CN104613891A - 一种桥梁挠度检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种桥梁监测技术领域，尤其涉及一种桥梁挠度检测系统及检测方法。包括复数个检测靶，图像采集装置，固定设置于待检测桥梁底部，用以采集第一检测靶、第二检测靶的位置信息；并形成一数据信息组输出；计算单元，连接图像采集装置，用以接收数据信息，并计算桥梁的挠度；通讯单元，分别连接计算单元、远程监控端，用以接收挠度，并发送至远程监控端。与现有技术相比，本发明的优点是：该检测系统安装于桥梁下部，通过位于对角线四个端点处LED灯获取检测靶的中心位置进而计算出桥梁挠度，因此监测不受天气影响，即使桥梁下部的光线较暗，该检测系统仍然可以实时计算桥梁挠度，抗干扰能力较强。

Description

一种桥梁挠度检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及一种桥梁监测技术领域，尤其涉及一种桥梁挠度检测系统及检测方法。

背景技术

桥梁的挠度是指梁体上某一横截面处的形心在垂直于轴的方向发生的纵向线位移的大小。当车辆等外力作用与桥梁时，桥梁会产生一个垂直方向的形变，即挠度。通常，桥梁的挠度被严格控制在允许范围。并且，但荷载消失后挠度应该随之消失。一旦桥梁的挠度超过允许范围，或者遭受外力后无法恢复到原有的位置时，即可判断桥梁存在安全隐患。因此，挠度是评价桥梁安全性的重要指标，被广泛应用于桥梁结构安全性评估。

近年，由于超重车等原因造成桥梁垮塌的恶性事故层出不穷。如果实现对现有桥梁挠度进行长期自动监测，就有可能及时发现问题避免这样的恶性事故。

传统的桥梁挠度测量大都采用百分表或位移计直接测量，当前在我国桥梁维护、旧桥安全评估或新桥验收中仍广泛应用。但是该方法需要在各个测点拉钢丝或者搭设架子，所以桥下有水时无法进行直接测量；对跨线桥，由于受铁路或公路行车限界的影响，该方法也无法使用；跨越峡谷等的高桥也无法采用直接方法进行测量。

近年，也出现了采用激光技术和数字相机技术进行桥梁挠度测量的方法。采用激光技术检测挠度是在桥梁一侧固定的地方安置激光发生器，发射激光至桥梁侧面上设置的PSD靶上，测量该梁体的挠度。采用数字相机技术检测挠度是在桥梁一侧固定的地方安置数字相机，拍摄桥梁侧面上设置的靶的图像，测量该梁体的挠度。这两种方法同样存在着适用场合非常有限的问题：一、只能监测桥梁侧面部位的挠度，而桥梁中间部位的挠度无法检测；二、安置的激光发生器，数字相机的固定点易受人为干扰；三、易受天气条件的影响，雨天，雪天难以使用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种可长时间实施检测，且抗干扰能力强的桥梁挠度检测系统及检测方法。

一种桥梁挠度检测系统，其中，包括

复数个检测靶，所述检测靶至少包括第一检测靶、第二检测靶；所述第一检测靶，固定设置于待检测桥梁的第一桥墩上，所述第二检测靶，固定设置于待检测桥梁的第二桥墩上；

图像采集装置，固定设置于所述待检测桥梁底部，用以采集所述第一检测靶、所述第二检测靶的位置信息；并形成一数据信息组输出；

计算单元，连接所述图像采集装置，用以接收所述数据信息，并计算所述桥梁的挠度；

通讯单元，分别连接所述计算单元、远程监控端，用以接收所述挠度，并发送至所述远程监控端。

上述的桥梁挠度检测系统，其中，所述图像采集装置包括固定底板、第一工业相机、第二工业相机、角度调节装置；

所述固定底板固定设置于所述桥梁底部，

所述第一工业相机通过所述角度调节装置朝向所述第一检测靶连接所述固定底板；

所述第二工业相机通过所述角度调节装置朝向所述第二检测靶连接所述固定底板；

所述角度调节装置用于分别调节所述第一工业相机与所述桥梁之间的第一夹角、所述第二工业相机与所述桥梁之间的第二夹角的角度。

上述的桥梁挠度检测系统，其中，所述第一检测靶主要由一底板和LED灯形成，所述LED灯沿对角线方向设置于所述底板的四端，所述第二检测靶与所述第一检测靶完全相同。

上述的桥梁挠度检测系统，其中，所述图像采集装置通过所述第一检测靶中的四个所述LED灯的位置信息获取第一检测靶中心初始位置图像信息。

上述的桥梁挠度检测系统，其中，所述图像采集装置通过所述第二检测靶中的四个所述LED灯的位置信息获取第二检测靶中心初始位置图像信息。

一种桥梁挠度检测方法，其中，还包括如下步骤：

步骤1、控制所述第一工业相机采集第一检测靶的第一中心初始位置图像信息、所述第二工业相机采集第二检测靶的第二中心初始位置图像信息；

所述第一中心初始位置图像信息为于所述桥梁静止状态下所述第一检测靶位于所述第一工业相机采集图像中的位置信息；

所述第二中心初始位置图像信息为于所述桥梁静止状态下所述第二检测靶位于所述第二工业相机采集图像中的位置信息；

步骤2、于所述桥梁受压时，控制所述第一工业相机采集第一检测靶的第一中心位置的图像信息、所述第二工业相机采集第二检测靶的第二中心位置的图像信息；

所述第一中心位置的图像信息为于所述桥梁受压状态下所述第一检测靶位于所述第一工业相机采集图像中的位置信息；

所述第二中心位置的图像信息为于所述桥梁受压状态下所述第二检测靶位于所述第二工业相机采集图像中的位置信息；

步骤3、控制计算单元根据所述第一中心初始位置图像信息、所述第二中心初始位置图像信息、所述第一中心位置的图像信息、所述第二中心位置的图像信息，分别计算得到第一中心位置偏移量和第二中心位置偏移量；

步骤4、根据所述第一中心位置偏移量和所述第二中心位置偏移量计算得到所述挠度。

上述的桥梁挠度检测方法，其中，所述计算单元采用霍夫变换通过所述第一中心初始位置图像信息、所述第一中心位置的图像信息，获取所述第一中心初始位置、第一中心位置；

采用霍夫变换通过第二中心初始位置图像信息、所述第二中心位置的图像信息获取第二中心初始位置、第二中心位置。

上述的桥梁挠度检测方法，其中，所述步骤3中，按照下述公式计算得到所述第一中心位置偏移量：

x＝z+l₁*tan(θ₁+α)-l₁*tan(θ₁)

所述步骤3中，按照下述公式计算得到所述第二中心位置偏移量：

y＝z+l₂*tan(θ₂-α)-l₂*tan(θ₂)

其中，

x为第一中心位置的偏移量，y为第二中心位置的偏移量，z为挠度；

θ₁为所述第一工业相机与所述桥梁之间的第一夹角，θ₂为所述第二工业相机与所述桥梁之间的第二夹角的角度；

α为挠度发生时，由于桥梁上部荷载的不对称原因，导致所述固定底板轴线与水平方向产生一个转动角度，l₁为所述第一工业相机至所述第一检测靶的距离，l₂为第二工业相机至所述第二检测靶的距离。

上述的桥梁挠度检测方法，其中，所述步骤4中，按照下述公式计算得到所述挠度为：

$z=\frac{y*l_1+x*l_2}{l_1+l_2}$

其中，

x为第一中心位置的偏移量，y为第二中心位置的偏移量，z为挠度；

l₁为所述第一工业相机至所述第一检测靶的距离，l₂为第二工业相机至所述第二检测靶的距离。

与现有技术相比，本发明的优点是：该检测系统安装于桥梁下部，通过位于对角线四个端点处LED灯获取检测靶的中心位置进而计算出桥梁挠度，因此监测不受天气影响，即使桥梁下部的光线较暗，该检测系统仍然可以实时计算桥梁挠度，抗干扰能力较强，该检测系统可用于对跨径10-100米中小桥梁的365天24小时长期自动的挠度监测，且该检测系统可安装于桥梁的任意位置处，对桥梁进行挠度的全部检测，同时也可适用于跨线桥，跨越峡谷的高桥的挠度测量。

附图说明

图1为一种桥梁挠度检测系统的连接方框图，

图2为一种桥梁挠度检测系统的结构示意图；

图3为一种桥梁挠度检测系统的图像采集装置的结构示意图；

图4为一种桥梁挠度检测方法的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1、图2所示，一种桥梁挠度检测系统，包括

复数个检测靶，所述检测靶至少包括第一检测靶1、第二检测靶2；所述第一检测靶1，固定设置于待检测桥梁的第一桥墩上，所述第二检测靶2，固定设置于待检测桥梁的第二桥墩上；

图像采集装置3，固定设置于所述待检测桥梁底部，用以采集所述第一检测靶1、所述第二检测靶2的位置信息；并形成一数据信息组输出；

计算单元4，连接所述图像采集装置3，用以接收所述数据信息，并计算所述桥梁的挠度；

通讯单元，分别连接所述计算单元4、远程监控端，用以接收所述挠度，并发送至所述远程监控端。

本发明的工作原理为：图像采集装置3采集所述第一检测靶1、第二检测靶2的状态信息；并形成一数据信息输出至计算单元4，计算单元4计算得到桥梁的挠度，并将计算结果通过通讯模块发送至远程控制端。该检测系统安装于桥梁下部，因此监测不受天气影响，抗干扰能力较强，该检测系统可用于对跨径10-100米中小桥梁的365天24小时长期自动的挠度监测，且该检测系统可安装于桥梁的任意位置处，对桥梁进行挠度的全部检测，同时也可适用于跨线桥，跨越峡谷等的高桥的挠度测量。

作为进一步优选实施方案，如图3所示所述图像采集装置3包括固定底板33、第一工业相机31、第二工业相机32、角度调节装置34；所述固定底板33固定设置于所述桥梁底部，所述第一工业相机31通过所述角度调节装置34朝向所述第一检测靶1连接所述固定底板33；所述第二工业相机32通过所述角度调节装置34朝向所述第二检测靶2连接所述固定底板33；所述角度调节装置34用于分别调节所述第一工业相机31与所述桥梁之间的第一夹角、所述第二工业相机32与所述桥梁之间的第二夹角的角度。设置有角度调节装置，方便调节第一工业相机31对第一检测靶1的角度、第二工业相机32对第二检测靶2的角度，用于获取最佳的图像信息采集。

作为进一步优选实施方案，进一步地，所述第一检测靶1主要由一底板和LED灯形成，所述LED灯沿对角线方向设置于所述底板的四端，所述第二检测靶2与所述第一检测靶1完全相同。通过将LED灯设置在底板的四端，通过四个LED灯的对角线，能够准确获取检测靶的中点位置。

优选地，所述图像采集装置3分别通过获取所述第一检测靶1中的四个所述LED灯的位置信息及所述第二检测靶2中的四个所述LED灯的位置信息，并传输至计算单元4，所述计算单元4根据所述LED灯的位置信息，采用霍夫变换分别获取所述第一检测靶1的第一中心位置、所述第二检测靶2的第二中心位置。尤其是在阴暗或者气候比较恶劣的条件下，通过四个LED灯发出的光线获取检测靶的中心位置，提高图像采集的准确率。不因外界因素干扰而影响图像的采集。

采用霍夫变换通过第一中心位置、第二中心位置获取第二中心初始位置、第二中心位置。霍夫变换(Hough Transform)霍夫变换是图像处理中从图像中识别几何形状的基本方法之一，主要用来从图像中分离出具有某种相同特征的几何形状(如直线，圆等)。最基本的霍夫变换是从黑白图像中检测直线(线段)。

按照下述公式计算得到所述第一中心位置偏移量：

x＝z+l₁*tan(θ₁+α)-l₁*tan(θ₁)

所述步骤3中，按照下述公式计算得到所述第二中心位置偏移量：

y＝z+l₂*tan(θ₂-α)-l₂*tan(θ₂)

其中，

x为第一中心位置的偏移量，y为第二中心位置的偏移量，z为挠度；

θ₁为所述第一工业相机31与所述桥梁之间的第一夹角，θ₂为所述第二工业相机32与所述桥梁之间的第二夹角的角度；

α为挠度发生时，由于桥梁上部荷载的不对称的原因，导致所述固定底板轴线与水平方向产生一个转动角度，l₁为所述第一工业相机31至所述第一检测靶1的距离，l₂为第二工业相机32至所述第二检测靶2的距离。

按照下述公式计算得到所述挠度为：

$z=\frac{y*l_1+x*l_2}{l_1+l_2}$

其中，

x为第一中心位置的偏移量，y为第二中心位置的偏移量，z为挠度；

l₁为所述第一工业相机31至所述第一检测靶1的距离，l₂为第二工业相机32至所述第二检测靶2的距离。

一种桥梁挠度检测方法，其中，包括上述的桥梁挠度检测系统，还包括如下步骤：

步骤1、控制所述第一工业相机31采集第一检测靶1的第一中心初始位置图像信息、所述第二工业相机32采集第二检测靶2的第二中心初始位置图像信息；

所述第一中心初始位置图像信息为于所述桥梁静止状态下所述第一检测靶1位于所述第一工业相机31采集图像中的位置信息；

所述第二中心初始位置图像信息为于所述桥梁静止状态下所述第二检测靶2位于所述第二工业相机32采集图像中的位置信息；

步骤2、于所述桥梁受压时，控制所述第一工业相机31采集第一检测靶1的第一中心位置的图像信息、所述第二工业相机32采集第二检测靶2的第二中心位置的图像信息；

所述第一中心位置的图像信息为于所述桥梁受压状态下所述第一检测靶1位于所述第一工业相机31采集图像中的位置信息；

所述第二中心位置的图像信息为于所述桥梁受压状态下所述第二检测靶2位于所述第二工业相机32采集图像中的位置信息；

步骤3、控制计算单元4根据所述第一中心初始位置图像信息、所述第二中心初始位置图像信息、所述第一中心位置的图像信息、所述第二中心位置的图像信息，分别计算得到第一中心位置偏移量和第二中心位置偏移量；

步骤4、根据所述第一中心位置偏移量和所述第二中心位置偏移量计算得到所述挠度。

上述方法中，通过所述第一工业相机31采集的图像中第一检测靶1的中心位置的位移变化，以及所述第二工业相机32采集的图像中第二检测靶2的中心位置的位移变化，计算出桥梁与受压状态的挠度。

作为进一步优选实施方案，所述计算单元4采用霍夫变换通过所述第一中心初始位置图像信息、所述第一中心位置的图像信息，获取所述第一中心初始位置、第一中心位置；

采用霍夫变换通过第二中心初始位置图像信息、所述第二中心位置的图像信息获取第二中心初始位置、第二中心位置。

作为进一步优选实施方案，如图4所示，所述步骤3中，按照下述公式计算得到所述第一中心位置偏移量：

x＝z+l₁*tan(θ₁+α)-l₁*tan(θ₁)

所述步骤3中，按照下述公式计算得到所述第二中心位置偏移量：

y＝z+l₂*tan(θ₂-α)-l₂*tan(θ₂)

其中，

x为第一中心位置的偏移量，y为第二中心位置的偏移量，z为挠度；

θ₁为所述第一工业相机31与所述桥梁之间的第一夹角，θ₂为所述第二工业相机32与所述桥梁之间的第二夹角的角度；

α为挠度发生时，桥梁发生挠度的角度值，l₁为所述第一工业相机31至所述第一检测靶1的距离，l₂为第二工业相机32至所述第二检测靶2的距离。

作为进一步优选实施方案，所述步骤4中，按照下述公式计算得到所述挠度为：

$z=\frac{y*l_1+x*l_2}{l_1+l_2}$

其中，

x为第一中心位置的偏移量，y为第二中心位置的偏移量，z为挠度；

l₁为所述第一工业相机31至所述第一检测靶1的距离，l₂为第二工业相机32至所述第二检测靶2的距离。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种桥梁挠度检测系统，其特征在于，包括

复数个检测靶，所述检测靶至少包括第一检测靶、第二检测靶，所述第一检测靶固定设置于待检测桥梁的第一桥墩上，所述第二检测靶固定设置于待检测桥梁的第二桥墩上；

图像采集装置，固定设置于所述待检测桥梁底部，用以采集所述第一检测靶、所述第二检测靶的位置信息；并形成一数据信息组输出；

计算单元，连接所述图像采集装置，用以接收所述数据信息，并计算所述桥梁的挠度；

通讯单元，分别连接所述计算单元、远程监控端，用以接收所述挠度，并发送至所述远程监控端。

2.根据权利要求1所述的桥梁挠度检测系统，其特征在于，所述图像采集装置包括固定底板、第一工业相机、第二工业相机、角度调节装置；

所述固定底板固定设置于所述桥梁底部，

所述第一工业相机通过所述角度调节装置朝向所述第一检测靶连接所述固定底板；

所述第二工业相机通过所述角度调节装置朝向所述第二检测靶连接所述固定底板；

所述角度调节装置用于分别调节所述第一工业相机与所述桥梁之间的第一夹角、所述第二工业相机与所述桥梁之间的第二夹角的角度。

3.根据权利要求1所述的桥梁挠度检测系统，其特征在于，所述第一检测靶主要由一底板和LED灯形成，所述LED灯沿对角线方向设置于所述底板的四端，所述第二检测靶与所述第一检测靶完全相同。

4.根据权利要求3所述的桥梁挠度检测系统，其特征在于，所述图像采集装置通过所述第一检测靶中的四个所述LED灯的位置信息获取第一检测靶中心初始位置图像信息。

5.根据权利要求3所述的桥梁挠度检测系统，其特征在于，所述图像采集装置通过所述第二检测靶中的四个所述LED灯的位置信息获取第二检测靶中心初始位置图像信息。

6.一种桥梁挠度检测方法，其特征在于，还包括如下步骤：

步骤1、控制所述第一工业相机采集第一检测靶的第一中心初始位置图像信息、所述第二工业相机采集第二检测靶的第二中心初始位置图像信息；

所述第一中心初始位置图像信息为于所述桥梁静止状态下所述第一检测靶位于所述第一工业相机采集图像中的位置信息；

所述第二中心初始位置图像信息为于所述桥梁静止状态下所述第二检测靶位于所述第二工业相机采集图像中的位置信息；

步骤2、于所述桥梁受压时，控制所述第一工业相机采集第一检测靶的第一中心位置的图像信息、所述第二工业相机采集第二检测靶的第二中心位置的图像信息；

所述第一中心位置的图像信息为于所述桥梁受压状态下所述第一检测靶位于所述第一工业相机采集图像中的位置信息；

所述第二中心位置的图像信息为于所述桥梁受压状态下所述第二检测靶位于所述第二工业相机采集图像中的位置信息；

步骤3、控制计算单元根据所述第一中心初始位置图像信息、所述第二中心初始位置图像信息、所述第一中心位置的图像信息、所述第二中心位置的图像信息，分别计算得到第一中心位置偏移量和第二中心位置偏移量；

步骤4、根据所述第一中心位置偏移量和所述第二中心位置偏移量计算得到所述挠度。

7.根据权利要求6所述的桥梁挠度检测方法，其特征在于，所述计算单元采用霍夫变换通过所述第一中心初始位置图像信息、所述第一中心位置的图像信息，获取所述第一中心初始位置、第一中心位置；

采用霍夫变换通过第二中心初始位置图像信息、所述第二中心位置的图像信息获取第二中心初始位置、第二中心位置。

8.根据权利要求6所述的桥梁挠度检测方法，其特征在于，所述步骤3中，按照下述公式计算得到所述第一中心位置偏移量：

x＝z+l₁*tan(θ₁+α)-l₁*tan(θ₁)

所述步骤3中，按照下述公式计算得到所述第二中心位置偏移量：

y＝z+l₂*tan(θ₂-α)-l₂*tan(θ₂)

其中，

x为第一中心位置的偏移量，y为第二中心位置的偏移量，z为挠度；

θ₁为所述第一工业相机与所述桥梁之间的第一夹角，θ₂为所述第二工业相机与所述桥梁之间的第二夹角的角度；

α为挠度发生时，由于桥梁上部荷载的不对称，导致所述固定底板轴线与水平方向产生一个转动角度，l₁为所述第一工业相机至所述第一检测靶的距离，l₂为第二工业相机至所述第二检测靶的距离。

9.根据权利要求6所述的桥梁挠度检测方法，其特征在于，所述步骤4中，按照下述公式计算得到所述挠度为：

$z=\frac{y*l_1+x*l_2}{l_1+l_2}$

其中，

x为第一中心位置的偏移量，y为第二中心位置的偏移量，z为挠度；

l₁为所述第一工业相机至所述第一检测靶的距离，l₂为第二工业相机至所述第二检测靶的距离。