CN102359966A

CN102359966A - 一种混凝土表面微小裂缝的定位系统

Info

Publication number: CN102359966A
Application number: CN2011102144916A
Authority: CN
Inventors: 雷冬; 乔丕忠; 薛荣军; 王克峰
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2012-02-22

Abstract

本发明公开了一种混凝土表面微小裂缝的定位系统，包括图像采集装置、计算机DSP系统、显示器；其中图像采集装置用来采集混凝土样品表面的实时应变图像，依次将应变前、应变后的数字图片信号输出至计算机DSP系统；计算机DSP系统对接收的应变前、应变后的数字图片信号进行相关性分析，计算出应变后图像中的各像素点相对于应变前图像的位移，获得带有定位微小裂缝位置的数字图像信号；显示器包括一数模转换器，通过数模转换器将接收到的带有定位微小裂缝位置的数字图像信号转换成模拟图像信号，并实时显示出裂缝所在的准确位置。本发明可识别出混凝土表面的微小裂缝，并且与样品非接触、对样品无损伤，具有精度高、操作简单、高效率等优点。

Description

一种混凝土表面微小裂缝的定位系统

技术领域

本发明涉及混凝土构件表面裂缝的检测定位仪器，尤其是涉及一种对于混凝土构件表面肉眼无法识别的微小裂缝的检测定位装置。

背景技术

混凝土材料的开裂破坏是导致建筑物结构破坏的根本原因之一，而混凝土裂缝的萌生和扩展一般发生在结构表面，体现为表面材料出现局部的不连续性。如果可以通过一些措施与技术，提前预测出混凝土开裂的位置，并及时采取相应的修补或防护措施对裂缝进行处理，将使得国民经济和人民生命财产得到更有效的保障。目前对于混凝土结构裂缝检测的手段非常有限，最常见的手段是超声探测技术，该技术一般用来检测肉眼已经分辨出的裂缝，利用超声波的传输特性测量裂缝的深度和宽度来判断裂缝的危害性。这种方法测量精度有限，难以识别小裂纹，更不能自动去识别裂缝存在的区域。当然，理论上是可以通过读数显微镜去检测肉眼无法识别的微小裂缝并量测其宽度，但是如果不知道裂缝产生的位置，这种方法使用起来是非常困难的。

因为裂缝位置的不确定性，传统的单点应变测量方法（如应变片，应变传感器）是难以实现微小裂缝大范围的测量定位。通过前期研究发现，存在表面裂缝和不存在表面裂缝的混凝土结构，在受到外部荷载（未达到破坏水平）作用时，其应变场会呈现出显著区别：没有裂缝的混凝土结构，其表面应变场是连续的，并且应变量水平不高；对于存在表面裂缝的混凝土结构，其裂缝所在的局部区域，会因为裂缝在外部荷载作用下的张开（或闭合），而产生非常大的虚拟应变（即包含裂缝变形的局部应变）。因此，通过对应变场的测量可以实现对表面裂缝的检测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对传统混凝土裂缝定位测量精度有限，难以识别小裂纹，不能大范围测量，更不能自动去识别裂缝存在的区域等缺陷，提供一种混凝土表面微小裂缝的定位系统，采用现代光测力学技术并结合相关计算机技术来实现微小裂缝大范围的精确测量定位。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种混凝土表面微小裂缝的定位系统，包括图像采集装置、计算机DSP系统、显示器；其中：

所述图像采集装置用来采集混凝土样品表面的实时应变图像，依次将应变前、应变后的数字图片信号输出至计算机DSP系统；

计算机DSP系统对接收的应变前、应变后的数字图片信号进行相关性分析，采用三次曲面拟合法计算出应变后图像中的各子区域相对于应变前图像的位移，然后采用局部最小二乘法计算得到应变场，获得带有定位微小裂缝位置的数字图像信号；

显示器包括一数模转换器，通过数模转换器将接收到的带有定位微小裂缝位置的数字图像信号转换成模拟图像信号，并实时显示出裂缝所在的准确位置。

进一步的，本发明的一种混凝土表面微小裂缝的定位系统，还包括与计算机DSP系统相连接的外围电路，所述外围电路包括：复位电路、时钟电路、存储电路、按键电路以及电源转换电路；其中：

所述复位电路用于提供复位信号；

所述时钟电路用于控制图像采集装置采集图像的时间间隔；

所述存储电路由SDRAM以及FLASH ROM闪存组成，SDRAM用于存储图像数据，FLASH ROM闪存用于存放系统程序；

所述按键电路用于向计算机DSP系统输入控制命令及设置时钟电路的参数；

所述电源转换电路用于将输入电压转换为工作电压。

进一步的，本发明的一种混凝土表面微小裂缝的定位系统，所述图像采集装置包括支撑架、CCD相机，通过调节支撑架的高度和角度确定CCD相机的图像采集范围。

进一步的，本发明的一种混凝土表面微小裂缝的定位系统，还包括补充光源，所述补充光源采用现场照明装置。　　

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

首先，与传统超声波探测技术只能检测定位肉眼可识别裂缝的装置相比，本发明可以检测定位肉眼无法识别的微小裂缝。

其次，与传统技术逐条检测相比，本发明可以通过一次测量，就可以识别出三维最大尺寸为10米范围的样品表面所有宽度大于10微米的小裂缝。

最后，与传统技术相比，本发明具有与样品非接触、对样品无损伤等优点。

附图说明

图1为本发明的工作原理图。

图2为本发明的DSP系统与外围电路连接的示意图。

图3是本发明的定位系统的工作流程图。

图中标号解释：1—CCD相机，2—支撑架，3—补充光源，4—计算机DSP系统，5—显示器，6—外围电路，7—图像采集范围，8—复位电路，9—时钟电路，10—存储电路，11—按键电路，12—电源转换电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，一种混凝土表面微小裂缝的检测定位系统，它包括：CCD相机1、支撑架2、补充光源3、DSP系统4、显示器5以及外围电路6。

支撑架2用来放置CCD相机1，通过调节支撑架2的高度和角度确定CCD相机的图像采集范围7。

CCD相机1用来采集带有散斑（随机密布的微小标记点）的混凝土表面的实时应变图像，输出数字图片信号。若待测混凝土样品表面近似平面，所述图像采集系统为一台分辨率大于500万像素的CCD相机；若待测混凝土样品表面不为近似平面，图像采集系统为两台分辨率大于500万像素的CCD相机，将两台CCD相机采集的图像通过视觉图像算法获得三维曲面图像，然后输入计算机DSP系统。

补充光源3打到混凝土构件上，使得摄像头采集的图像效果达到最优。

计算机DSP系统4获得摄像机输出的应变前、后混凝土样品表面的数字图像信号，对数字图片进行处理，通过将应变后与应变前的数字图像相关匹配来分析混凝土样品表面变形前后的图像，通过变形前后的相关性分析得到变形场，再在此基础上通过局部最小二乘法计算得到应变场，通过对应变场的处理分析，进而确定微小裂缝所在的位置，然后将带有定位微小裂缝位置的数字图像信号传给显示器5，具体处理过程在下文中具体举例说明。

显示器5将接收到的带有定位微小裂缝位置的数字图像信号，通过数模转换器得到模拟图像信号，并在在显示器5上实时显示裂缝所在的准确位置。

外围电路6对整个装置起到控制作用，并配合DSP系统4完成数据的采集和处理。

如图2所示，外围电路6包括：复位电路8、时钟电路9、存储电路10、按键电路11以及电源转换电路12。

复位电路8提供复位信号，当按下复位按键时整个定位装置进行初始化；时钟电路9用于控制装置图像采集的时间间隔；存储器电路10由SDRAM以及FLASH ROM闪存组成，SDRAM用于存储图像数据，FLASH ROM闪存用于存放系统程序,其数据的读入和写出受DSP系统控制；按键电路11用于接收人为命令，使仪器强制执行相应的人为命令；电源转换电路12用于将输入电压转换为工作电压。

在使用时，先接通所有电路，通过控制按键电路11启动电源转换电路12获取工作电压，并载入存储器电路10内FLASH ROM闪存存放的系统程序，整个系统进行开机初始化，若操作过程中启动了复位电路8并按下复位按键时整个定位装置进行操作中的初始化过程。时钟电路9根据按键电路11设定的装置图像采集的时间间隔向DSP系统4定时发送指令，DSP系统4接收到命令后通过摄像头1获取数字图像信号，并进行分析处理，最终输出显示器5带有裂缝位置的数字图像信号，显示器5对带有裂缝位置的数字图像信号进行数模转换，最终在显示器上呈现。

计算机DSP系统的工作原理：

本发明的计算机DSP系统的主要原理是根据对于存在表面裂缝的混凝土结构，其裂缝所在的局部区域，会因为裂缝在外部荷载作用下的张开（或闭合），而产生非常大的虚拟应变，即应变场的奇异性来定位裂缝所在位置。

如图3所示，具体实施步骤举例如下：

步骤A：对待测混凝土样品进行表面处理，去除非结构附着物，使得待测混凝土样品的表面简单平整；

步骤B：当测试现场光线不足时，在测试现场布置现场照明装置；

步骤C：通过图像采集装置采集待测混凝土样品表面参考图像；

步骤D：采用加载装置对待测混凝土样品施加平行于其表面的、不小于混凝土材料破坏强度10%的载荷，并且保持到步骤E完成；

步骤E：通过图像采集装置采集施加载荷后的混凝土样品表面目标图像；

步骤F：对步骤C采集到的混凝土样品表面参考图像、步骤E采集到的混凝土样品目标图像发送到计算机DSP系统进行相关性分析，获得目标图像中的各子区域相对于参考图像的位移；

步骤G：根据步骤F得到的目标图像中各子区域的相对位移，用局部最小二乘方法分别计算出目标图像中各子区域的局部应变值，局部应变值超过800-1200微应变的区域，即为微小裂缝的位置。

步骤F中所述的相关性分析方法是基于数字图像相关技术，通过对两幅数字图像进行相关匹配。匹配原理是：通过以下公式分别计算目标图像中某个子区域与参考图像中所有子区域的相关系数：

其中：C为相关系数；

Figure 2011102144916100002DEST_PATH_IMAGE002

为参考图上坐标为

Figure 2011102144916100002DEST_PATH_IMAGE003

点的灰度；

Figure 2011102144916100002DEST_PATH_IMAGE004

为参考图子区域的平均灰度；

Figure 2011102144916100002DEST_PATH_IMAGE005

为目标图上坐标为

Figure 2011102144916100002DEST_PATH_IMAGE006

点的灰度；

为目标图子区域的平均灰度。

当相关系数C=1时，表示两幅子区域完全相同。但是因为变形，一般不可能完全相同，所以将与目标图像中该子区域的相关系数C的最大值所对应的参考图像的子区域进行匹配。对变形前后两幅图像计算区域内的所有子区域进行相关匹配后，就可以获得这些点在变形前后空间几何位置的变化，即获得计算区域的位移场分布，采用相关系数的三次曲面拟合法来达到亚像素的位移测量精度。最后采用局部最小二乘方法计算应变场。可以采用计算机自动识别该应变场分布的特征，判断奇异区域，从而判断裂缝所在位置。

Claims

1.一种混凝土表面微小裂缝的定位系统，其特征在于：包括图像采集装置、计算机DSP系统、显示器；其中：

2.根据权利要求1所述的一种混凝土表面微小裂缝的定位系统，其特征在于：还包括与计算机DSP系统相连接的外围电路，所述外围电路包括：复位电路、时钟电路、存储电路、按键电路以及电源转换电路；其中：

所述复位电路用于提供复位信号；

所述时钟电路用于控制图像采集装置采集图像的时间间隔；

所述电源转换电路用于将输入电压转换为工作电压。

3.根据权利要求1所述的一种混凝土表面微小裂缝的定位系统，其特征在于：所述图像采集装置包括支撑架、CCD相机，通过调节支撑架的高度和角度确定CCD相机的图像采集范围。

4.根据权利要求1所述的一种混凝土表面微小裂缝的定位系统，其特征在于：还包括补充光源，所述补充光源采用现场照明装置。