CN101865664B - 便携式动态挠度位移测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能信息测量技术领域，尤其涉及一种便携式动态挠度位移测量装置及方法。本发明包括激光投影单元、光信号采集处理单元，其中激光投影单元由激光功率控制电路、激光发射器和第一电池组成，激光功率控制电路、第一电池分别与激光发射器电连接；光信号采集处理单元由光信号成像屏、镜头、CCD传感器、主板、显示触控屏、第二电池组成，光信号成像屏面对激光发射器，并与激光发射器同轴设置，光信号成像屏与CCD传感器平面平行并与镜头、传感器中心轴同轴。本发明采用便携式设计，不需外接计算机，独立电池供电，方便野外测量和携带，可装卸、自刻度成像屏，方便量程选择和形变校验，一体化设计，不需外接键盘鼠标即可实现测量全部功能。

Description

便携式动态挠度位移测量装置及方法

技术领域

本发明涉及智能信息测量技术领域，尤其涉及一种便携式动态挠度位移测量装置及方法。

背景技术

桥梁、建筑物、公路等建筑结构在自重、荷载作用下的垂向和侧向变形称为挠度。挠度/位移能直接反映结构的施工质量、承载能力、健康情况，因而在建筑的设计、施工质量控制、竣工验收、剩余寿命评估等各环节中，有严格的规定。故在桥梁等建筑结构施工过程、竣工验收、服役期，对挠度、位移等变形参数进行监测，对于掌握其施工质量、了解其健康状况、实现事故早期报警，意义重大。近年来随着计算机技术和信号处理技术的发展，基于光电测量的方法在长期、自动测量建筑挠度/位移测量领域得到较快的发展，比传统的机械式位移计法、电子式位移计法、精密水准仪法有明细优势。从发展趋势看，由于野外测量环境的特殊性，如何提供便携式智能化的测量仪器是该领域研究需要解决的关键问题。

在现有光电式挠度测量方法中，计算机或笔记本电脑都是作为独立的设备出现，用于处理摄像设备获取的影像数据，计算机和摄像设备需要独立供电，或通过笔记本电脑电池供电，这种架构在野外测量中不便于携带和安装，还需要测试人员在现场维护。在潮湿、大风等恶劣环境下，商用计算机的性能也会受到影响。

光电式挠度/位移测量是一种非接触测量方法，其成像原理主要有直接光学成像和基于光射线标靶成像两大类，如中国专利公开CN1648601A“自标定自编码成像法多点动态挠度/位移测量方法及装置”、CN1912561A“望远式全天候自标定挠度/位移测量装置及方法”、CN101055218A“桥梁挠度和位移的监测装置及监测方法”属于直接成像式，又如CN101251433A“用于桥梁荷载实验的无线遥控式挠度测量系统及其测量方法”、CN1789905A“多点位移/挠度检测和监测装置及方法”、CN1912536A“位移/挠度监测和监测装置及方法”等是基于光射线标靶成像的方法。

光电挠度/位移测量的相关指标包括：测量量程即挠度/位移大小，测量范围即成像设备与激光源或物像距离，测量精度，动态特性即能反映挠度/位移最小变化的测量时间间隔等。直接光学成像的测量范围有很大局限性，或是需要借助望远镜，或是需要基准线来转移测量变化，这都给安装测量带来不变；现在有的大跨度桥梁主跨达500米以上，固定点(主塔、基座)和挠动点(跨中)距离变化范围很大，对测量范围和激光源提出了更高的要求；基于光电式的挠度/位移测量速度受传感器采集速度和传输速度(传感器与计算机之间)的影响，测量精度受传感器分辨率影响，这些指标在已有公开专利中均为充分体现。

如上所述，现有的挠度测量装置及方法无法完全满足便携、宽范围、大量程、高速、动态测量的要求，严重制约其在测量桥梁、建筑物、地面沉降、公路的动态挠度和位移等方面真正推广和应用。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明的目的是提供一种便携式动态挠度位移测量装置及方法，以将信息采集和处理采用一体化设计，提供完备的数据采集、处理、显示、趋势分析解决方案，实现高精度、高速采集，实现挠度/位移的动态测量。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

激光投影单元、光信号采集处理单元，其中激光投影单元由激光功率控制电路、激光发射器和第一电池组成，激光功率控制电路、第一电池分别与激光发射器电连接；

光信号采集处理单元由光信号成像屏、镜头、CCD传感器、主板、显示触控屏、第二电池组成，光信号成像屏面对激光发射器，并与激光发射器同轴设置，光信号成像屏与CCD传感器平面平行并与镜头、传感器中心轴同轴，光信号成像屏内面有激光刻度线，刻线间距2mm，成像屏屏幕由半透明低形变有机材料构成；

显示触控屏采用液晶显示屏和尺寸匹配的四线电阻式触控屏重叠安装而成，液晶显示屏通过LVDS数字视频接口与主板的显示接口连接，四线电阻式触控屏用USB接口连接至主板。

所述激光投影单元固定在支架上，通过云台调节使激光在光信号采集处理单元的光信号成像屏的中央成像。

所述光信号成像屏的尺寸为挠度位移测量量程，其宽度与位移量程对应，高度与挠度量程对应。

所述光信号成像屏的尺寸为：高度300mm、宽度240mm。

光信号采集处理单元为一体化设计，光信号成像屏、镜头、CCD传感器、主板、显示触控屏、第二电池统一安置在机箱内，光信号成像屏安装在机箱的前面，为可插拔紧固机构，显示触控屏固定在机箱背面。

①选定挠度/位移测量基准点和挠度/位移测点，布设激光投影单元和光信号采集处理单元，将激光发射和控制部分通过支架固定在基准点：将光信号采集与处理部分放置在测试点；选择合适量程的成像屏安装在机箱上，面对激光投射方向；

②开启激光器，根据测量范围调节输出功率，使光斑在成像屏中央成像；

③启动光信号采集处理部分，运行软件，通过显示触控屏设置，测量范围、成像屏尺寸等参数、采样频率指标、测量精度指标等，开启系统自适应预处理过程；

④软件通过捕获的成像屏图像，对激光刻度线进行识别，得到像素值和实际间距的对应关系，并进行畸变矫正，获取矫正参数，并进入挠度/位移测量过程；

⑤测量软件计算每帧图像光斑的像素坐标并转换为物理坐标，同时记录时间，计算和上一时刻位移的改变量，依据时间-位置的对应关系分布绘制动态挠度-时间、位移-时间运动曲线，并在显示触控屏上显示；

⑥储存各测量和计算结果，重复步骤⑤直到测量过程结束。

本发明具有以下优点和积极效果：

1)同时实现挠度/位移的二维测量，可同时或分别绘制挠度/位移-时间曲线图显示；

2)采用便携式设计，不需外接计算机，独立电池供电，方便野外测量和携带；

3)采用大功率输出功率可调激光器，可实现300米到数米宽范围测量；

4)可装卸、自刻度成像屏，方便量程选择和形变校验；

5)光电传感器和主板一体化设计，提高了影像的采集和处理速度，动态挠度/位移测量速度可达15Hz；

6)一体化设计，不需外接键盘鼠标即可实现测量全部功能。

附图说明

图1是本发明提供的便携式动态挠度位移测量装置的系统结构图。

图2是本发明提供的便携式动态挠度位移测量方法的流程图。

1-激光投影单元、2-激光功率控制电路、3-激光发射器、4-电池、5-光信号采集处理单元、6-光信号成像屏、7-镜头、8-CCD传感器、9-主板、10-显示触控屏、11-电池。

具体实施方式

下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明：

本发明提供的便携式动态挠度位移测量装置，包括激光投影单元1、光信号采集处理单元5，其中激光投影单元1由激光功率控制电路2、激光发射器3和第一电池4组成，激光功率控制电路2、电池分别与激光发射器3电连接；激光功率控制电路2由80C51单片机控制激光管功率输出，可满足数百米到数十厘米范围激光光斑的清晰成像，并保证理想的光斑尺度和照度；

激光功率控制电路由直流电源逆变器将直流电源逆变为交流电压输出，经电源变压器调整输出交流电压大小，再通过倍压电路整流，得到直流高压激励激光管，电位器调节电阻大小输入80C51单片机实现连续信号调节，单片机根据电位器分压大小，控制激励电路分压值，以控制电路输出给激光管的电流大小，从而实现对激光器输出功率的控制，满足不同测量范围的需求。

激光投影单元1由激光功率控制电路2上的调节旋钮调节激光发射器3的输出功率，旋钮刻度用测量范围表示，最大范围对应激光发射器3的最大输出功率，距离可达300米；功率调节采用旋钮连续调节，刻度用测量范围(到采集部分距离)表示，顺时针方向旋转为增大，逆时针旋转为减小；旋转到最小刻度后弹簧开关将切断激光器电源，停止光信号输出；激光投影单元1固定在支架上，通过云台调节使激光在光信号采集处理单元5的成像屏的中央成像，电池向激光投影单元1提供电能。

光信号采集处理单元5由光信号成像屏6、镜头7、CCD传感器8、主板9、显示触控屏10、第二电池11组成，光信号成像屏6面对激光发射器3，并与激光发射器3同轴设置，光信号成像屏6与CCD传感器8平面平行并与镜头7、CCD传感器8中心轴同轴，光信号成像屏6内面有激光刻度线，刻线间距2mm，光信号成像屏6屏幕为半透明低形变有机材料；光信号成像屏6的尺寸即为挠度/位移测量量程，其宽度与位移量程对应，高度与挠度量程对应。光信号成像屏6的尺寸可根据量程大小更换，典型的尺寸为H300mm*W240mm；CCD传感器集成在Intel嵌入式平台架构的ATOM主板9上，主板包括ATOM无风扇CPU，板载内存，内存显示芯片组、接口处理芯片组(南北桥)，显示接口，电子盘接口等。

激光光斑在成像屏6成实像后，通过镜头7在CCD传感器8上成像，并转化为电信号以形成数字图像；第二电池直接连接到主板的电源输入接口，为该部分供电。

CCD传感器8在选用130万像素时，成像分辨率可达0.2mm，采样速率可达30帧/秒，能满足频率高达15HZ的挠度/位移测量需求，镜头采用1/2”的C接圈镜头，以上数为非限制性参数，可根据实际测量需求选择；

显示触控屏10为液晶显示屏和尺寸匹配的四线电阻式触控屏重叠安装而成，液晶屏通过LVDS数字视频接口与主板10的显示接口连接，四线触控屏用USB接口连接至主板；触控屏通过触控屏或手指对显示屏上的功能菜单和按钮进行操作，选择成像屏的尺寸、CCD参数、测量时间、分辨率要求等参数，供程序处理，还可实现图像、数据的存储和查阅功能；

光信号采集处理单元5为一体化设计，光信号成像屏6、镜头7、CCD传感器8、主板9、显示触控屏10、第二电池11统一安置在机箱内，光信号成像屏6安装在机箱的前面，为可插拔紧固机构(可根据测量量程更换成像屏和机箱对应尺寸)，显示触控屏10固定在机箱背面。

光信号采集处理单元5运行的挠度/位移测量程序，包括以下步骤：

通过识别程序对成像屏激光刻线的边界位置进行标定，分别求得上线边距和左右边距对应的像素值Δh和w，然后计算出纵向分辨率和横向分辨率W/Δw，并根据边界实际位置进行畸变矫正；测试时获取t1时刻光斑的质心位置像素值(w1，h1)和t2时刻的质心位置像素值(w2，h2)，即可求得Δt＝(t2-t1)实际的挠度物理值和位移的物理值＝(w2-w1)*W/Δw；依据时间t和W、ΔH的对应关系绘制动态时间-挠度/位移曲线，并在显示触控屏上输出。

下面描述本发明提供的便携式动态挠度位移测量装置的工作过程：

测量时启动测量程序，用户通过显示触控屏上的图形化功能按钮操作界面，选择测量参数，包括测量范围、成像屏尺寸、采样频率、测量时间等；设置完成后进入校验过程，传感器捕获成像屏图像，提取成像屏轮廓，根据成像屏尺寸计算像素值和实际物理尺度的对应关系，以1280*1024像素的130万像素CCD传感器为例，当300mm*240mm成像屏的成像大小为1000*800像素时，每像素对应物理尺度为0.3mm，程序根据纵横向刻线的成像位置计算出畸变，并计算校正参数；校验过程完成进入测量过程，传感器实时捕获成像屏上光斑的图像，通过图像处理获取光斑的质心位置，例如(500，600)，依据采样频率的设定测量下一时刻质心的位置，例如(550，800)，即可计算出该时间间隔的挠度为60mm，位移为15mm；根据时间和对应的挠度/位移参数即可绘制对应的挠度——时间和位移——时间曲线；所述的装置在130万CCD参数条件下最大采样速度为每秒30帧，对应的有效动态挠度/位移测量频率可达15hz，所绘曲线的最小有效间隔为33mS。

本发明提供的便携式动态挠度/位移测量装置各部分由电池供电，可独立工作6小时，供电部分集成了智能电源管理和充电电路，可通过220V交流电源对电池充电，亦可提供220V交流电源在线工作，满足连续监测需求(大于6小时)。

图2所示为本发明提供的便携式动态挠度位移测量方法的流程图，其具体步骤如下：

1、选定挠度/位移测量基准点和挠度/位移测点，布设激光投影单元1和光信号采集处理单元5将激光投影单元1支架固定在基准点；将光信号采集与处理单元放置在测试点；选择合适量程的成像屏安装在机箱上，面对激光投射方向；

2、启动光信号采集处理部分，运行软件，在程序界面中通过显示触控屏设置量程、测量范围、成像屏尺寸、采样频率指标、测量精度等参数(仅第一次需要，参数固定条件下不需设定)，开启系统自适应预处理过程进行相机参数校验；

3、软件通过捕获的成像屏图像，对激光刻度线进行识别，得到像素值和实际间距的对应关系，并进行畸变矫正，获取矫正参数，并进入挠度/位移测量过程；

4、开启激光器3，根据测量范围调节输出功率，使光斑在成像屏6中央成像；

5、测量软件进行图像采集、图像处理、获取光斑，提取质心位置，计算每帧图像光斑的像素坐标并转换为物理坐标；同时记录时间，计算和上一时刻位移的改变量，依据时间-位置的对应关系分布绘制动态挠度-时间、位移-时间运动曲线，并在显示触控屏上显示；

6、储存各测量和计算结果，重复步骤直到测量过程结束。

本发明可以高效、准确地获得桥梁、建筑物、地面、公路的动态位移和挠度，应用于桥梁的静态、动态挠度/位移测量和监测、建筑物沉降、变形测量和监测、公路沉降监测、动态振动测量、无交流电供电，需要实时获取挠度/位移测量结果的野外测试环境。

Claims (5)

1.一种便携式动态挠度位移测量装置，其特征在于，包括：

激光投影单元、光信号采集处理单元，其中激光投影单元由激光功率控制电路、激光发射器和第一电池组成，激光功率控制电路、第一电池分别与激光发射器电连接；

光信号采集处理单元由光信号成像屏、镜头、CCD传感器、主板、显示触控屏、第二电池组成，光信号成像屏面对激光发射器，并与激光发射器同轴设置，光信号成像屏与CCD传感器平面平行并与镜头、CCD传感器中心轴同轴，光信号成像屏内面有激光刻度线，刻线间距2mm，光信号成像屏屏幕由半透明低形变有机材料构成；CCD传感器集成在Intel嵌入式平台架构的ATOM主板上；激光光斑在光信号成像屏成实像后，通过镜头在CCD传感器上成像，并转化为电信号以形成数字图像；第二电池直接连接到主板的电源输入接口；所述光信号采集处理单元为一体化设计，光信号成像屏、镜头、CCD传感器、主板、显示触控屏、第二电池统一安置在机箱内，光信号成像屏安装在机箱的前面，为可插拔紧固机构，显示触控屏固定在机箱背面；

显示触控屏采用液晶显示屏和尺寸匹配的四线电阻式触控屏重叠安装而成，液晶显示屏通过LVDS数字视频接口与主板的显示接口连接，四线电阻式触控屏用USB接口连接至主板；所述便携式动态挠度位移测量装置同时实现挠度/位移的二维测量，同时或分别绘制挠度/位移-时间曲线图显示。

2.根据权利要求1所述的便携式动态挠度位移测量装置，其特征在于：

所述激光投影单元固定在支架上，通过云台调节使激光在光信号采集处理单元的光信号成像屏的中央成像。

3.根据权利要求2所述的便携式动态挠度位移测量装置，其特征在于：

所述光信号成像屏的尺寸为挠度位移测量量程，其宽度与位移量程对应，高度与挠度量程对应。

4.根据权利要求2所述的便携式动态挠度位移测量装置，其特征在于：

所述光信号成像屏的尺寸为：高度300mm、宽度240mm。

5.一种使用权利要求1所述的便携式动态挠度位移测量装置进行的动态挠度位移测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

①选定挠度/位移测量基准点和挠度/位移测点，布设激光投影单元和光信号采集处理单元，将激光发射和控制部分通过支架固定在基准点；将光信号采集与处理部分放置在测试点；选择合适量程的光信号成像屏安装在机箱上，面对激光投射方向；所述光信号采集处理单元为一体化设计，光信号成像屏、镜头、CCD传感器、主板、显示触控屏、第二电池统一安置在机箱内，光信号成像屏安装在机箱的前面，为可插拔紧固机构，显示触控屏固定在机箱背面；

②开启激光发射器，根据测量范围调节输出功率，使光斑在光信号成像屏中央成像；激光光斑在光信号成像屏成实像后，通过镜头在CCD传感器上成像，并转化为电信号以形成数字图像；

③启动光信号采集处理部分，运行软件，通过显示触控屏设置测量范围、光信号成像屏尺寸、采样频率指标、测量精度指标，开启系统自适应预处理过程；

④软件通过捕获的光信号成像屏图像，对激光刻度线进行识别，得到像素值和实际间距的对应关系，并进行畸变矫正，获取矫正参数，并进入挠度/位移测量过程；

⑤测量软件计算每帧图像光斑的像素坐标并转换为物理坐标，同时记录时间，计算和上一时刻相比位移的改变量，依据时间-位置的对应关系分布绘制动态挠度-时间、位移-时间运动曲线，并在显示触控屏上显示；

⑥储存各测量和计算结果，重复步骤⑤直到测量过程结束。

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