CN106091946A - 用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量装置，包括成像系统(12)和安装在桥梁(11)测量点上的不少于一只的测量靶标(13)，其特征在于：还包括安装在桥梁(11)上变形或位移变化可忽略区域的基准靶标(14)，所述的基准靶标(14)和测量靶标(13)在成像系统(12)的敏感元的不同位置上成像，测量点的位移或变形参数根据测量靶标(13)和基准靶标(14)的测量结果，并扣除了因载荷加载引起的桥梁弯曲变形带来的影响后计算而得；本发明扣除因载荷加载引起的桥梁弯曲变形带来的影响，从而提高了系统测量精度。

Description

用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量装置及方法

技术领域

本发明属于力学测量技术领域，涉及一种用于桥梁位移和形变测量装置，特别是一种自校准的远程位移或形变测量的装置及方法。

背景技术

桥梁变形主要包括静态变形和动态变形，静态变形是指地基下陷、倾斜和应力松弛等变化很慢的变形，动态变形是指由于风、温度、地震、交通负载或现场施工等引起的短期变形，其参数监测对于目标的安全评估分析具有重要的作用。

传统的桥梁如桥梁，其变形检测的仪器有百分表、千分表、加速计、水准仪、经纬仪等。目前，这些仪器在桥梁验收、定期检测中仍然广泛使用，但是需要专业技术人员，费时、费力，人为误差大，远远不能实现在线、实时、自动、智能测量。近年来，信息技术的蓬勃发展大大带动了桥梁变形测量技术的发展，涌现了许多新技术和新方法，比如激光挠度法和GPS(Global Position System)定位测量法。激光挠度仪能实现亚毫米的位移测量，但是量程仅能达到数十厘米，不能满足跨距较大的用于桥梁大变形的测量，其垂直位移可达米级；GPS定位测量法可实现实时在线测量桥梁的大变形，但是其精度智能达到厘米级，且费用高昂，限制了其推广应用。

自从70年代末期固体图像传感器出现以来，国内外有不少学者以CCD等图像传感器为媒介，将图像处理技术用于桥梁、混凝土梁变形测量的研究。申请号为200820241096.0的中国专利“一种基于机器视觉的桥梁动位移测量装置”公开了一种通过激光源和CCD结合测量大桥动态变形的测量装置，通过在桥梁远端用CCD记录大桥变形过程中激光光束的位置变化，计算得到大桥的变形参数。目前这类位移传感器存在的主要问题是：CCD图像传感器需要与准直激光器联合使用，增加了系统的复杂性。

申请号为201410145554.0的中国专利“一种桥梁实时监测系统”公开了一种桥梁动态位移的远程测量装置，使用中将加电靶标固定在远离桥梁的固定目标上，而在桥梁需要监测位移的地方安装有CCD像机，使得靶标成像在CCD光敏元上，通过实时获得的靶标图像在CCD上的位置，计算得到桥梁待测点上的动态位移。这种方案存在的问题是受到施工条件的限制，CCD像机通常也固定桥梁的桥身上，故CCD所在的位置也随着外界环境、应力载荷变化而产生变形，特别是由于测量靶点和CCD像机安装位置有一定的距离，当载重车辆行驶至桥梁中部时，整个桥梁会弯曲变形，引起CCD像机相对于水平方向产生一个倾角，该倾角在对远距离设置的测量靶标成像时会放大为一个较大的位移，从而在测量的参数结果上叠加了一个系统本底误差，大大影响了测量精度。

发明内容

本发明提出了一种用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量装置及方法，在传统测量靶标的基础上增加了一只基准靶标，且该基准靶标固定在位移和变形可忽略的区域，利用同一只成像单元实时监测基准靶标和测量靶标位置随时间的变化，克服了成像单元因外界载荷加载时导致的桥梁弯曲变形带来的系统误差，大大提高了测量精度。

本发明的技术内容如下：

用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量装置，包括数据处理中心、成像系统和安装在桥梁测量点上的不少于一只的测量靶标，还包括安装在桥梁上变形或位移变化可忽略区域的基准靶标，所述的基准靶标和测量靶标在成像系统的敏感元的不同位置上成像，测量点的位移或变形参数根据测量靶标和基准靶标的测量结果，并扣除了因载荷加载引起的桥梁弯曲变形带来的影响后计算而得。

上述用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量装置中，成像系统、测量靶标、基准靶标通过不同长度的支杆固定在桥梁上，使得测量靶标和基准靶标在成像系统的敏感元的不同位置上成像。

上述用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量装置中，基准靶标和测量靶标靶为特定图案或连续工作的加电靶标。

上述用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量装置中，加电靶标为排成一定形状的LED或LD灯带。

上述用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量装置中，成像系统包括光学镜头、图像传感器、核心控制功能单元、处理存储单元和远程通讯单元；图像传感器为CCD或CMOS传感器，核心控制功能单元包括触发信号检测模块、图像数据采集模块、图像灰度化及缩放模块和靶标图像特征提起及识别模块，用于靶标图像的处理和识别；处理存储单元与核心控制功能单元相联，用于图像数据的存储和处理；所述的远程通讯单元与处理存储单元联接，用于图像数据的远程发送。

上述用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量装置中，所述的成像系统通过无线GPRS系统、无线移动网络传输模块或光缆传输系统将测量结果传输至数据处理中心。

上述用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量装置中，核心控制功能单元由DSP构建。

上述用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量装置中，成像系统为CCD像机或CMOS传感器。

用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量方法，包括以下步骤：

[1]安装：在大型结构物上安装测量靶标和基准靶标，其中测量靶标安装在待测量点位置，基准靶标设置在变形或位移变化可忽略区域；

[2]测量：开启成像系统，使得基准靶标和测量靶标在成像系统的敏感元的不同位置上成像，获取基准靶标和测量靶标的位移值。

[3]校准：对成像系统进行数据处理，获取基准靶标和测量靶标的位移值；并根据基准靶标的位置值，对测量靶标的位移值进行修正校准，扣除了因载荷加载引起的桥梁弯曲变形带来的测量误差，获得测量靶标所在测量点的真实位移值。

上述用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量方法中，步骤[3]中的校准步骤包括：

[3.1]根据测量靶标的位置变化值，并结合测量靶标与成像系统之间的距离、成像系统的光学参数，计算得到测量靶标的位移值X1；

[3.2]根据基准靶标的位置变化值，并结合基准靶标与成像系统之间的距离、成像系统的光学参数，计算得到基准靶标的位移值X0；

[3.3]经校准后测量靶标所在的测量点的位移

其中L1为成像系统与测量靶标之间的距离，L0为成像系统与基准靶标之间的距离。

本发明具有的有益技术效果如下：

1、本发明在现有CCD像机和测量靶标组成的位移测量装置的基础上，增加了一只基准靶标，其在测量中引起的位移或变形可忽略为零；安装调试中，使得基准靶标和测量靶标同时成像在CCD像机上，并在数据处理中根据测量靶标和基准靶标的测量结果，扣除因载荷加载引起的桥梁弯曲变形带来的影响，从而提高了系统测量精度。

2、本发明的核心控制功能单元采用嵌入式系统，结构紧凑可靠，方便应用；同时设置有远程通讯传输单元，可将测量的结果通过GPRS系统、3G无线网络等无线传输系统或光缆等有线传输系统，传输至远端的值班室，满足了远程无人值守全天候的野外工作要求。

3、本发明的靶标采用加电的LED或LD灯带作为靶标，可以实现24小时全天候的工作，并具有特征目标提取方便和准确度高的特点，测量精度也相应提高。

附图说明

图1为本发明自校准式测量装置在普通桥梁上应用示意图；

图2为图1测量装置在普通桥梁上安装应用俯视图；

图3为基准靶标和测量靶标在CCD像元上成像位置示意图；

图4为本发明采用基准靶标校准测量靶标因桥梁载重后弯曲变形原理示意图；

图5为本发明成像系统组成原理示意图；

附图标记如下：1—光学镜头；2—图像传感器；3—触发控制单元；4—远程通讯单元；5—核心控制功能单元；6—处理存储单元；11—桥梁；12—成像系统；13—测量靶标；14—基准靶标；15—支杆；16—测量靶标图像；17—基准靶标图像；18—显示屏幕；19—载重车辆。

具体实施方式

在成像法用于桥梁位移监测中，CCD像机通常安装在位移较小的区域，但是当载重车辆19行驶至桥梁中部时，整个桥梁会弯曲变形，引起CCD像机相对于水平方向产生一个倾角，该倾角在对远距离设置的测量靶标成像时会放大为一个较大的位移，从而在测量的参数结果上叠加了一个系统本底误差，大大影响了测量精度。

如图1所示，本发明用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量装置，包括成像系统12、安装在桥梁测量点上的不少于一只的测量靶标13，和安装在桥梁上变形或位移变化可忽略区域的基准靶标14，基准靶标14和测量靶标13在成像系统12的敏感元的不同位置上成像，测量点的位移或变形参数根据测量靶标13和基准靶标14的测量结果，并扣除了因载荷加载引起的桥梁弯曲变形带来的影响后计算而得。

如图2所示，成像系统12、测量靶标13和基准靶标14通过不同长度的支杆15固定在桥梁上，使得测量靶标13和基准靶标14在成像系统12的敏感元的不同位置上成像。其中测量靶标13可以为多只，图中为简单起见，只画出一只。

如图3所示,测量靶标13和基准靶标14在CCD光敏元上的成像，图中16、17分别为测量靶标图像和基准靶标图像，18为显示屏幕。通过不同长度的支杆，可将测量靶标、基准靶标的图像呈在CCD像元沿水平方向不同的位置上，由于基准靶标14处在位移为零或位移很小的桥墩附近，因此其位移可忽略，而测量靶标13和成像系统12会因为当载重车辆驶入桥梁时，桥梁产生弯曲变形而使得测量靶标13的图像产生上下方向的位移x1,而成像系统CCD因自身变化，引起相当于基准靶标14的位移xO。通过对其进行校正扣除，可得到准确的测量点位移值。

如图4所示，当载重车辆19行驶至桥梁11中部时，桥梁11会产生垂直方向的弯曲变形，导致成像系统12的轴线产生倾角为θ的向下方向扭转。对于基准靶标14而言，由于其安装在桥墩或其他位移或形变可忽略的区域，则可以得到：

tanθ＝X0/L0 (1)

其中θ为成像系统12的倾角，X0为基准靶标在成像系统中的位移，L0为成像系统与基准靶标之间的距离。

而对于测量靶标而言，校准前其在成像系统中的位移为X1，是因为成像系统产生倾角后导致其值缩小，而真实的位移应该为Y1，由图4容易得出

$Y1=L1\·tan\mathrm{\θ}-X1=\frac{L1\·X0}{L0}-X1---\left(2\right)$

其中X1为测量靶标13在成像系统12中的位移，L1为成像系统12与测量靶标13之间的距离，Y1为对桥梁弯曲变形校准后的测量靶标的位移。

如图5所示,成像系统包括光学镜头1、图像传感器2、核心控制功能单元5、处理存储单元6和远程通讯单元4；图像传感器2为CCD或CMOS传感器，核心控制功能单元5包括触发信号检测模块、图像数据采集模块、图像灰度化及缩放模块和靶标图像特征提起及识别模块，用于靶标图像的处理和识别；处理存储单元6与核心控制功能单元5相联，用于图像数据的存储和处理；远程通讯单元4与处理存储单元6联接，用于图像数据的远程发送。

光学镜头1瞄准被测量目标上设置的靶标，在应用中可选变焦距的镜头，将不同距离、不同大小的目标成像至图像传感器上，这种工作方式对测量目标具有良好的适应性，并具有测量范围大的特点，其中图像传感器2为CCD或CMOS传感器，用于实时获取被测量目标的图像。

本发明的靶标可以为目标对象上的一个特定图案或连续工作的加电靶标。本装置对靶标要求不高，如果采用加电的LED或LD灯带作为靶标，则可以实现24小时全天候的工作，并具有特征目标提取方便和准确度高的特点，测量精度也相应提高。

触发控制单元3用于提供远程位移传感器所需的触发信号，传感器平时不工作，只有当外界触发信号到来时，位移传感器才开始工作，减小了数据存储和数据传输的压力。远程通讯单元4与处理存储单元6联接，用于图像数据的远程发送。

远程通讯单元4可以为无线GPRS系统、3G、4G等无线移动网络传输模块或光缆等有线传输系统，将测量结果传输至远端的值班室，满足了远程无人值守全天候的野外工作要求。

本发明用于桥梁变形或位移参数具体测量步骤如下：

[1]安装：在大型结构物上安装测量靶标和基准靶标，其中测量靶标安装在待测量点位置，基准靶标设置在变形或位移变化可忽略区域；

[2]测量：开启成像系统，使得基准靶标和测量靶标在成像系统的敏感元的不同位置上成像；

[3]校准：对成像系统进行数据处理，获取基准靶标和测量靶标的位移值；并根据基准靶标的位置值，对测量靶标的位移值进行修正校准，扣除因载荷加载引起的桥梁弯曲变形带来的测量误差，获得测量靶标所在测量点的真实位移值。

其中步骤[3]中的校准步骤包括：

[3.1]根据测量靶标的位置变化值，并结合测量靶标与成像系统之间的距离、成像系统的光学参数，计算得到测量靶标的位移值X1；

[3.2]根据基准靶标的位置变化值，并结合基准靶标与成像系统之间的距离、成像系统的光学参数，计算得到基准靶标的位移值X0；

[3.3]经校准后测量靶标所在的测量点的位移

其中L1为成像系统与测量靶标之间的距离，L0为成像系统与基准靶标之间的距离。

步骤[3.3]是对测量靶标的位移进行校准，克服因桥梁受到车辆载重引起桥梁的弯曲变形，最终引起成像系统的弯曲扭转而导致的测量误差，由于基准靶标固定在大型结构物上变形或位移变化可忽略区域，根据其测量值和距离等几何关系，可计算得到因成像系统弯曲扭转引起的误差，将其扣除就得到测量靶标所在的测量点处的真实位移值，计算中位移向上为正值,向下为负值。

本发明已在桥梁位移检测中得到应用，目前可测量位移的量程为10m级,测量精度达0.1mm级，时间分辨率为100ms。

Claims (10)

1.用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量装置，包括数据处理中心、成像系统(12)和安装在桥梁(11)测量点上的不少于一只的测量靶标(13)，其特征在于：还包括安装在桥梁(11)上变形或位移变化可忽略区域的基准靶标(14)，所述的基准靶标(14)和测量靶标(13)在成像系统(12)的敏感元的不同位置上成像，数据处理中心获取成像系统的测量结果后，根据基准靶标和测量靶标的测量结果，扣除了因载荷加载引起的桥梁弯曲变形带来的影响后，计算得到测量点的位移或变形参数。

2.根据权利要求1所述的用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量装置，其特征在于：所述的成像系统(12)、测量靶标(13)和基准靶标(14)通过不同长度的支杆固定在桥梁上，使得测量靶标(13)和基准靶标(14)在成像系统(12)的敏感元的不同位置上成像。

3.根据权利要求1所述的用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量装置，其特征在于：所述的基准靶标(14)固定在变形可忽略的桥墩上。

4.根据权利要求1所述的用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量装置，其特征在于：所述的基准靶标(14)和测量靶标(13)为特定图案或连续工作的加电靶标。

5.根据权利要求4所述的用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量装置，其特征在于：所述的加电靶标为排成一定形状的LED或LD灯带。

6.根据权利要求1所述的用于大型构件垂直位移或变形的自校准式测量装置，其特征在于：所述的成像系统通过无线GPRS系统、无线移动网络传输模块或光缆传输系统将测量结果传输至数据处理中心。

7.根据权利要求1所述的用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量装置，其特征在于：所述的成像系统包括光学镜头(1)、图像传感器(2)、核心控制功能单元(5)、处理存储单元(6)和远程通讯单元(4)；所述的图像传感器(2)为CCD或CMOS传感器，所述的核心控制功能单元(5)包括触发信号检测模块、图像数据采集模块、图像灰度化及缩放模块和靶标图像特征提起及识别模块，用于靶标图像的处理和识别；所述的处理存储单元(6)与核心控制功能单元(5)相联，用于图像数据的存储和处理；所述的远程通讯单元(4)与处理存储单元(6)联接，用于图像数据的远程发送。

8.根据权利要求1所述的用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量装置，其特征在于：所述的成像系统(12)为CCD像机或CMOS传感器。

9.用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

[1]安装：在大型结构物上安装测量靶标和基准靶标，其中测量靶标安装在待测量点位置，基准靶标设置在变形或位移变化可忽略区域；

[2]测量：开启成像系统，使得基准靶标和测量靶标在成像系统的敏感元的不同位置上成像；

[3]校准：对成像系统进行数据处理，获取基准靶标和测量靶标的位移值；并根据基准靶标的位置值，对测量靶标的位移值进行修正校准，扣除因载荷加载引起的桥梁弯曲变形带来的测量误差，获得测量靶标所在测量点的真实位移值。

10.根据权利要求9所述的用于桥梁变形或位移参数的自校准式测量方法，其特征在于，所述步骤[3]中的校准步骤包括：

[3.1]根据测量靶标的位置变化值，并结合测量靶标与成像系统之间的距离、成像系统的光学参数，计算得到测量靶标的位移值X1；

[3.2]根据基准靶标的位置变化值，并结合基准靶标与成像系统之间的距离、成像系统的光学参数，计算得到基准靶标的位移值X0；

[3.3]经校准后测量靶标所在的测量点的位移

其中L1为成像系统与测量靶标之间的距离，L0为成像系统与基准靶标之间的距离。