CN108444663A - 一种桥梁振幅实时监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁振幅实时监测仪，包括加装在桥梁振幅点上的光标装置、用于将光标装置成像在CCD图像采集模块接收面阵上的光学系统、根据桥梁振动前后光标装置图像中光标装置的中心移动情况判断桥梁振幅的FPGA模块、对FPGA模块输出信息进行数据处理并控制各模块及各模块之间通信的处理单元。其基于图像识别技术，由于在CCD图像采集模块接收面阵前加装了光学系统，实现图像的清晰成像，使检测范围大大提高，且可提高光标中心的识别准确度，提高扰度测量准确性。

Description

一种桥梁振幅实时监测仪

技术领域

本发明涉及桥梁检测装置领域，具体涉及一种桥梁振幅实时监测仪。

背景技术

桥梁的挠度变形是桥梁健康状况评价的重要参数，在桥梁检测、危桥改造以及新桥验收等方面都需要准确测量桥梁的静、动态挠度值。随着桥梁健康监测技术的进步，人们研究了许多用于位移及挠度测量的方法。目前，国内外测量桥梁挠度的方法有许多种，下面对常见的几种测量方法的原理、特点及适用范围做以简要介绍。

传统的人工测量方法：

(1)百分表测量法。百分表测量法是较传统的挠度测量方法。百分表的工作原理，就是利用齿轮转动机构所检测位置的位移值放大，并将检测的直线往返运动转换成指针的回转转动，以指示其位移数值。特点：1)优点是设备简单，可以进行多点测量，直接得到各测点的挠度值测量结果稳定可靠；2)缺点比较繁琐，耗时较长，工作效率较低，现场应用有很大局限性；3)适用于桥下可搭设支架的桥梁工程。

(2)精密水准仪测量法。水准测量又名“几何水准测量”，是用水准仪和水准尺测定地面上两点间高差的方法。在地面两点间安置水准仪，观测竖立在两点上的水准标尺，按尺上读数推算两点间的高差。通常由水准原点或任一已知高程点出发，沿选定的水准路线逐站测定各点的高程。特点：1)具有速度快、计算方便、精度高和能够及时比较观测结果的特点； 2)主要适用于测点附近能够提供测站条件、范围不大的桥梁挠度变化、观测点数不多的精密水准测量。

(3)全站仪测量法：全站仪挠度测量基本原理是三角高程测量。三角高程测量通过测量两点间的水平距离和竖直角求定两点间高差的方法。特点：1)这种测量方法简单，不受地形条件限制，是测量桥梁挠度的一个基本方法。2)在桥梁加、卸载过程中，由于全站仪和棱镜固定不动，这就完全消除了仪器高和棱镜高的量测所带来的误差。3)采用高精度全站仪可以更加有效地提高桥梁荷载试验挠度测量精度。但无法用于桥梁振幅的实时在线监测。

桥梁振幅(扰度)自动检测技术：

(1)连通管测量。利用连通管原理，根据安装在桥梁各处连通管内液面高度的变化获得桥梁挠度的变化。当桥梁梁体发生变形时，固定在梁体上的水管也将随之移动，此时，各竖直水管内的液面将与基准点处的液面保持在同一水平面，但各测点处的竖直水管液面却发生了大小不等的相对移动，测得的相对位移量即是该被测点的挠度值。特点：连通管法测量桥梁挠度的优点是可靠、易行，当挠度的绝对值大于20mm时，它1mm最小读数至少可有5％的相对精度。缺点是：管内页面的变化周期较长，以至于数据采样延时较长，无法及时刻画在各类载荷下的实时结构动力效应，且无法实现零状态频率响应。

(2)倾角仪法。用倾角法测量桥梁的挠度，并不同于传统的方法如百分表法、水准仪法直接测得桥梁某一点的挠度值，而是首先使用倾角仪测得桥梁变形时几个截面的的倾角，根据倾角拟合出倾角曲线，进而得到挠度曲线，这样就可以求得桥梁上任意一点的挠度值。倾角法实际上是一种间接地利用倾角仪测量得到桥梁挠度的方法。特点：桥梁不需要静止的参考点，特别适于测量跨河桥、跨线桥、大型的跨海、跨峡谷桥梁和高桥，但测量精度较低误差大，采样频率低，不适合作为桥梁健康评估实时监测的依据。

(3)激光图像挠度测量：激光图像挠度测量利用了激光良好的方向性。随着桥梁不同程度的变形，照射在被测点固定不动的光电接收器上的激光光斑中心发生等量变化，因此只要获取光斑中心位置就可得到桥梁挠度。特点：具有很高的测量精度，可达到0.1mm，但受监测距离，只适合于跨度不大的中小型桥梁。

(4)gps挠度测量：利用一台接收机即基准站安在参考点即岸基上固定不动，另一台接收机即移动站设在桥梁变形较大的点，2台接收机同步观测4颗或更多卫星，以确定变形点相对岸基的位置。实时获取变形点相对参考点的位置，可直接反映出被测点的空间位置变化从而得到桥梁结构的挠度值。特点：具有全球性、全天候、连续的三维导航与定位能力；具有良好的抗干扰性和保密性。GPS RTK的定位精度可以达到平面10mm，高程20mm。10～20hz 速率输出定位结果，测量参数难以满足实时性健康监测的要求。

随着建筑材料和工艺的不断成熟，现代桥梁呈现出/跨度大、结构柔等特点，这就造成桥梁结构本身在各种外界环境的影响下，会出现较大的形变，将来挠度测量的量程相应地要求成倍提高。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供一种桥梁振幅实时监测仪。

本发明通过下述技术方案实现：

一种桥梁振幅实时监测仪，包括加装在桥梁振幅点上的光标装置、用于将光标装置成像在CCD图像采集模块接收面阵上的光学系统、根据桥梁振动前后光标装置图像中光标装置的中心移动情况判断桥梁振幅的FPGA模块、对FPGA模块输出信息进行数据处理并控制各模块及各模块之间通信的处理单元。本方案的桥梁振幅检测基于图像识别技术，光标装置加装在桥梁振幅点上，CCD图像采集模块获取光标装置的图像信息；FPGA模块对图像信息进行识别，判定桥梁振动前后图像中光标信息中心位置，并根据中心位置变化可判定出桥梁振幅。本方案由于在CCD图像采集模块接收面阵前加装了光学系统，实现图像的清晰成像，使检测范围大大提高，且可提高光标中心的识别准确度，提高扰度测量准确性。由于采用FPGA模块对图像信息进行处理，相比于一般的计算机处理图像速度，可实现图像信息的快速处理，达到200FPS图像采样和处理速度。本方案通过对图像中心点位移的情况判断桥梁扰度相比于直接单点位置检测，其精度高，位置判断更准确。

作为优选，光标装置包括出光口、设置在出光口的LED灯、用于驱动LED灯工作的驱动电路和控制LED灯工作状态的光电开关，所述出光口上设置有光束整形器且出光口成圆形、方形或正三角形。本方案基于图像实现对桥梁振幅的检测，通过检测图像中某点的移动位置实现扰度的确定。桥梁振动前后，检测点位置会发生变化，振动后检测点的准确识别关系到扰度测量精度。本方案利用光束整形器将LED灯的光线转化为均匀分布的光斑，避免CCD 图像采集模块获得的出光口图像发生散射影响出光口中心的识别。进一步的，本方案将出光口的形状设置为圆形、方形或正三角形规则的图形，便于后续FPGA模块对出光口中心的识别，进一步的提高扰度测量精度。

作为优选，所述CCD图像采集模块的镜头上加装十字准心线和坐标单位格线；桥梁振动前，十字准心线的中心对准光标装置的中心。桥梁振动前，CCD图像采集模块镜头上的十字准心线对准光标装置出光口的中心；桥梁振动后，直接对图像中十字准心线中心对准位置进行识别便可判断出监测点位移情况，简单方便，且可大大提高扰度测量精度。

作为优选，为了便于夜间监测对光标装置图像的采集，提高夜间监测数据采集的准确性，还包括加装在桥梁振幅点上的辅助照明装置。

作为优选，所述处理单元包括RAM处理器和均连接在RAM处理器上的数据处理模块、数据传输模块、人机交互模块。

本发明与现有技术相比，至少具有如下的优点和有益效果：

1、本发明基于图像识别技术，由于在CCD图像采集模块接收面阵前加装了光学系统，实现图像的清晰成像，使检测范围大大提高，且可提高光标中心的识别准确度，提高扰度测量准确性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

图1为本发明的结构原理图。

图2为本发明的串口驱动电路的电路原理图。

图3为本发明的can总线电路的电路原理图。

图4为本发明的HDMI驱动电路的电路原理图。

图5为本发明的CCD驱动电路的电路原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示的一种桥梁振幅实时监测仪，包括光标装置、光学系统、CCD图像采集模块、FPGA模块和处理单元；光标装置形成光斑并加装在桥梁振幅点上，光学系统将光标装置成像在CCD图像采集模块接收面阵以使CCD图像采集模块可以远距离接收光标装置图像信息， FPGA模块根据桥梁振动前后光标装置图像中光标装置的中心移动情况判断桥梁振幅，处理单元对FPGA模块输出信息进行数据处理、控制各模块并控制各模块之间通信。

加装光标装置时，优先的将其加装在桥梁振幅敏感点，光学系统对准光标装置，采用CCD 图像采集模块可实现对图像的高速采集，桥梁在静态和动态荷载下发生受迫振动而产生位移，与桥梁刚体连接的光标随桥梁一起振动。光标中心点的坐标也随桥梁结构一起振动，由于图像中的坐标原点是恒定不变的，则光标装置的中心与图像坐标原点产生相对位移，相对位移量就是桥梁受迫振动的振幅值。计算出的光标圆心坐标值为(x，y)，x是水平方向振幅值，y 是垂直方向振幅值。通过超高速CCD图像采集和FPGA大规模并行计算，实现振幅值的高频率采集。

实施例2

基于上述实施例的原理，本实施例对其具体实施方式进行细化，即光标装置包括出光口、设置在出光口的LED灯、用于驱动LED灯工作的驱动电路和控制LED灯工作状态的光电开关。LED灯的光线经出光口射出，在出光口上加装有光束整形器。出光口的形状可以是圆形、方形或正三角形，也可以是椭圆、正五角星、等腰梯形等，优选的采用圆形，降低后期通过图像识别特征的振幅值解算的数据量，可简化后续中心识别的难度。圆形出光后口形成圆形特征，通过对图像二值化、边缘检测、边缘拟合、圆心坐标点解析等解析出光标中心点的坐标，该方法为现有技术。

需要说明的是，此处并不是对出光口结构进行限定，其仅是一种优选方式，本领域的技术人员应该知晓的是，采用其他结构的出光口也在本方案的保护范围内。为了增强光标装置夜间的亮度，还可在桥梁振幅点上加装辅助照明装置。

为了便于对准圆形、方形等出光口有中心点且便于获取桥梁振动后的光标装置的位移原点位置信息，CCD图像采集模块的镜头上加装十字准心线和坐标单位格线；桥梁振动前，十字准心线的中心对准光标装置的中心。光学系统可采用光学望远镜，其物镜可选用200倍、 180mm的规格。

处理单元包括RAM处理器、数据处理模块、数据传输模块、人机交互模块，数据处理模块、数据传输模块、人机交互模块和均连接在RAM处理器上。基于RAM处理器可通过RS485、RS232或can总线等标准通信接口接收上位机指令设置阈值，当振幅数据大于阈值后，主控制器会发送预警信号。

本方案的桥梁振幅实时监测仪基于FPGA和RAM处理器，利用光电成像法测量和检测无损、非接触的特性，进行超高速图像采集，利用FPGA的并行数据处理特性对监测点图像进行采集和处理，利用模式识别方法对特征进行识别，利用特征点在图像中的位置变化提取出桥梁水平和垂直方向振幅的实时变化数据。

光学系统可采用光学望远镜，其物镜至少选用200倍、180mm的规格，可完成0～2公里内，光标装置和CCD图像传模块之间的精确对焦、清晰成像，解决光电成像法监测大跨度桥梁扰度时无法成像、成像质量差无法解析振幅的问题，监测长度范围已覆盖目前大跨度桥梁的最大跨度的世界纪录，可实现所有大中型桥梁的振幅实时在线监测。

采用超高速CCD图像传感模块，对监测目标位置进行高速图像采集，结合图像处理和模式识别技术解析出振幅变化值，以满足为基于小波变换实现桥梁结构损伤预警、定位、定量，桥梁结构可靠度评估、桥梁结构疲劳度评估提供基础数据时高频率采样的要求。

采用FPGA并行计算的特性，实时对图像进行处理，从而解决一般计算机处理图像大数据量时速度较慢，无法达到200FPS图像采样和处理的问题，还可为实现阈值检测和小波数据分析奠定硬件基础。采用大物镜，高倍率的光学系统和超高速的CCD工业相机，采用无损监测手段，实现桥梁振幅实时高采样率、提高桥梁振幅实时监测的精确性。通过对光标结构的优化设计与改进，较低后期对光标的图像处理和特征识别的难度，实现在车辆荷载，风力荷载，温度荷载作用下桥梁的水平方向和垂直方向位移形变的监测，通过对振幅数据的小波基函数和小波包分解，为基于结构动力响应的小波能量谱进行结构损伤预警和损伤识别提供基础数据。采用该装置，其精度至少可达±0.1mm；量程至少可达200mm；测量频率至少可达200hz。

具体的，FPGA模块、处理单元的RAM处器可分别采用芯片XC6SLX45-2FGG484、Exynos 4412及其外围电路实现。具体的，RAM处理器作为数据处理和控制单元，可采用Exynos 4412芯片实现，其通过如图2、图3的串口驱动电路和/或can总线电路与数据传输模块连接，通过图4所示的HDMI驱动电路与显示器连接。FPGA模块采用XC6SLX45-2FGG484 芯片，其可通过如图5所示的CCD驱动电路与CCD图像采集模块连接。

下面是本桥梁振幅实时监测仪的应用实例。

某桥可通过有限元分析得到桥梁扰度的最大允许值，并将其设定为振幅的阈值，在车辆载荷、风力载荷和温度载荷作用下，桥梁结构发生受迫振动，通过FPGA图像处理模块得到桥梁的实时振幅值，RAM处理器读取振幅值后对数据进行阈值检测和小波基函数变换，当振幅值大于阈值时，数据传输模块发送预警信息，当小波基函数变换检测到数据出现奇异值时，数据传输模块也发送预警信息。处理器完成数据分析、数据存储后。通过用户交互界面对振幅数据、阈值检测结果、小波奇异值检测结果进行显示。数据传输模块一般情况下将数据传输至桥梁相关管理单位的监控中心，将预警信息传输到监控中心及其养护管理的负责人。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种桥梁振幅实时监测仪，其特征在于，包括加装在桥梁振幅点上的光标装置、用于将光标装置成像在CCD图像采集模块接收面阵上的光学系统、根据桥梁振动前后光标装置图像中光标装置的中心移动情况判断桥梁振幅的FPGA模块、对FPGA模块输出信息进行数据处理并控制各模块及各模块之间通信的处理单元。

2.根据权利要求1所述的一种桥梁振幅实时监测仪，其特征在于，所述光标装置包括出光口、设置在出光口的LED灯、用于驱动LED灯工作的驱动电路和控制LED灯工作状态的光电开关，所述出光口上设置有光束整形器且出光口成圆形、方形或正三角形。

3.根据权利要求1所述的一种桥梁振幅实时监测仪，其特征在于，所述CCD图像采集模块的镜头上加装十字准心线和坐标单位格线；桥梁振动前，十字准心线的中心对准光标装置的中心。

4.根据权利要求1所述的一种桥梁振幅实时监测仪，其特征在于，还包括加装在桥梁振幅点上的辅助照明装置。

5.根据权利要求1所述的一种桥梁振幅实时监测仪，其特征在于，所述处理单元包括RAM处理器和均连接在RAM处理器上的数据处理模块、数据传输模块、人机交互模块。