CN108918011A - 基于线阵ccd的缆绳缆力监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线阵CCD的缆绳缆力监测装置，包括：两个夹持装置，其套设于待测缆绳上，两个所述夹持装置之间的待测缆绳上画有用荧光性染料描绘的标记网格；缆力监测装置，包括光源、电源、CCD相机和信号处理器，所述CCD相机检测获得标记网格变形视觉信号，并将视觉信号传输至所述信号处理器，所述信号处理器将视觉信号转换为数字信号；数据终端处理器，其通过无线通讯设备与所述信号处理器数据连接；通过计算多组标记网格平均形变量获得缆绳总体纵向量S，根据缆绳S‑F曲线，得到相应的缆绳缆力F。本发明的装置，稳定性较高，监测精度高，在不破坏缆绳结构的条件下，能在施工过程中实时地监测缆绳的变形和张力，消除了安全隐患，提高工作效率。

Description

基于线阵CCD的缆绳缆力监测装置

技术领域

本发明涉及缆力监测领域，特别涉及一种基于线阵CCD的缆绳缆力监测装置。

背景技术

作为一种固定、承重、支护、连接以及运输的工具，缆绳被广泛的运用于海洋工程、土木工程以及交通运输工程等领域中。缆绳的结构形式包括海洋工程领域中的悬链体系、张拉体系、锚索体系等，土木工程领域中的空间索网结构、平面索桁架结构等。缆绳是工程设施中重要的结构构件。由于缆绳结构相对简单，却应用于安全性要求较高的领域，在拉伸、抗冲击等过程中变形量过大而导致缆绳破断的情况时有发生，因此对缆绳缆力和变形的监测十分重要，以实时监测缆绳张驰的状态，并且在缆绳受力较大或受力不均匀可能发生破断前，采取相关的安全措施。目前，普遍采用的缆绳张力监测方法有电测法、压力表测定千斤顶液压法、压力传感器直接测定法、以及三点弯曲法等。

电测法的基本原理是通过特定的弹性元件和由它组成的转换装置，把被测物理量转换为电信号，再用专门的仪器对电信号进行测量。但在测量过程中需将传感器放在缆绳截断处或端部一点，会对绳索造成破坏，并且影响施工进度。压力表测定千斤顶液压法是用千斤顶张拉缆绳，通过精密压力表或液压传感器测定油缸的液压，求得张力。虽然此方法比较成熟且应用广泛精度较高，但此方法只能在张拉施工阶段进行测量，不能满足使用过程中的监测要求，使用受到限制。压力传感器直接测定法是在张拉缆绳时使千斤顶的张拉力通过连接杆传到拉索锚具，在连接杆上套一穿心式压力传感器，得到千斤顶张拉力。但压力传感器售价高昂，只能在特定情况下使用。三点弯曲法的基本原理是安装在测力器的绳索在A、B及C成三点弯曲状态，绳索在A、B两端固定装有压力传感器的情况下，中点C相对于两端点A、B会有一个偏移量，在绳索压紧的过程中在A、B两点产生相应的压力信号，进而结合正弦定理通过压力求得索张力。此方法虽然操作简便，但是其在操作过程中假设被测绳索“完全柔性”过于理想化，而且是近似方法，测量精度不高，只能在特定工程状况下使用。

CCD(Charge-coupled Device)是一种光电转换器件，能将接收到的光信号转换成电荷并不断储存，以电荷包的形式进行信息储存和传送，并以电压的形式输出，读取这些电压信号便能得到图像信号。线阵CCD可以同时储存一行电视信号。由于其单排感光单元的数目可以做得很多，在同等测量精度的前提下，其测量范围可以做的较大，并且由于线阵CCD实时传输光电变换信号和自扫描速度快、频率响应高，能够实现动态测量，并能在低照度下工作。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于线阵CCD的缆绳缆力监测装置，从而克服缆绳监测时破坏缆绳结构、影响施工进度、使用阶段受限、测量精度低无法实现实时监测的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于线阵CCD的缆绳缆力监测装置，包括：两个夹持装置，其套设于待测缆绳上，两个所述夹持装置之间的待测缆绳上画有用荧光性染料描绘的标记网格；缆力监测装置，其通过连接件固定设于两个所述夹持装置之间，位于待测缆绳的上方，所述缆力监测装置包括光源、电源、CCD相机和信号处理器，所述光源、CCD相机和信号处理器与所述电源连接，所述光源和所述CCD相机对应待测缆绳上的所述标记网格区域设置，所述CCD相机包括线阵CCD以及相应的驱动设备，所述CCD相机检测获得标记网格变形视觉信号，并将视觉信号传输至所述信号处理器，所述信号处理器将视觉信号转换为数字信号；以及数据终端处理器，其通过无线通讯设备与所述信号处理器数据连接；其中，所述数据终端处理器接收所述信号处理器的数字信号后输出纵向每组标记网格数据，所述网格数据包括最大边缘宽度、最小边缘宽度以及平均边缘宽度，通过计算多组标记网格平均形变量获得缆绳总体纵向量S，根据缆绳S-F曲线，得到相应的缆绳缆力F。

优选地，上述技术方案中，所述标记网格为微米刻度标记网格。

优选地，上述技术方案中，所述荧光性浸润染料为浸润性的丙烯荧光酸树脂类染料。

优选地，上述技术方案中，所述连接件包括第一弹簧和第二弹簧，所述第一弹簧一端固定设于所述夹持装置上，另一端固定设于所述缆力检测装置上，所述第二弹簧一端固定设于另一所述夹持装置上，另一端固定设于所述缆力检测装置上。

优选地，上述技术方案中，缆力检测装置还包括由透明材质制成的箱体，所述光源、CCD相机和信号处理器设于所述箱体内。

优选地，上述技术方案中，所述无线通讯设备为蓝牙设备。

优选地，上述技术方案中，所述夹持装置为可调节的喉箍式夹持装置。

优选地，上述技术方案中，所述夹持装置上设有连接角铁。

优选地，上述技术方案中，所述夹持装置和待测缆绳之间设有防滑垫层。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明基于线阵CCD的缆绳缆力监测装置，能有效解决缆力监测时遇到破坏缆绳结构、影响施工进度、使用阶段受限、测量精度低、无法实现实时监测及防水性能差等技术难题。该装置造价低廉，装卸方便，通讯设备小巧便携，在使用过程中操作简单，并且基于线阵CCD的工作原理，该设备具有自动扫略功能，稳定性较高，监测精度高，在不破坏缆绳结构的条件下，能在施工过程中实时地监测缆绳的变形和张力，消除了安全隐患，大大地提高了工作的效率。

附图说明

图1是根据本发明的基于线阵CCD的缆绳缆力监测装置的结构示意图。

图2是根据本发明的基于线阵CCD的缆绳缆力监测装置中缆力监测装置的结构示意图。

图3是根据本发明的基于线阵CCD的缆绳缆力监测装置的工作原理图。

图4是根据本发明的基于线阵CCD的缆绳缆力监测装置中夹持装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1至图4所示，根据本发明具体实施方式的一种基于线阵CCD的缆绳缆力监测装置，该装置用于待测缆绳1上，用于检测缆绳1的缆力。包括两个夹持装置2，缆力监测装置3和数据终端处理器4。

两个夹持装置2套设在待测的缆绳1上，两个夹持装置2之间的缆绳1存在一定的空间距离，在两个夹持装置之间的待测缆绳1上用荧光性染料描绘标记网格5，该标记网格5为微米刻度标记网格，即该网格刻度量级是μm级。夹持装置2上设有连接角铁21。缆力监测装置3通过连接件6固定设于两个夹持装置2的连接角铁21上，位于两个夹持装置之间及待测的缆绳1的上方。缆力监测装置包括电源31、光源32、CCD相机33和信号处理器34，电源31、光源32、CCD相机33和信号处理器34设置在透明的密封的箱体35内，箱体35为亚克力材料制成，可以达到防水和防震的保护作用。电源31为光源32、CCD相机33和信号处理器34提供电能。光源32用于照射待测的缆绳1上的标记网格5的区域，标记网格5使用荧光染料描绘的，在光源32的照射下，可清晰的看到标记网格。CCD相机33功能在于扫略及监测纵向标记网格的微元变化，进而获得缆绳的形变量。具体为，CCD相机33主要由多个线阵CCD并联、CCD驱动电路和显微光学镜头组成，CCD相机的性能与标记网格5相匹配。由光源32发射的光束经涂有用防水荧光性染料刻画网格做标记网格的缆绳表面反射后通过CCD相机的显微光学镜头在线阵CCD传感器处接收。当缆绳受力时，其缆绳长度发生变化，在缆绳表面所刻画的网格刻度会随之发生变化，从而通过分析标记网格像元变化情况获得缆绳的微小形变。标尺网格会发生形变，CCD相机33检测获得标记网格5的变形视觉信号。即可用CCD相机检测缆绳张拉时微小形变，检测的精度可以达到μm级。由于刻画标记网格5后安装夹持装置2无法避免缆绳1的微变形，因此需要在夹持装置2安装后采集记录初始的标记网格5的网格刻度数据。

CCD相机33检测获得标记网格5的变形视觉信号后，将视觉信号传输至信号处理器34。信号处理器34将视觉信号转换为数字信号，再通过无线通讯设备7将数字信号传输至数据终端处理器4。数据终端处理器4接收信号处理器的数字信号后输出纵向每组标记网格数据，网格数据包括最大边缘宽度、最小边缘宽度以及平均边缘宽度，通过计算多组标记网格平均形变量获得缆绳总体纵向量S，数据处理终端对应缆绳材料S-F曲线图(GB/T8834-2016《纤维绳索有关物理和机械性能的测定》)及相关数据从而间接测得缆绳缆力F。

优选地，荧光性染料为浸润性的丙烯荧光酸树脂类染料。采用丙烯荧光酸树脂类染料，染料深层渗入缆绳材料内部，在缆绳上做微纳标记，刻画多组等间距网格，CCD相机装置性能与标记网格相匹配进行测量。

优选地，使用的无线通讯设备7为蓝牙设备，蓝牙设备安装在透明的箱体35上。蓝牙设备模块采用HC05，该模块成本低，数据传输范围率极广。

优选地，连接件6包括第一弹簧61和第二弹簧62，第一弹簧61一端固定设于左侧夹持装置上，另一端固定设于缆力检测装置的箱体35上，第二弹簧62一端固定设于右侧的夹持装置上，另一端固定设于缆力检测装置的箱体35上。采用弹簧作为连接件，弹簧作用是使得透明密封的箱体35在缆绳变形过程中能保持相对稳定，保证两夹装置2中心位置不随缆绳变形而发生改变。

优选地，夹持装置为可调节的喉箍式夹持装置。采用的夹持装置为可调节的喉箍式夹持装置，即夹持装置的夹持直径可根据不同缆索的直径大小进行调节，不受缆索直径大小变化的制约。

优选地，夹持装置2和待测缆绳1之间设有防滑垫层。防滑垫层为橡胶垫层8，橡胶垫层表面为粗糙面。在夹持装置与缆绳中间布置橡胶垫层，避免缆索受力后缆径缩小造成的夹持装置脱落。橡胶垫层表面非光滑，有一定的粗糙度，使其增加与缆绳的粘合度。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (9)

1.一种基于线阵CCD的缆绳缆力监测装置，其特征在于，包括：

两个夹持装置，其套设于待测缆绳上，两个所述夹持装置之间的待测缆绳上画有用荧光性浸润染料描绘的标记网格；

缆力监测装置，其通过连接件固定设于两个所述夹持装置之间，位于待测缆绳的上方，所述缆力监测装置包括光源、电源、CCD相机和信号处理器，所述光源、CCD相机和信号处理器与所述电源连接，所述光源和所述CCD相机对应待测缆绳上的所述标记网格区域设置，所述CCD相机包括线阵CCD，所述CCD相机检测获得标记网格变形视觉信号，并将视觉信号传输至所述信号处理器，所述信号处理器将视觉信号转换为数字信号；以及

数据终端处理器，其通过无线通讯设备与所述信号处理器数据连接；

其中，所述数据终端处理器接收所述信号处理器的数字信号后输出纵向每组标记网格数据，所述网格数据包括最大边缘宽度、最小边缘宽度以及平均边缘宽度，通过计算多组标记网格平均形变量获得缆绳总体纵向量S，根据缆绳S-F曲线，得到相应的缆绳缆力F。

2.根据权利要求1所述的基于线阵CCD的缆绳缆力监测装置，其特征在于，所述标记网格为微米刻度标记网格。

3.根据权利要求1所述的基于线阵CCD的缆绳缆力监测装置，其特征在于，所述荧光性浸润染料为浸润性的丙烯荧光酸树脂类染料。

4.根据权利要求1所述的基于线阵CCD的缆绳缆力监测装置，其特征在于，所述连接件包括第一弹簧和第二弹簧，所述第一弹簧一端固定设于所述夹持装置上，另一端固定设于所述缆力检测装置上，所述第二弹簧一端固定设于另一所述夹持装置上，另一端固定设于所述缆力检测装置上。

5.根据权利要求1所述的基于线阵CCD的缆绳缆力监测装置，其特征在于，缆力检测装置还包括由透明材质制成的箱体，所述光源、电源、CCD相机和信号处理器设于所述箱体内。

6.根据权利要求1所述的基于线阵CCD的缆绳缆力监测装置，其特征在于，所述无线通讯设备为蓝牙设备。

7.根据权利要求1所述的基于线阵CCD的缆绳缆力监测装置，其特征在于，所述夹持装置为可调节的喉箍式夹持装置。

8.根据权利要求1所述的基于线阵CCD的缆绳缆力监测装置，其特征在于，所述夹持装置上设有连接角铁。

9.根据权利要求1所述的基于线阵CCD的缆绳缆力监测装置，其特征在于，所述夹持装置和待测缆绳之间设有防滑垫层。