CN100470222C

CN100470222C - 桥梁挠度和位移的监测装置及监测方法

Info

Publication number: CN100470222C
Application number: CNB2007101037770A
Authority: CN
Inventors: 周建庭; 钟佑明
Original assignee: Chongqing Jiaotong University
Current assignee: Chongqing Jiaotong University
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2027-05-29
Also published as: CN101055218A

Abstract

本发明公开了一种桥梁挠度和位移的监测装置，包括一个视频采集设备，在桥梁下方对向视频采集设备位置有一个遮挡屏，在遮挡屏与视频采集设备之间靠近遮挡屏的位置有水平绷紧的基准线，基准线上固定有颜色与遮挡屏不同的均匀直圆管或直圆杆，在直圆管或直圆杆的正下方位置有与其平行的等效直线圆杆或等效直线圆管固定在所述的遮挡屏上；一台计算机与视频采集设备进行通讯和对数据进行处理；并有光源。还公开了一种监测方法，利用摄像头视频采集设备实时采集的直圆管或直圆杆与等效直线圆杆或等效直线圆管的图像数据，并经过计算机处理后计算出桥梁待检测位置的垂向和/或纵向位移。本方法和装置测量精度高，受环境因素影响小。

Description

桥梁挠度和位移的监测装置及监测方法

技术领域

本发明属于桥梁领域，具体来说涉及的是一种桥梁挠度和位移的监测装置及监测方法，用以检测和监测桥梁的垂向和纵向位移。

背景技术

桥梁作为交通大动脉的重要组成部分，在国家经济建设与社会发展中发挥着极为重要的作用。由于受环境、使用、老化等因素的影响，桥梁常常会出现垂向和测向变形(通常所说挠度)，也会出现纵向变形(通常所说位移)，这些变形是桥梁健康状况的重要表现，如果变形到了一定程度，桥梁就会出现垮塌。

因此桥梁的挠度/位移检测和监测技术很早就受到了人们的重视，它旨在及时捕捉桥梁的挠度/位移信息，以维护桥梁的长期健康安全、保护人民的生命财产。但就现有的技术来看，目前所出现的桥梁挠度/位移监测装置与方法还有这样那样的不足，有待改进。如中国专利200310108447.2公开的“大跨径桥梁结构挠度监测方法”采用水箱和水管连接装置，利用桥梁变形引起水压力变化的规律来检测桥梁挠度的方法容易受环境温度因素的影响，且不可以检测位移。

又如中国专利200510020375.5公开的“二维、大量程激光挠度/位移测量方法及装置”以及中国专利200510057473.6公开的“位移/挠度检测和监测装置及方法”等采用激光照射装置以及视频采集装置来检测桥梁挠度和位移的光电方法，是目前研究比较多的方法。该类方法的主要内容是：将激光头安装在桥梁的检测位置(如桥梁跨中)，在一个比较稳定的位置(如桥墩处)安装一个固定的接收屏，在接收屏的后面安装一个摄像头视频采集设备，视频采集设备与计算机相连接。检测时首先让激光头发射的激光束几乎垂直地照射在接收屏上，形成光斑，经摄像设备对光斑和一些标记成像，再通过计算机计算激光光斑的当前位置相对初始标定位置的变化，来识别桥梁的挠度和位移。可以看出，光电方法虽然利用了视频采集技术的一些优点，如成本越来越低，受环境温度影响小，以及激光束的集光特性等优点，但由于需采集激光束光斑，激光头与接收装置的距离一般较远，对激光束光斑的位置定位要求较高，因此检测和监测效果容易受天气、桥梁跨距、桥梁扰动等因素的影响。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提出一种成本低、使用条件低、安装调试方便、检测效果好、稳定性好、使用范围广，可长期、远距离监测的线检测挠度和位移监测装置，用于桥梁侧向位移可以忽略不计的情况。

本发明的第二个目的还在于是提供一种检测方法，用于桥梁侧向位移可以忽略不计的情况下桥梁挠度和位移的监测。

为实现本发明的第一个目的，采用如下技术方案：

一种桥梁挠度和位移的监测装置，包括一个安装在桥梁待检测位置上的视频采集设备，其特征在于：在所述的桥梁下方对向所述视频采集设备的摄像头的位置有一个竖向的遮挡屏通过支架安装在桥梁的待检测点上，在所述的遮挡屏与视频采集设备之间靠近遮挡屏的位置有一根水平绷紧的基准线被固定在桥梁不易发生位移的位置上，基准线上固定有颜色与遮挡屏不同的均匀直圆管或直圆杆，在直圆管或直圆杆的正下方位置有与其平行的等效直线圆杆或等效直线圆管固定在所述的遮挡屏上；还有一台计算机与所述的视频采集进行通讯和对数据进行处理；并有一个为所述的均匀直圆管或直圆杆及等效直线圆杆或等效直线圆管照明的光源。

所述的基准线可以为一根细线，一端固定在桥梁一端的桥墩上，另一端绕过一个固定在桥梁另一端桥墩上的滑轮，并在端部拴有一个悬锤。

所述的视频采集设备可以为数码摄像机或数码照相机。

为了实现本发明的第二个目的，采用如下技术解决方案：

该技术主要用于桥梁侧向位移可以忽略不计的情况，其方法为：

(1)在桥梁两处不易变形的位置确定一条沿桥梁方向延伸、水平的绷紧线作为基准线；

(2)在桥梁上待检测位置的正前方安装一个遮挡屏，遮挡屏固定在桥梁上，而绷紧基准线位于遮挡屏与待检测位置之间并靠近遮挡屏；

(3)在绷紧基准线上正对待检测位置固定一根颜色突出、不易变形的均匀直圆管或直圆杆，它在视频采集设备中的图像将为一个狭长的矩形，监测过程中利用该矩形容易较精确地确定绷紧基准线的位置以及直圆管的实际位置；

(4)在遮挡屏上安装一根与绷紧基准线上直圆管或直圆杆的材料、大小、形状均相同，位于其正下方，与其颜色有所区别，能代表待检测位置的等效直线圆杆或等效直线圆管，等效直线圆杆或等效直线圆管在视频采集设备中的图像也将为一狭长的矩形，监测过程中利用该矩形可以较精确地确定待检测位置，进一步确定待检测位置相对绷紧基准线位置的垂直距离，相对绷紧基准线上直圆管或直圆杆的水平纵向距离，与初始距离比较即得桥梁的垂向、纵向位移；

(5)将一个视频采集设备安装在桥梁的待检测位置，使其摄像头正对绷紧基准线上的直圆管或直圆杆与遮挡屏上的等效直线圆杆或等效直线圆管所形成的矩形，并将视频采集设备与计算机相连；

(6)安装一个照向遮挡屏和基准线上的直圆管或直圆杆，及遮挡屏上的等效直线圆杆或等效直线圆管的照明装置，为摄像提供照明；

(7)标定摄像头与由基准线上的直圆管或直圆杆与遮档屏上的等效直线圆杆或等效直线圆管所构成的矩形的距离d，标定视频采集设备焦距p，标定直圆管或直圆杆与等效直线圆杆或等效直线圆管的初始距离h₀，标定直圆管或直圆杆与等效直线圆杆或等效直线圆管沿桥梁方向的纵向倍率，所述的纵向倍率为相应的管或杆与其在视频采集设备内图像的长度比；

(8)监测时，利用摄像头视频采集设备实时采集的直圆管或直圆杆与等效直线圆杆或等效直线圆管的图像数据，图像数据传入计算机，并经过计算机处理后与初始距离比较后计算出桥梁待检测位置的垂向和/或纵向位移。

本发明也属于光电监测方法之一，但与现有光电监测方法相比，本发明具有如下一些特点和优点：

1、不需要激光头，降低了成本和监测条件要求，也不容易受环境光的影响。

2、本发明特别采用了线(段)检测法(更准确地说是利用规则的矩形的边缘)来确定摄像头的位置，使检测更容易实现，不容易受激光头光晕问题的影响。

3、本发明特别采用了两个狭长矩形的相对位置来确定摄像头的位置，使得检测时即使摄像头出现振动造成图像模糊也不易影响摄像头位置的检测，因为两个矩形图像的模糊程度是一致的，不会影响算法的结果。

4、本发明能够监测任意待检测点的位移情况.

5、本发明能够利用一条绷紧基准线同时监测桥梁多个点的位移情况。

6、由于监测时摄像头与所要采集视频数据的对象——绷紧基准线上的直线管段与等效直线圆杆的距离可以设计得比较近，因此检测精度高。

7、本发明的装置容易利用一套保护装置保护起来，实现长期监测和避免受环境因素的影响。

附图说明

图1为本发明的桥梁挠度和位移监测装置的构成的正视图。

图2为本发明的桥梁挠度和位移监测装置侧视图。

图3垂向位移检测原理图。

图4纵向位移检测原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以助于理解本发明的内容。

实施例1

本发明的监测装置示意图如附图1，2所示。主要装置为由桥梁1两边桥墩上的两个固定支点3、4以及一个适当重量的悬锤6所形成的一条沿桥梁方向、几乎水平的绷紧细线5，采用细线可以减少其自重的影响，而由于悬锤6的重力作用可以使细线始终处于绷紧状态；一个遮挡屏8通过支架9固定在待监测点2，遮挡屏8正对待监测点2且位于绷紧线5后面适当位置；在绷紧线5上紧套有一根直圆管，直圆管正对待监测点2。直圆管10固定在绷紧线5上不会发生位移，其选材要求是不容易变形，颜色突出的均匀直圆管。在遮挡屏8上朝待监测点2一方安装有与绷紧线5上的直圆管10的材料、大小、形状相同的等效直线圆杆14，等效直线圆杆14位于直圆管10正下方，与直圆管10颜色有所区别。摄像设备7被固定在被监测点2上，并与计算机11通过连接线12相连，其摄像头正对绷紧线5上的直圆管10与遮挡屏8上的等效直线圆杆14所形成的矩形ABCD。安装在绷紧线5上方或下方、正对直圆管10及等效直线圆杆14及遮挡屏的光源13被固定在待监测点上。

在监测中为了更好地捕获AB和CD的图像，可以将绷紧线5，遮挡屏8，以及遮挡屏上的支撑CD的支杆均采用同样的黑色，而AB和CD分别采用其他鲜艳的颜色，如红色和紫色。

利用以上装置监测桥梁垂向、纵向位移的主要内容就是随时捕获直圆管AB和等效直线圆杆CD的图像，然后经过计算机中的软件计算得出挠度和位移曲线。

等效直线圆杆14也可以采用圆管制成，而直圆管10采用圆管的好处是直接套在绷紧线5上，如果采用其它固定方式则可以采用圆杆代替。

实施例2

桥梁挠度和位移的监测方法，具体监测步骤和方法如下：

1 器材安装：

(1)在待监测桥跨1两侧桥墩较稳定的适当位置分别安装一个固定支点3和一个定滑轮4；(2)将一根细线5一端固定于固定支点3，另一端绕过定滑轮4，并在线末端悬挂一个适当重量的悬锤6，使细线5始终处于绷紧状态，确保基准细线的稳定性；(3)在桥跨上的待监测位置2上用一套支架9固定一个正对待监测点2的遮挡屏，并使遮挡屏位于绷紧线5后面适当位置；(4)将一根长度适当、不易变形，颜色突出的均匀直圆管10(或者采用均匀直圆杆)或称为AB紧套在绷紧线5上，并使AB正对待监测点2；(5)在遮挡屏8上朝待监测点2一方安装一根与直圆管AB(或直圆管)的材料、大小、形状相同，位于直圆管AB正下方，与直圆管AB颜色有所区别，代表待监测点2位置的等效直线圆杆14(或等效直线圆管)或CD；(6)在待监测点2处安装一个摄像头视频采集设备7，使摄像头正对绷紧线5上的直圆管AB与遮挡屏8上的等效直线圆杆CD所形成的矩形ABCD，并将视频采集设备7与装有相应图像处理软件的计算机11进行连接；(7)在待监测点2上固定安装一个光源13，使光源在绷紧线5上方或下方，用于为摄像提供光源。

2 标定：

如图3所示，(1)标定摄像头与平面ABCD的距离d：利用测量仪器直接测量；(2)标定焦距p：分别测出AB与CD的实际距离h以及AB与CD的图像A′B′、C′D′的距离h′，结合距离d，在计算机的软件中即可标定出焦距p；(3)标定AB与CD的初始距离h₀:利用测量仪器直接测量；(4)标定AB与CD沿桥梁方向的纵向倍率b：分别测出AB及其图像A′B′的长度，将它们相比即得倍率b。

3 垂向位移(挠度)的检测

监测待测位置挠度和位移过程中总假设AB与CD平行，桥梁几乎不发生侧向位移，因此检测垂向位移的方法为：(1)通过视频采集设备分别获得AB、CD的图像数据A′B′、C′D′；(2)利用计算机求出图像数据A′B′、C′D′的距离h′；(3)在计算机中利用h′，d，p即可计算出AB与CD的新实际距离h，用h减去AB与CD的初始距离h₀即得待测位置的垂向位移。

4 沿桥梁方向的纵向位移检测

参见图4，(1)通过视频采集设备分别获得AB、CD的图像数据A′B′、C′D′；(2)利用计算机求出图像数据A′B′、C′D′的中心间的水平距离w；(3)根据倍率b和w即可计算出AB与CD实际纵向相对距离，该距离即是待测位置沿桥梁方向的纵向位移。

Claims

1、一种桥梁挠度和位移的监测装置，包括一个安装在桥梁待检测位置上的视频采集设备，其特征在于：在所述的桥梁下方对向所述视频采集设备的摄像头的位置有一个竖向的遮挡屏通过支架安装在桥梁的待检测点上，在所述的遮挡屏与视频采集设备之间靠近遮挡屏的位置有一根水平绷紧的基准线被固定在桥梁不易发生位移的位置上，基准线上固定有颜色与遮挡屏不同的均匀直圆管或直圆杆，在直圆管或直圆杆的正下方位置有与其平行的等效直线圆杆或等效直线圆管固定在所述的遮挡屏上；还有一台计算机与所述的视频采集设备进行通讯和对数据进行处理；并有一个为所述的均匀直圆管或直圆杆及等效直线圆杆或等效直线圆管照明的光源。

2、如权利要求1所述的桥梁挠度和位移的监测装置，其特征在于：所述的基准线为细线，一端固定在桥梁一端的桥墩上，另一端绕过一个固定在桥梁另一端桥墩上的滑轮，并在绕过滑轮的细线端部拴有一个悬锤。

3、如权利要求1所述的桥梁挠度和位移的监测装置，其特征在于：所述的视频采集设备为数码摄像机或数码照相机。

4、一种桥梁挠度和位移的监测方法，用于桥梁侧向位移能够忽略不计的情况，其方法为：

(3)在绷紧基准线上正对待检测位置固定一根颜色突出、不易变形的均匀直圆管或直圆杆；

(4)在遮挡屏上安装一根与绷紧基准线上的直圆管或直圆杆的材料、大小、形状均相同，位于直圆管或直圆杆正下方，与直圆管或直圆杆颜色有所区别，能代表待检测位置的等效直线圆杆或等效直线圆管；

5、如权利要求4所述的桥梁挠度和位移的监测方法，其特征在于：所述的绷紧线一端固定在桥梁一端的桥墩上，另一端绕过一个固定在桥梁另一端桥墩上的滑轮，并在绕过滑轮的细线端部拴有一个悬锤。

6、如权利要求4所述的桥梁挠度和位移的监测方法，其特征在于：所述的视频采集设备为数码摄像机或数码照相机。