CN101182989A - 一种双显微数字散斑应变测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种双显微数字散斑应变测量方法。本发明涉及结构件的应力、应变的测量方法，尤其是应用光电子技术的应变测量方法。本发明是将两个为一组的带显微镜头的CCD装于固定平台上，测量时在被测物表面制作散斑场，由双CCD同步采集被测物两点间标距内的受载前、后的散斑图像，传输入PC机中由相关处理软件进行运算，得到被测物的力学参量。本发明检测周期短，资源耗费量少；检测费用低，经济效益可观；实施方便，便于广泛应用。同时，该方法还可用于其它大型建筑诸如房屋、大坝等安全性能的检测和评估。
Description
技术领域
本发明涉及结构件的应力、应变的测量方法，尤其是应用光电子技术的应变测量方法。
背景技术
在我国众多公路网中，存在成千上万大大小小的在役桥梁需要进行安全检测。同时每年都有大量新建桥梁需要通过质量安全验收。目前，虽然已经有X射线、CT、超声波探测及在构件内埋设光纤等检测手段对建筑物关键部位的应力、应变进行检。然而，由于测试量大，测试成本高，许多技术在工程现场难于实现，以至于目前仍然大量采用贴应变片一类传统电测检测手段对桥梁的承载能力进行测试。由于该方法需要在大型桥梁上布置成百上千的测试点进行维护调试测量，从而使得检测周期长，检测费用高，需要浪费大量的财力、人力、物力，对于在役桥梁的安全检测更是无法展开。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种双显微数字散斑应变测量方法，其检测周期短，资源耗费量少；检测费用低，经济效益可观；实施方便，便于广泛应用。
解决本发明的技术问题所采用的方案是：将两个为一组的带显微镜头的CCD装于固定平台上，测量时在被测物表面制作散斑场，由双CCD同步采集被测物两点间标距内的受载前、后的散斑图像，传输入PC机中由相关处理软件进行运算，得到被测物的力学参量。
本发明的技术方案还包括：显微镜的镜筒上带有调焦装置，它由镜筒上组装的调焦导轨和调焦手轮连接而成，可方便地调整焦距，在CCD上获取被测点的最佳图象；当对建筑构件进行测量时，CCD的固定平台须与待测构件成一个统一体，可以消除震动对测量精度的影响。
本发明双显微数字散斑应变测量方法中所涉及的数字散斑相关运算的基本思想是由CCD摄像机记录被测物体变形前后的两幅散斑图，经计算机A/D转换得到两个灰度场，在变形前物体表面某点P的灰度场为P(x，y)，在变形后物体表面的灰度场为P(x+u，y+v)，其中u、v为变形位移量。现在的问题将变形测量问题转化为两个灰度场的相关搜索和相关识别的数值计算过程来实现物体变形中位移量u和v的测量。在作相关运算时，首先在变形前的散斑场中选定一个子集区A作为测量的参考子区域。然后，在变形后的散斑场中搜索与参考子区域相对应的子集B，子集大小为m×m像素。根据概率与统计理论，两子集相关系数定义为
若两子集完全相关，相关系数为C＝1，若有变形，相关系数会有所下降，测量中通过相关搜索找到相关系数C最大值时对应的变形量即为要求的实际变形位移量。按照上述数字散斑相关方法的基本思想完成散斑相关处理软件的编写，测量中只需将桥梁受载前后所采集到的两幅散斑图通过软件计算，便可得出桥梁因受载变形而产生的位移量。
由材料力学可知：材料因受力而产生的应变量 其中L为材料的原长，ΔL为材料在受力过程中材料的伸长或压缩量。本发明中假设材料受力前材料上某点P的标为x0，材料上距离P点长度为L的另一点Q点的坐为x1，显然有L＝x1-x0。材料受力变形后P点坐标移至x′0，位移变化量Δx0＝x′0-x0；Q点坐标移至x′1，位移变化量Δx1＝x′1-x1。则在标距为L的长度范围内材料因受力而伸长或压缩量为ΔL＝Δx1-Δx0，材料长度L内的平均应变量 本发明一种双显微数字散斑应变测量方法中两CCD之间的距离是固定的，其标距为L。因此，只要通过数字散斑测量软件计算出每个CCD受载前后因变形而产生的位移量Δx，便可通过相应的数值计算对桥梁构件的应变、应力、弹性模量相关力学量进行测量，从而对桥梁结构的安全性能做出快速评估。
本发明的有益效果是：
①检测周期短，资源耗费量少。该方法只需在检测桥梁的关键部位架设双CCD图像采集装置在桥梁受载前后采集相应的散斑图像即可实现检测，因此检测周期短，只需短短几天即可完成检测任务。而传统电测法则需在桥梁刚开设架设时就要进行应变片的贴放及线路的布置，直到桥梁架设完毕，因此其检测周期往往需要花费几个月甚至更长的时间，耗费的人力、物力较大。
②检测费用低，经济效益可观。传统电测法对于一座中型桥梁的检测费用大概在50～60万左右，而对于大型、特大型桥梁的检测费用则需要上百万。本发明对于一座中型桥梁的检测费用大概只需要10万元左右，而对于大型、特大型桥梁其检测费用不会超过50万。因此，该方法所带来的经济效益和社会效益不可估量。
③实施方便，便于广泛应用。该方法不仅能对新建桥梁进行检测，还能广泛用于在役桥梁的安全检测，这是目前传统检测手段所力所不及的地方。
④测量精度和灵敏度较高。在测量形变位移量时，其测量精度可以达到0.4个微应，即微米数量级。
综上所述，本发明所采用的方法有效地克服了目前桥梁检测中采用的电测法所带来的检测周期长、耗费资金量大，以及对于在役桥梁的检测无从开展等不利因素的影响，同时也克服了近几年来所出现的一些较为先进的检测手段不能在桥梁检测中得以广泛应用这一尴尬局面。本发明为桥梁建筑安全检测部门提供一种高效检测方法，在为桥梁检测部门节省大量财力、人力和物力的同时还可以大大提高桥梁检测部门对于新建和在役桥梁的安全检测效率。
附图说明
图1是本发明的CCD显微镜测量装置示意图；
图2是大型建筑构件现场实测装置布置图；
图3是普通构件的实测示意图；
图4是金属丝实测示意图。
图中各标号依次表示：CCD固定平台1、CCD2、调焦导轨3、调焦手轮4、镜筒5、显微镜头6、桥面固定螺拴7、测量桥面8、多通道图像采集卡9、PC机10、数据采集信号线11、电源线12、力学实验加载架13、有机玻璃试件14、金属丝15、砝码16。
具体实施方式
实施1：对大型桥梁构件微应变的测量。如附图2所示，将两个为一组的带显微镜头6的CCD 2装于固定平台1上，根据测量的需要设置多组这样的双显微CCD数字检测装置，再把CCD 2的固定平台1与测量桥面8用桥面固定螺拴7连接成一个统一体。在测量桥面8上喷油漆制斑构成相关性能较好的散斑场，调整镜筒5的调焦手轮4，达到最佳图象效果，由双CCD 2同步采集被测物两点间标距内的受载前、后的散斑图像，通过多通道图像采集卡9将数据传输入PC机10中，由相关处理软件进行运算，就可得到被测物的力学参量。
实施2：对有机玻璃试件微应变的测量。如附图3，有机玻璃加工成标准试件，有机玻璃试件14喷油漆制斑构成相关性能较好的散斑场；试件另一端贴应变片。试件、双显微数字散斑应变装置同置于力学实验加载架13上作拉伸实验，实验中用双显微数字散斑应变测量方法和电测法对试件拉伸过程中微应变进行比较测量，其测量结果完全趋于一致。
实施3：对有机玻璃试件微应变的测量。如附图4所示，与上述实例方法相同，将本发明双显微数字散斑应变测量方法和光杠杆测量方法在每次增加载荷0.5kg砝码的载荷下同步测量金属丝弹性模量，所测金属丝弹性模量相对误差小于3％。。
Claims (3)
1.一种双显微数字散斑应变测量方法，其特征是：将两个为一组的带显微镜头的CCD装于固定平台上，测量时在被测物表面制作散斑场，由双CCD同步采集被测物两点间标距内的受载前、后的散斑图像，传输入PC机中由相关处理软件进行运算，得到被测物的力学参量。
2.按权利要求1所述的双显微数字散斑应变测量方法，其特征是：显微镜的镜筒上带有调焦装置。
3.根据权利要求1和2所述的双显微数字散斑应变测量方法，其特征是：对建筑构件测量时，CCD的固定平台须与待测构件成一个统一体。
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