CN103017672A

CN103017672A - 用于桥梁结构的非接触无损检测方法

Info

Publication number: CN103017672A
Application number: CN2012105192009A
Authority: CN
Inventors: 汪正兴; 王翔; 王波; 荆国强; 刘鹏飞; 柴小鹏; 方华兵; 崔清强; 高阳; 赵建; 潘立泉; 李荣庆
Original assignee: China Railway Major Bridge Engineering Group Co Ltd MBEC
Current assignee: Bridge Science Research Institute Ltd of MBEC; China Railway Major Bridge Engineering Group Co Ltd MBEC
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明公开了一种用于桥梁结构的非接触无损检测方法，包括以下步骤：在桥梁结构上确定检测部位，固定拍摄装置，在工程结构承受不同载荷时获取所述检测部位的参考灰度图像和目标灰度图像；在参考灰度图像中确定一个参考模块和其中心像素点，然后通过相关函数，遍历整个目标灰度图像搜索确定目标模块，当相关函数的相关系数最小时，确定目标模块及其中心像素点，从而得出参考模块中心像素点的像素距离，再将像素距离转换为实际位移。本发明提供的用于桥梁结构的非接触无损检测方法，实现了工程结构的非接触无损检测，不会对结构产生损伤，节省了人力物力。

Description

用于桥梁结构的非接触无损检测方法

技术领域

本发明涉及检测方法，具体涉及用于桥梁结构的非接触无损检测方法。

背景技术

桥梁等大型工程结构形变的测量一直是其施工与运营安全过程中一个十分重要和关键的工作，工程施工质量的控制和后期运营状态的好坏评估都是通过对结构的形变参数测量得以实现的。一个科学可靠的测量手段不仅可以使得工程的质量得以保证，而且会给工程技术人员带来方便，节省人力和经济成本。

随着科学技术的不断发展，工程结构的检测技术及产品也不断丰富，如现在常用的有水准仪、全站仪、百分表、连通管、GPS、激光测量等，它们基本都是基于接触式的测量，需要在测点布置设备，有的还需要在测点用螺栓、焊接等方式安装固定传感器，这本身就对结构产生了损伤。接触式测量每次只能测一个测点，技术人员需要在工程结构上攀爬来布置测点，这需要耗费大量人力物力，而且涉及到人员安全。大型铁路或高速公路桥梁结构运营期线路都是封锁的，除车辆外其余人员不得在线行走，也就是技术人员不能随意在线检测。遇到情况需要检测的话需要提交申请报告由相关部分层层审批，手续繁琐，也耗费时间，有的较大规模的检测还会中断交通，这给日常运输必定带来不便，也给国民经济带来一定的损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决现有桥梁结构无法非接触无损检测的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种用于桥梁结构的非接触无损检测方法，包括以下步骤：

在桥梁结构上确定检测部位，固定拍摄装置，在工程结构承受不同载荷时获取所述检测部位的参考灰度图像和目标灰度图像；

在所述参考灰度图像上确定一个要检测其位移的像素点(x,y)，所述像素点（x,y）的灰度值为f(x,y)，以所述像素点(x,y)为中心选取一个像素大小为(2M+1)×(2M+1)的参考模块，M在所述参考模块不超过所述参考灰度图像边界的范围内可以任意取值；

在所述目标灰度图像中任意选取一个大小同为(2M+1)×(2M+1)的目标模块，设所述目标模块中心像素点的坐标为(x’,y’)，所述像素点(x’,y’)的灰度值为g(x’,y’)；

根据以下相关函数作相关计算，在所述目标灰度图像上搜索所述目标模块，从而确定像素点(x’,y’)的坐标：

C_{f, g} = Σ_{x = - M}^{M} Σ_{y = - M}^{M} {[\frac{f (x, y) - f_{m}}{\sqrt{Σ_{x = - M}^{M} Σ_{y = - M}^{M} {[f (x, y) - f_{m}]}^{2}}} - \frac{g (x^{'}, y^{'}) - g_{m}}{\sqrt{Σ_{x = - M}^{M} Σ_{y = - M}^{M} {[g (x^{'}, y^{'}) - g_{m}]}^{2}}}]}^{2}

f_m为所述参考模块区域中灰度的平均值，g_m为所述目标模块区域中灰度的平均值，遍历整个所述目标灰度图像后，当相关系数C_f，g取最小值时，即可以确定所述目标模块，所述像素点(x’,y’)即可视为所述像素点（x,y）在所述目标灰度图像上的坐标，所述像素点（x,y）的位移即为像素距离W=(x’-x,y’-y)；

将所述像素距离W转换为实际位移w：通过工程设计图纸可以确定所述待测部位的区域中两点之间的实际距离为h，所述参考图片中该尺寸的像素距离为H，标定参数k=h/H，所述标定参数的单位为mm/pixel，所述像素距离W乘以标定参数k即可得到实际位移w，w=k×W；

依次重复，可以算得全部像素点的实际位移，进而得出所述检测部位的结构形变。

在上述用于桥梁结构的非接触无损检测方法中，所述拍摄装置为长焦镜头和CCD图像传感器且固定于支架上，拍摄时所述长焦镜头的轴线和所述检测部位表面法线的夹角为0°～10°，所述CCD图像传感器与计算机连接，所述长焦镜头拍摄参考图片和目标图片后，所述CCD图像传感器将其分别转换为所述参考灰度图像和目标灰度图像，所述相关函数的计算在所述计算机上完成。

本发明提供的用于桥梁结构的非接触无损检测方法，通过采集检测部位表面的参考灰度图像和目标灰度图像，并在参考灰度图像中确定一个参考模块和其中心像素点，然后通过相关函数在目标灰度图像中搜索确定目标模块，从而得出中心像素点的位移，也就是计算目标状态相对于参考状态结构发生的位移场，实现工程结构的非接触无损检测。

附图说明

图1为本发明提供的桥梁结构非接触无损检测方法的示意图；

图2为本发明提供的桥梁结构非接触无损检测装置的结构示意图；

图3为本实施方式中检测部位的横向位移示意图；

图4为本实施方式中检测部位的纵向位移示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进一步说明。

如图2所示，本发明提供的桥梁结构非接触无损检测的装置主要由计算机1、长焦镜头2、CCD3和支架4组成。长焦镜头2对结构待测部位进行远距离成像，CCD3和长焦镜头2连接并对成像后的图片进行记录，支架4和长焦镜头2连接起到固定支撑作用；计算机1通过数据线与CCD3连接，对CCD3传输过来的图像进行计算分析同时给CCD3提供电源。

再参见图1，本实施例以某城市外环线跨江悬索桥桥塔偏位检测为例，该桥桥塔为钢筋混凝土结构。根据检测部位和工程结构现场情况将支架4固定在江岸与桥梁垂直距离500m的地方，在测量地点固定好长焦镜头2和CCD3，长焦镜头2的轴线和塔柱顶部侧面表面法线的夹角保持在5°左右；计算机1和CCD3连接好，开启CCD3的控制软件实时显示塔柱顶部侧面的图像，调节焦距使图像质量达到清晰状态；在桥梁上没有车辆时采集塔柱顶部侧面的一张图片作为参考图片，接着采集一张有车辆荷载经过时的图片作为目标图片；接着把采集到的图片都转换成相应的灰度图像；

计算参考灰度图片中像素点(x,y)位移的方法如下：

以(x,y)为中心取一个像素大小为(2M+1)×(2M+1)的参考模块，M在模块不超过参考灰度图像边界的范围内选取，M值越大，目标就计算越精确，但同时也会带来数据计算量的增加，本实施方式中M值取2，即参考模块的像素大小为41×41。

在目标灰度图像中任意选取一个同样大小的目标模块来和参考模块做相关计算，设目标模块中心像素点的坐标为(x’,y’)，像素点(x’,y’)的灰度值为g(x’,y’)，根据以下相关函数作相关计算：

C_{f, g} = Σ_{x = - M}^{M} Σ_{y = - M}^{M} {[\frac{f (x, y) - f_{m}}{\sqrt{Σ_{x = - M}^{M} Σ_{y = - M}^{M} {[f (x, y) - f_{m}]}^{2}}} - \frac{g (x^{'}, y^{'}) - g_{m}}{\sqrt{Σ_{x = - M}^{M} Σ_{y = - M}^{M} {[g (x^{'}, y^{'}) - g_{m}]}^{2}}}]}^{2}

其中，f_m为参考模块区域中灰度的平均值，g_m为目标模块区域中灰度的平均值，C_f，g为相关系数。遍历整个目标灰度图片搜索目标模块，当相关系数C_f，g最小时就认为目标模块的中心像素点(x’,y’)为位移后的像素点（x,y），像素点（x,y）的位移即为像素距离W=(x’-x,y’-y)，相关函数的计算在计算机1上完成；

通过工程设计图纸可以预先知道检测部位区域某构件中两点之间实际距离为h=1.5m，参考图片中该两点之间的像素距离为H=980pixels，标定参数k=h/H=1.53mm/pixel,像素距离W乘以标定参数k就可以得到实际位移w，即w=k×W；依次重复，可以算得全部像素点的实际位移，进而得出检测部位的结构形变。

计算得到检测部位的全场位移如图3、图4所示，图3是横向位移，也就是桥塔顶部向桥中间水平偏位，图4是纵向位移，也就是桥塔顶部在重力方向的位移。

本发明提供了一种用于桥梁结构的非接触无损检测方法，通过长焦镜头和CCD结合在固定参考点采集待测结构表面的图片，然后把采集的图片转换成灰度图像，然后通过图像灰度识别算法，计算每张图片相对于参考图片所发生的位移场，也就是计算目标状态相对于参考状态结构发生的位移场，实现工程结构的非接触无损检测。该方法较适合检测表面有颜色深浅随机分布的结构，比如混凝土表面。

本发明提供的用于桥梁结构的非接触无损检测方法是一种非接触式的测量，不需要在测点布置设备，不会对结构产生损伤；可以一次检测多个测点，节省了大量人力物力，保证了测量安全，而且测量时不会影响桥梁的正常使用。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.用于桥梁结构的非接触无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

C_{f, g} = Σ_{x = - M}^{M} Σ_{y = - M}^{M} {[\frac{f (x, y) - f_{m}}{\sqrt{Σ_{x = - M}^{M} Σ_{y = - M}^{M} {[f (x, y) - f_{m}]}^{2}}} - \frac{g (x^{'}, y^{'}) - g_{m}}{\sqrt{Σ_{x = - M}^{M} Σ_{y = - M}^{M} {[g (x^{'}, y^{'}) - g_{m}]}^{2}}}]}^{2}

2.如权利要求1所述的用于桥梁结构的非接触无损检测方法，其特征在于，所述拍摄装置为长焦镜头和CCD图像传感器且固定于支架上，拍摄时所述长焦镜头的轴线和所述检测部位表面法线的夹角为0°～10°，所述CCD图像传感器与计算机连接，所述长焦镜头拍摄参考图片和目标图片后，所述CCD图像传感器将其分别转换为所述参考灰度图像和目标灰度图像，所述相关函数的计算在所述计算机上完成。