CN105486243B - 基于可见光成像技术的桥梁挠度监测系统 - Google Patents
基于可见光成像技术的桥梁挠度监测系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明基于可见光成像技术的桥梁挠度监测系统，公开了一种基于可见光成像技术的实施监测桥梁挠度值变化的系统，其技术要点是：使用中央数据处理模块分别与显示模块、信息传输模块、数据存储模块和CCD挠度监测模块协同工作，使用非接触式的监测方式，以可见光作为监测媒介，通过由一级处理器、CCD挠度监测器、CCD面阵探测器、LED光源、光学发射装置、光学接收装置和靶标组成的CCD挠度监测模块实时监测桥梁的挠度值变化是否超过挠度界限。采用这样的系统，使用可见光替代激光作为传输媒介，将桥梁的扰度变化通过靶标反射光斑的位移从几何图像中反映出来，不使用复杂的运算仅通过图像可得到数据变化，同时系统成本大幅降低。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁安全评估领域，具体的讲是基于可见光成像技术的桥梁挠度监测系统。
背景技术
随着经济高速发展，各式各样的桥梁在社会生活中发挥着极其重要的作用。桥梁是交通运输网络的重要组成部分，它在国民经济生活中有着重要的地位，它是否能安全运营直接关系到国家及人民的生命财产安全。其中挠度作为桥梁安全评估的关键参数之一，对桥梁的健康有很大的影响，对挠度的测量是桥梁参数监测中必不可少的，可以通过监测挠度的变化来评估桥梁存在的安全风险。
目前对桥梁挠度的监测现有技术主要分为光纤光栅传感器测量、全站仪自动扫描测量、位移传感器测量、加速度传感器测量，其中光纤光栅传感器测量、位移传感器测量和加速度传感器测量均采用接触式的测量方法，分别存在一定缺陷，如光纤光栅传感器测量需预埋在桥板中故修建桥梁时必须安装，后续维护难度大，易于被重型车辆碾压折断。位移传感器测量必须与测点相接触在实际测量时存在难以操作的问题。加速度传感器测量对于低频静态测量效果较差，为获得挠度必须进行多次测量。全站仪自动扫描测量是对桥梁各个测点进行多天次连读扫描，其缺陷在于各测点不能同步且时效性较差。
中国专利(公开号：CN103424175A，公开日：2013.12.04)公开了一种基于激光监测桥梁振幅从而实现对桥梁实施监控的技术，该专利采用传统的光电成像法，通过采集和对比激光照射固定于桥梁上的靶标前后的光信号并通过调制解调器将光信号转换成电信号，最终计算出桥梁纵向和横向位移。该专利技术的主要缺点在于，提供的技术方案局限于激光，需要使用激光发射和接收装置，光学系统结构复杂，同时需要使用调制解调器和复杂的计算才能解算出桥梁的振幅，计算过于复杂，系统制造、安装和维护成本过高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是以上现有技术存在的问题，提供一种基于可见光成像技术的桥梁挠度监测系统。
本发明为解决以上问题提供的技术方案是，基于可见光成像技术的桥梁挠度监测系统，包括中央数据处理模块、显示模块、信息传输模块、数据存储模块和CCD挠度监测模块，其中中央数据处理模块分别与显示模块、信息传输模块、数据存储模块和CCD挠度监测模块连接，其中CCD挠度监测模块包括一级处理器、CCD挠度控制器、CCD面阵探测器、靶标、LED光源、光学发射装置和光学接收装置。CCD挠度控制器与光学发射装置和LED光源连接，CCD面阵探测器与光学接收装置和一级处理器连接，光学发射装置和光学接收装置与靶标面对面安装，CCD挠度控制器控制连接的LED光源发射可见光，经光学发射装置整形成圆光束后发射至靶标上形成光斑，CCD面阵探测器通过光学接收装置接收靶标反射的光束采集光斑图像，一级处理器根据CCD面阵探测器采集的光斑图像偏移的几何数据计算桥梁的挠度值。使用可见光作为传输媒介，将桥梁的挠度变化通过靶标反射光斑的位移从几何图像中反映出来，不经过复杂的算法运算即可以简便并直观的得到挠度变化。
进一步的，靶标刚性固定于桥梁上，靶标包括基板、反射层和吸光层，反射层覆盖于基板上，吸光层覆盖于反射层上，所述吸光层有通孔，用于采集圆形光斑。
可选的，吸光层为黑色氧化铝薄膜层，反射层为全光谱反射膜。
可选的，基板为桥梁的一部分。
进一步的，吸光层的所有通孔被光束覆盖，所述通孔个数大于等于2。通过使用多通孔的结构使得挠度值计算更精确。
进一步的，通孔中相邻通孔间距相等。
可选的，还包括车辆识别器和告警模块，所述车辆识别器和告警模块分别与中央数据处理模块连接。
进一步的，一级处理器将挠度值传输至中央数据处理模块，中央数据处理模块根据预设挠度阈值判断桥梁挠度值是否超过告警界限并由显示模块显示。
进一步的，挠度值超过告警界限，中央数据处理模块通过车辆识别器记录车辆车牌号码并通过告警模块进行告警，同时通过数据存储模块进行记录并通过信息传输模块将告警、挠度值、车辆车牌号码等信息传输至路桥监控中心。
进一步的，LED光源、光学发射装置、靶标和光学接收装置之间为光连接，CCD挠度控制器、CCD面阵探测器和一级处理器间为电连接。
可选的，信息传输模块使用无线传输，包括3G/4G网。
本发明的有益效果是，使用非接触的监测方法，采用可见光作为传输媒介。从而有效的解决了接触式监测方法带来的操作难度高精度低的问题，可以监测桥梁挠度，提高了监测的准确性。同时使用可见光作为传输媒介，将桥梁的挠度变化通过靶标反射光斑的位移从几何图像中反映出来，不使用复杂的运算仅通过几何图像可得到挠度值变化。靶标采用多通孔的结构在CCD面阵探测器上呈现多个反射光斑，可实时反映桥梁的挠度变化，同时可以通过增加告警装置使基于可见光成像技术的桥梁挠度监测系统具有对超载车辆进行告警的功能。
下面结合附图对本发明进一步说明，以使本领域技术人员能够实现本发明。
附图说明
图1为基于可见光成像技术的桥梁挠度监测系统连接示意图；
图2为CCD挠度监测模块连接示意图；
图3为CCD挠度监测模块工作示意图；
图4为靶标通孔示意图；
图5为一种添加告警系统和车辆识别器的基于可见光成像技术的桥梁挠度监测系统连接示意图。
图中标记：1为基板、2为反射层、3为吸光层、4为光学发射装置、5为LED光源、6为CCD挠度控制器、7为一级处理器、8为CCD面阵探测器、9为光学接收装置、10为靶标。
具体实施方式
如图1所示，基于可见光成像技术的桥梁挠度监测系统连接示意图，其中中央数据处理模块分别与显示模块、信息传输模块、数据存储模块和CCD挠度监测模块连接。通过CCD挠度监测模块监测桥梁挠度值，挠度值传递至中央数据处理模块进行处理判断是否超过告警界限，数据存储模块记录挠度值，显示模块对监测的挠度值进行显示，信息传输模块将挠度值传输至其他外接设备。
如图2和图3所示，CCD挠度监测模块连接示意图和CCD挠度监测模块工作示意图，CCD挠度监测模块包括一级处理器7、CCD挠度控制器6、CCD面阵探测器8、靶标10、LED光源5、光学发射装置4和光学接收装置9。中央数据处理模块与CCD挠度监测模块连接，如图2所示。CCD挠度控制器6与光学发射装置4和LED光源5连接，所述CCD面阵探测器8与光学接收装置9和一级处理器7连接，光学发射装置4开口与光学接收装置9一致，所述光学发射装置4和光学接收装置9与靶标10面对面安装，靶标10刚性固定于桥梁上且包括基板1、反射层2和吸光层3，所述吸光层3有通孔，基板1与吸光层3间连接有反射层2。CCD挠度控制器6控制与之连接的LED光源5发射LED光，经光学发射装置4整形成园光束后发射至靶标10上，反射后的光束由光学接收装置9接收并成像在CCD面阵上形成两个等径的圆光斑,若设光斑之一位于CCD面阵XOY坐标系(CCD的中心与XOY坐标系原点重合)的S0(X0，Y0)，桥梁因力的作用移至S1(X1，Y2)，如图4所示靶标通孔示意图，则可以计算出靶标10处的挠度值R：
R＝((X1-X0)2+(Y2-Y0)2)1/2
如图5所示，一种添加告警系统和车辆识别器的基于可见光成像技术的桥梁挠度监测系统连接示意图，其中中央数据处理模块分别与显示模块、信息传输模块、告警模块、数据存储模块、车辆识别器和CCD挠度监测模块连接。通过CCD挠度监测模块监测桥梁挠度值，挠度值传递至中央数据处理模块进行处理判断是否超过告警界限，如果挠度值超过告警界限中央数据处理模块根据对实时监测的挠度值判断的结果调用告警模块对超过挠度值范围的车辆进行告警，同时通过车辆识别器辨别肇事车辆车牌号等信息，数据存储模块对此事件进行存储，显示模块对判断结果进行显示，信息传输模块将告警及肇事车辆车牌号等信息传输至路桥监管中心。如果挠度值没有超过安全界限则中央数据处理器要求CCD挠度监测模块继续监测。
实施例1
某桥的挠度安全范围为N，某车通过桥面，CCD挠度监测模块监测出该车通过时挠度值为N1并将该挠度传输至中央数据处理器，中央数据处理器判定有N1＞N，中央数据处理模块根据对实时监测的挠度值判断的结果调用告警模块对超过挠度值范围的该车辆进行告警，同时通过车辆识别器辨别该车辆车牌号等信息，数据存储模块对此事件进行存储，显示模块对判断结果进行显示，信息传输模块将告警及肇事车辆车牌号等信息传输至路桥监管中心。
实施例2
某桥的挠度安全范围为N，某车通过桥面，CCD挠度监测模块监测出该车通过时挠度值为N2并将该挠度传输至中央数据处理器，中央数据处理器判定有N＞N2，中央数据处理模块根据对实时监测的挠度值判断的结果要求CCD挠度监测模块继续监测。
Claims (9)
1.基于可见光成像技术的桥梁挠度监测系统，包括中央数据处理模块、显示模块、信息传输模块、数据存储模块和CCD挠度监测模块，其中中央数据处理模块分别与显示模块、信息传输模块、数据存储模块和CCD挠度监测模块连接，其特征在于：所述CCD挠度监测模块包括一级处理器(7)、CCD挠度控制器(6)、CCD面阵探测器(8)、靶标(10)、LED光源(5)、光学发射装置(4)和光学接收装置(9)，所述CCD挠度控制器(6)与光学发射装置(4)和LED光源(5)连接，所述CCD面阵探测器(8)与光学接收装置(9)和一级处理器(7)连接，所述光学发射装置(4)和光学接收装置(9)与靶标(10)面对面安装，所述CCD挠度控制器(6)控制连接的LED光源(5)发射可见光，经光学发射装置(4)整形成光束后发射至靶标(10)上形成光斑，所述CCD面阵探测器(8)通过光学接收装置(9)接收靶标(10)反射的光束采集光斑图像，所述一级处理器(7)根据CCD面阵探测器(8)采集的光斑图像偏移的几何数据计算桥梁的挠度值；所述靶标(10)刚性固定于桥梁上，所述靶标(10)包括基板(1)、反射层(2)和吸光层(3)，所述反射层(2)覆盖于基板(1)上，所述吸光层(3)覆盖于反射层(2)上，所述吸光层(3)有通孔，用于形成标准的圆形光斑。
2.根据权利要求1所述的基于可见光成像技术的桥梁挠度监测系统，其特征在于：所述吸光层(3)为黑色氧化铝薄膜层，所述反射层(2)为全光谱反射膜。
3.根据权利要求1所述的基于可见光成像技术的桥梁挠度监测系统，其特征在于：所述基板(1)为桥梁的一部分。
4.根据权利要求1所述的基于可见光成像技术的桥梁挠度监测系统，其特征在于：所述吸光层(3)的所有通孔被光束覆盖，所述通孔个数大于等于2。
5.根据权利要求1所述的基于可见光成像技术的桥梁挠度监测系统，其特征在于：所述通孔中相邻通孔间距相等。
6.根据权利要求1所述的基于可见光成像技术的桥梁挠度监测系统，其特征在于：所述LED光源(5)、光学发射装置(4)、靶标(10)和光学接收装置(9)之间为光连接，CCD挠度控制器(6)、CCD面阵探测器(8)和一级处理器(7)间为电连接。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的基于可见光成像技术的桥梁挠度监测系统，其特征在于：还包括车辆识别器和告警模块，所述车辆识别器和告警模块分别与中央数据处理模块连接。
8.根据权利要求7所述的基于可见光成像技术的桥梁挠度监测系统，其特征在于：所述一级处理器(7)将挠度值传输至中央数据处理模块，中央数据处理模块根据预设挠度阈值判断桥梁挠度值是否超过告警界限并由显示模块显示。
9.根据权利要求8所述的基于可见光成像技术的桥梁挠度监测系统，其特征在于：所述挠度值超过告警界限，中央数据处理模块通过车辆识别器记录车辆车牌号码并通过告警模块进行告警，同时通过数据存储模块进行记录并通过信息传输模块将信息传输至路桥监控中心。
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