienia (3) przytwierdzona jest poziomnica zwierciadlana (14), zawierająca zwierciadło płaskie (18), które jest nachylone pod pionowym kątem a i pojemnik z cieczą (15), w którym jest płaska tarcza pływająca (16), z naniesionymi na niej sygnałami tarczy pływającej (17), ponadto poziomnica zwierciadlana (14) ma kotwicę tarczy pływającej (20), która łączy płaską tarczę pływającą z dnem pojemnika z cieczą (15), przy czym poziomnica zwierciadlana (14) ma zdefiniowany kartezjański układ współrzędnych x_Py_Pz_P.
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że system centralnej rejestracji i przetwarzania danych (7) jest przenośnym mikrokomputerem.
3. 3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały odniesienia (11 ) mają postać kwadratów.

   PL 239 904 B1
4. 4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że kwadraty mają wypełnienie kolorem białym i/lub czarnym.
5. 5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały odniesienia (11) mają postać koncentrycznych okręgów.
6. 6. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały odniesienia (11) mają postać koła.
7. 7. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały odniesienia (11) mają postać krzyża.
8. 8. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały odniesienia (11) mają postać znaku kodowego.
9. 9. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały odniesienia (11) są rozmieszczone na ramie odniesienia (3) w sposób regularny.
10. 10. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały kontrolowane (12) mają postać kwadratów.
11. 11. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że kwadraty mają wypełnienie kolorem białym i/lub czarnym.
12. 12. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały kontrolowane (12) mają postać koncentrycznych okręgów.
13. 13. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały kontrolowane (12) mają postać koła.
14. 14. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały kontrolowane (12) mają postać krzyża.
15. 15. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały kontrolowane (12) mają postać znaku kodowego.
16. 16. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały kontrolowane (12) są rozmieszczone na tarczy pomiarowej (4) w sposób regularny.
17. 17. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że urządzenie zawiera wysięgnik (5).
18. 18. Urządzenie według zastrz. 17, znamienne tym, że kamera elektroniczna (6) połączona jest z wysięgnikiem (5) w sposób rozłączny, za pomocą śruby sprzęgającej (9).
19. 19. Urządzenie według zastrz. 17, znamienne tym, że kamera elektroniczna (6) połączona jest z wysięgnikiem (5) na stałe.
20. 20. Urządzenie według zastrz. 17, znamienne tym, że wysięgnik (5) przymocowany jest za pomocą śrub mocujących (10) do elementu odniesienia (2) niezależnie od ramy odniesienia (3).
21. 21. Urządzenie według zastrz. 17, znamienne tym, że wysięgnik (5) przymocowany jest na stałe do ramy odniesienia (3).
22. 22. Urządzenie według zastrz. 17, znamienne tym, że wysięgnik (5) ma postać płaskownika w kształcie litery L.
23. 23. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że kamera elektroniczna (6) ustawiona jest na stanowisku obserwacyjnym (13) niezwiązanym z mierzonym obiektem.
24. 24. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że tarcza pomiarowa (4) znajduje się wewnątrz ramy odniesienia (3).
25. 25. Urządzenie według zastrz. 24, znamienne tym, że odpowiednie osie kartezjańskich układów współrzędnych: tarczy pomiarowej xtytzt i ramy odniesienia xryrzr w pomiarze wyjściowym są względem siebie w przybliżeniu równoległe.
26. 26. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że kamera elektroniczna (6) połączona jest bezprzewodowo z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych (7).
27. 27. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że oś yk kartezjańskiego układu współrzędnych kamery elektronicznej (6) jest w przybliżeniu prostopadła do płaszczyzny xrzr wyznaczonej przez kartezjański układ współrzędnych ramy odniesienia (3).
28. 28. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że odpowiednie osie kartezjańskich układów współrzędnych: kamery elektronicznej xkykzk i ramy odniesienia xryrzr w pomiarze wyjściowym są względem siebie w przybliżeniu równoległe.
29. 29. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że oś yk kartezjańskiego układu współrzędnych kamery elektronicznej (6) jest zwrócona w przybliżeniu centralnie do ramy odniesienia (3).
30. 30. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że rama odniesienia (3) ma postać ramy prostokątnej.
31. 31. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że rama odniesienia (3) ma postać obręczy.

    PL 239 904 B1
32. 32. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że tarcza pomiarowa (4) ma postać prostokąta.
33. 33. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że tarcza pomiarowa (4) ma postać koła.
34. 34. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że poziomnica zwierciadlana (14) połączona jest z ramą odniesienia (3) w sposób rozłączny, za pomocą śrub sprzęgających (9).
35. 35. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że poziomnica zwierciadlana (14) połączona jest z ramą odniesienia (3) na stałe.
36. 36. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że, po połączeniu poziomnicy zwierciadlanej (14) z ramą odniesienia (3), kartezjańskie układy współrzędnych ramy odniesienia xryrzr i poziomnicy xpypzp są względem siebie równoległe.
37. 37. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że, zwierciadło płaskie (18) jest nachylone pod pionowym kątem a równym 45°.
38. 38. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że, płaska tarcza pływająca (16) ma postać koła.
39. 39. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że, płaska tarcza pływająca (16) ma postać kwadratu.
40. 40. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że, płaska tarcza pływająca (16) ma postać prostokąta.
41. 41. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że, płaska tarcza pływająca (16) ma postać wieloboku foremnego.
42. 42. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały tarczy pływającej (17) mają postać kwadratów.
43. 43. Urządzenie według zastrz. 42, znamienne tym, że kwadraty mają wypełnienie kolorem białym i/lub czarnym.
44. 44. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały tarczy pływającej (17) mają postać koncentrycznych okręgów.
45. 45. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały tarczy pływającej (17) mają postać koła.
46. 46. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały tarczy pływającej (17) mają postać krzyża.
47. 47. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały tarczy pływającej (17) mają postać znaku kodowego.
48. 48. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sygnały tarczy pływającej (17) są rozmieszczone na płaskiej tarczy pływającej (16) w sposób regularny.