CN102967263A - 一种桥梁挠度-转角一体化测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种桥梁挠度-转角一体化测量方法，在桥梁待测结构挠度测点处固定信号发射设备A，确保信号发射设备A的两个激光发射器的光路成一条直线沿桥梁纵向反向发射；在桥梁两岸静止参考点各固定一套信号采集设备B，并使信号发射设备A发出的激光能被信号采集设备B的接收屏接收；将两台信号采集设备B和计算机C连接；计算机C按照固定频率同步采集光斑数据进行光斑位移的计算处理。本发明所述的测量方法，将激光发射器对称布置在待测结构挠度测点处，解决了激光转角带来误差的问题，而且在一个测点同时测得了挠度和转角，激光发射器和待测部位固定连接，没有自由度，图像采集设备按固定频率采集激光光斑图像时可以进行动态测量。

Description

一种桥梁挠度-转角一体化测量方法

技术领域

本发明涉及桥梁检测及监测技术领域，具体说是一种桥梁挠度-转角一体化测量方法。尤指桥梁挠度-转角（挠度及转角）一体化动态测量方法。

背景技术

挠度是桥梁结构在强度、刚度、稳定性三大关键问题上都非常关注的重要参数，直接反映桥梁结构在运营状态中是否超出危险范围，所以，在评估一座桥梁的安全状况时，挠度至关重要。在挠度测量的需求下，国内外研究人员发展了许多挠度测量方法，激光测量就是其中一种。激光的准直性高，不易发散，可以实现远程测量，不少研究者开发了基于激光光斑识别的桥梁结构位移测试系统。但激光带来的一个问题就是它对转角的敏感，不管激光发射器是固定在桥梁结构上还是固定在远离结构的静止参考点上，激光发射器即使有一个微弱的转动，经过距离放大后也会带来很大的误差。

专利号为ZL200510020375.5，授权号为CN1297798C公开的“二维、大量程激光挠度/位移测量方法及装置”提出了一种固定激光的可变阻尼铰链结构，使桥梁发生转角时激光依然保持固定姿态，只有桥梁有挠度时激光发射器才上下移动。在桥梁进行荷载试验的静态或准静态过程中，这种激光固定方式可以实现对转角的回避，准确测量出挠度。但是，桥梁运营期会长期承受各类车辆冲击，长期处于一个动平衡，铰链的上摆杆会受到来自桥梁的冲击，而上下摆杆和球铰组成的系统是一个自由状态，这样的话上摆杆受到来自桥梁的冲击力后激光自身就会产生一个随机振动，导致测量失效。

专利号为ZL0810070076.6，授权号为CN101339003B公开的“大结构水平二维位移自动测量装置及方法”提出了利用重力作用将激光器用绳子悬吊来回避激光发射器对转角的敏感，这种方式可以对拉索体系的桥塔在水平面内的二维位移实现静态测量，但无法测量桥梁挠度。该方法同样是使激光处于一个自由状态，桥塔的动态位移难以传递。

专利号为ZL200920126826.7、专利号为ZL200920126829.0和专利号为ZL201020226330.X公开的内容也是利用激光测挠度，所采用办法是用弹簧连接或悬挂等方式来回避激光对转角的敏感。这种方式也是只能满足静态测量。

随着检测技术要求的不断提高，为进行一些频谱分析或损伤识别，科研及检测单位往往更加关注桥梁的动态参数。桥梁运营期在线检测或长期动态监测都需要对其挠度进行动态测量。总结上面现有专利技术，激光挠度测量最大的问题是直线激光对转角的敏感，而改进后的激光固定结构可以回避转角的影响但又难以实现动态测量。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种桥梁挠度-转角一体化测量方法，将激光发射器对称布置（对称反向布置）在待测结构挠度测点处，解决了激光转角带来误差的问题，而且在一个测点同时测得了挠度和转角，激光发射器和待测部位固定连接，没有自由度，图像采集设备按固定频率采集激光光斑图像时可以进行动态测量。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种桥梁挠度-转角一体化测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

在桥梁待测结构挠度测点处固定设置信号发射设备A，所述信号发射设备A包括：两个激光发射器2，两个激光发射器2通过夹持器1对称反向设置，通过夹持器1固定在桥梁待测部位，调整夹持器1确保两个激光发射器2的光路成一条直线沿桥梁纵向反向发射；

在桥梁两岸静止参考点各固定一套用于采集激光光斑的信号采集设备B，所述信号采集设备B包括：护罩4，其前端设有接收屏3，其后端设有作为图像采集设备的摄像机5，其下部设有支架6，调节支架6使信号发射设备A发出的激光能被接收屏3接收；

将两台信号采集设备B和计算机C连接且由计算机C同时控制；

计算机C按照某个固定频率同步采集并存储两台信号采集设备B采集的激光光斑图像数据，进行激光光斑位移的计算处理。

在上述技术方案的基础上，所述接收屏3由半透明毛玻璃制作。

在上述技术方案的基础上，摄像机5的镜头的中心线和接收屏3保持垂直。

在上述技术方案的基础上，所述激光光斑位移的计算处理包括以下步骤：

设桥梁在挠度测点同时发生了挠度w和转角θ，经过计算机C处理，第一台信号采集设备B测得光斑竖向移动距离是y₁，第二台信号采集设备B测得光斑竖向移动距离是y₁，挠度测点离第一台信号采集设备B的距离是l₁，离第二台信号采集设备B的距离是l₂，

则按下面的关系求得挠度w和转角的值θ：

$w=\frac{y_1{l}_2+y_2{l}_1}{l_1+l_2}$

$\mathrm{\θ}\≈\tan \mathrm{\θ}=\frac{y_2-y_1}{l_1+l_2}.$

在上述技术方案的基础上，计算机C通过重心法计算激光光斑在接收屏3上的竖向移动距离y，对于一个像素为M×N的摄像机，对应光斑在采集图片中的像素位置值Y，由下列公式确定：

$Y=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)\×j}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)}$

其中，f(i,j)表示该像素点的灰度值，i表示横向坐标值，j表示纵向坐标值；

为了精确反映光斑的实际位移还需要提前标定好每个像素所代表的实际距离，两台信号采集设备B是一样的，图片中像素和实际距离换算系数k值是恒定的，k＝h_标/H_标，h_标表示接收屏3的实际高度值，H_标表示接收屏在图像中高度；

结构没有承受荷载静止状态下，第一台信号采集设备B和第二台信号采集设备B通过重心法计算得到光斑中心竖直方向的像素位置分别为Y₁₀、Y₂₀，然后按公式y₁=(Y₁-Y₁₀)×k和y₂=(Y₂-Y₂₀)×k来计算光斑的位移值，Y₁、Y₂分别表示第一台和第二台信号采集设备B当前状态光斑中心竖直方向的像素位置。

本发明所述的桥梁挠度-转角一体化测量方法，通过在待测结构挠度测点处对称反向固定两个激光发射器，在桥梁两岸静止参考点各固定一套用于采集激光光斑的图像采集设备，用一台计算机同时控制两套图像采集设备，使两套图像采集设备保持同步按某固定频率采集激光光斑图像，由计算机计算出激光光斑在接收屏上的位置值，进而用两个激光光斑的位置同时推算出待测结构点的挠度和转角值，实现桥梁挠度-转角一体化动态测量。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

采用激光发射器对称布置，不仅解决了激光转角带来误差的问题，而且在一个测点同时测得了挠度和转角；

激光发射器和待测部位固定连接，没有自由度，图像采集设备按固定频率采集激光光斑图像时可以进行动态测量。

附图说明

本发明有如下附图：

图1是桥梁挠度-转角一体化测量装置的示意图。

图2是信号发射设备A示意图。

图3是信号采集设备B示意图。

图4是本发明一体化测量方法的原理示意图，其中，图4a表示测点同时发生挠度和转角变化后的激光光路情况，图4b表示测点发生转角变化的激光光路情况，图4c表示发生挠度变化的激光光路情况。

图5是本发明实施例所测得桥梁60km/h跑车试验时的测试曲线，其中，图5a为跨中测点动态挠度曲线，图5b为跨中测点动态转角曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明所述的桥梁挠度-转角一体化测量方法，包括以下步骤：

在桥梁待测结构挠度测点处固定设置信号发射设备A，如图2所示，所述信号发射设备A包括：两个激光发射器2，两个激光发射器2通过夹持器1对称反向设置，通过夹持器1固定在桥梁待测部位，调整夹持器1确保两个激光发射器2的光路成一条直线沿桥梁纵向反向发射；

在桥梁两岸静止参考点各固定一套用于采集激光光斑的信号采集设备B，例如在桥梁两头墩台静止参考点各设置有一台信号采集设备B，如图3所示，所述信号采集设备B包括：护罩4，其前端设有接收屏3，其后端设有作为图像采集设备的摄像机5，其下部设有支架6，调节支架6使信号发射设备A发出的激光能被接收屏3接收；

所述接收屏3由半透明毛玻璃制作，用来接收激光发射器2的光斑；

所述护罩4用于固定摄像机5和接收屏3的相对位置，且对摄像机5起保护作用；

所述摄像机5采集激光发射器2投射的光斑在接收屏3上成像后的图片，摄像机5的镜头的中心线和接收屏3保持垂直；

所述支架6用来固定护罩4；

将两台信号采集设备B和计算机C连接且由计算机C同时控制，计算机C通过数据线同时与两台信号采集设备B连接，对信号采集设备B传输过来的图像数据进行处理；

计算机C按照某个固定频率同步采集并存储两台信号采集设备B采集的激光光斑图像数据，进行激光光斑位移的计算处理。

在上述技术方案的基础上，所述激光光斑位移的计算处理包括以下步骤：

设桥梁在挠度测点同时发生了挠度w和转角θ，经过计算机C处理，第一台信号采集设备B测得光斑竖向移动距离是y₁，第二台信号采集设备B测得光斑竖向移动距离是y₂，挠度测点离第一台信号采集设备B的距离是l₁，离第二台信号采集设备B的距离是l₂，

则按下面的关系求得挠度w和转角的值θ：

$w=\frac{y_1{l}_2+y_2{l}_1}{l_1+l_2}$

$\mathrm{\θ}\≈\tan \mathrm{\θ}=\frac{y_2-y_1}{l_1+l_2}.$

在上述技术方案的基础上，计算机C通过重心法计算激光光斑在接收屏3上的竖向移动距离（竖向位移值）y，对于一个像素为M×N的摄像机，对应光斑在采集图片中的像素位置值Y，由下列公式确定：

$Y=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)\×j}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)}$

其中，f(i,j)表示该像素点的灰度值，i表示横向坐标值，j表示纵向坐标值；

为了精确反映光斑的实际位移还需要提前标定好每个像素所代表的实际距离，两台信号采集设备B是一样的，图片中像素和实际距离换算系数k值是恒定的，k＝h_标/H_标，h_标表示接收屏3的实际高度值，H_标表示接收屏在图像中高度；

结构没有承受荷载静止状态下，第一台信号采集设备B和第二台信号采集设备B通过重心法计算得到光斑中心竖直方向的像素位置分别为Y₁₀、Y₂₀，然后按公式y₁=(Y₁-Y₁₀)×k和y₂=(Y₂-Y₂₀)×k来计算光斑的位移值，Y₁、Y₂分别表示第一台和第二台信号采集设备B当前状态光斑中心竖直方向的像素位置。

以下为一实施例。

本实施例以某城市某一预应力混凝土跨江桥为例（主跨为80m）。

在该桥梁主跨中间测点上固定信号发射设备A，调试夹持器1使两个激光发射器2的光路成一条直线沿桥梁纵向朝两岸发射；在桥梁两头墩台静止参考点各设置有一台信号采集设备B，调节支架6使信号发射设备A发出的激光能被接收屏3接收；两台信号采集设备B和计算机C连接且由计算机C同时控制；计算机C能够按照固定频率8Hz同步采集并存储两台信号采集设备B采集的光斑图像数据；

通过重心法计算激光光斑在接收屏3上的竖向位移值y。摄像机5像素为1280×1024像素，为了精确反映光斑的实际位移需要提前标定好每个像素所代表的实际距离。两台信号采集设备B是一样的，图片中像素和实际距离换算系数k值是恒定的。k＝h_标/H_标，h标表示接收屏3的实际高度值，h＝800mm，H标表示接收屏在图像中高度，H＝1024pixels，所以k＝0.78mm/pixel。结构没有承受荷载静止状态下，第一台信号采集设备B和第二台信号采集设备B通过重心法计算得到光斑中心竖直方向的像素位置分别为Y₁₀=500.34，Y₂₀＝509.78。按公式y₁=(Y₁-Y₁₀)×k和y₂=(Y₂-Y₂₀)×k来计算光斑的位移值，Y₁、Y₂分别表示第一台和第二台信号采集设备B当前状态光斑中心竖直方向的像素位置。

本发明的原理如图4所示，图4a表示测点同时发生转角后的激光光路情况，它是由测点发生转角（图4b）和发生挠度(4c)的结果耦合而成。假设桥梁在挠度测点同时发生了挠度w和转角θ，经过计算机C处理，第一台信号采集设备B测得光斑竖向移动距离是y₁，第二台信号采集设备B测得光斑竖向移动距离是y₂，挠度测点离第一台信号采集设备B的距离是l₁，离第二台信号采集设备B的距离是l₂，那么挠度w和转角θ满足如下关系：

y₁=w-l₁tanθ  y₂=w+l₂tanθ

经过换算可以求得挠度w和转角θ为：

$w=\frac{y_1{l}_2+y_2{l}_1}{l_1+l_2}$

$\mathrm{\θ}\≈\tan \mathrm{\θ}=\frac{y_2-y_1}{l_1+l_2}.$

图5是该桥梁在两辆30t重的车辆并排以60km/h经过该桥梁时，用该方法测得的跨中测点的动态挠度曲线(5a)和动态转角曲线(5b)。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种桥梁挠度-转角一体化测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

在桥梁待测结构挠度测点处固定设置信号发射设备A，所述信号发射设备A包括：两个激光发射器（2），两个激光发射器（2）通过夹持器（1）对称反向设置，通过夹持器（1）固定在桥梁待测部位，调整夹持器（1）确保两个激光发射器（2）的光路成一条直线沿桥梁纵向反向发射；

在桥梁两岸静止参考点各固定一套用于采集激光光斑的信号采集设备B，所述信号采集设备B包括：护罩（4），其前端设有接收屏（3），其后端设有作为图像采集设备的摄像机（5），其下部设有支架（6），调节支架（6）使信号发射设备A发出的激光能被接收屏（3）接收；

将两台信号采集设备B和计算机C连接且由计算机C同时控制；

计算机C按照某个固定频率同步采集并存储两台信号采集设备B采集的激光光斑图像数据，进行激光光斑位移的计算处理。

2.如权利要求1所述的桥梁挠度-转角一体化测量方法，其特征在于：所述接收屏（3）由半透明毛玻璃制作。

3.如权利要求1所述的桥梁挠度-转角一体化测量方法，其特征在于：摄像机（5）的镜头的中心线和接收屏（3）保持垂直。

4.如权利要求1所述的桥梁挠度-转角一体化测量方法，其特征在于，所述激光光斑位移的计算处理包括以下步骤：

设桥梁在挠度测点同时发生了挠度w和转角θ，经过计算机C处理，第一台信号采集设备B测得光斑竖向移动距离是y₁，第二台信号采集设备B测得光斑竖向移动距离是y₂，挠度测点离第一台信号采集设备B的距离是l₁，离第二台信号采集设备B的距离是l₂，

则按下面的关系求得挠度w和转角的值θ：

$w=\frac{y_1{l}_2+y_2{l}_1}{l_1+l_2}$

$\mathrm{\θ}\≈\tan \mathrm{\θ}=\frac{y_2-y_1}{l_1+l_2}.$

5.如权利要求4所述的桥梁挠度-转角一体化测量方法，其特征在于：计算机C通过重心法计算激光光斑在接收屏（3）上的竖向移动距离y，对于一个像素为M×N的摄像机，对应光斑在采集图片中的像素位置值Y，由下列公式确定：

$Y=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)\×j}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)}$

其中，f(i,j)表示该像素点的灰度值，i表示横向坐标值，j表示纵向坐标值；

为了精确反映光斑的实际位移还需要提前标定好每个像素所代表的实际距离，两台信号采集设备B是一样的，图片中像素和实际距离换算系数k值是恒定的，k＝h_标/H_标，h_标表示接收屏（3）的实际高度值，H_标表示接收屏在图像中高度；

结构没有承受荷载静止状态下，第一台信号采集设备B和第二台信号采集设备B通过重心法计算得到光斑中心竖直方向的像素位置分别为Y₁₀、Y₂₀，然后按公式y₁=(Y₁-Y₁₀)×k和y₂=(Y₂-Y₂₀)×k来计算光斑的位移值，Y₁、Y₂分别表示第一台和第二台信号采集设备B当前状态光斑中心竖直方向的像素位置。

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