CN110132153B - 一种桥墩水下裂缝电控巡回监测装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥墩水下裂缝电控巡回监测装置及其使用方法，包括竖向移动装置、连接装置、环向移动装置和拍摄装置，所述的竖向移动装置设置在桥墩两侧，所述的环向移动装置套在桥墩外侧，竖向移动装置和环向移动装置之间设有连接装置，所述的拍摄装置安装在环向移动装置上，所述的环向移动装置包括环状U型槽，所述的环状U型槽内设有滑动滚轮，所述的滑动滚轮之间连接有拍摄装置。本发明通过齿轮装置以及组装式通电磁导线套管使水下拍摄装置能够对混凝土桥墩表面进行全覆盖的图像采集，裂缝监测数据在时间空间上均得到了扩展，同时，该装置采用高清摄像机对混凝土桥墩表面进行拍摄，采集的裂缝信息将包括裂缝位置、裂缝形态及裂缝总数量。

Description

一种桥墩水下裂缝电控巡回监测装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及桥梁结构安全监测领域，尤其涉及一种桥墩水下裂缝电控巡回监测装置及其使用方法。

背景技术

混凝土桥墩的裂缝监测是桥梁结构安全监测的重要部分。混凝土材料的变形易受温度影响，当混凝土结构件的温度场分布不均匀时，不同部位膨胀或收缩的状态不同，因此混凝土构件表面会产生温度裂缝。尤其是修建在高寒地区的桥梁，建筑物所在区域昼夜温差大，该自然气候条件使得混凝土桥墩表面极易产生温度裂缝。因此寻求一种专门针对桥墩表面裂缝监测装置及其使用方法，是桥梁结构安全监测领域研究人员对于极端条件下裂缝监测方向的研究热点，对桥墩混凝土结构的安全稳定运行也起着重要作用。

通常，桥梁结构裂缝监测项目的实施是通过在某些重点监测部位埋设测缝计，然而这种方式只能对桥梁桥墩的某些部位开裂状态进行监测，裂缝监测的作用受到了限制，因此如何扩展裂缝监测的覆盖范围成为结构安全监测技术人员研究的方向。此外，在上述的传统裂缝监测方式中，测缝计一旦出现故障或者损坏不易进行修理和更换，因此，随着混凝土桥墩运行时间的增长，测缝计的存活率将会不断降低，裂缝监测项目的质量无法得到保证。第三，测缝计的监测量为裂缝开合度，其无法对裂缝数目和裂缝具体形态进行监测，不能对高寒地区混凝土桥墩运行期的表面裂缝问题提供补强修复依据。

对于裂缝数目和形态的监测，目前主流的方式仍是潜水员携带设备潜入水底对桥墩表面进行巡检。人工巡检的方式可以实现对桥墩表面细微裂缝的识别，但是仍然存在以下几个问题：第一，人工巡检对于实操人员的专业背景较强，实际操作和评估中的人为误差难以避免；第二，潜水巡检存在一定的危险性，尤其是随着近年跨海大桥的建设，潜水难度越来越大；第三，难以系统的记录整个桥墩表面的裂缝信息，以及对桥墩表面进行整体建模。

随着无人机技术的发展，工程技术人员开始尝试采用水下无人机拍照巡检的方式对桥墩裂缝进行监测，但是由于水下流速等环境的复杂性，巡检无人机在水下定点巡航的精度始终难以保障。另外，用于裂缝监测的相机等装备精度要求较高，质量通常比较重，因此在实际工程中，采购同时保障承重能力和续航能力的无人机价格过于昂贵。第三，水下环境恶劣时更容易出现桥墩表面安全问题，而水下无人机难以在环境恶劣的场景实现定点巡航。

针对传统裂缝监测覆盖面不足，监测量单一，以及人工巡检和无人机监测稳定性不足等缺点，可以采用水下高清摄像机对混凝土桥墩进行全覆盖拍摄，结合图像处理技术桥墩表面裂缝进行监测分析。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种桥墩水下裂缝电控巡回监测装置及其使用方法。

技术方案：本发明包括竖向移动装置、连接装置、环向移动装置和拍摄装置，所述的竖向移动装置设置在桥墩两侧，所述的环向移动装置套在桥墩外侧，竖向移动装置和环向移动装置之间设有连接装置，所述的拍摄装置安装在环向移动装置上。

所述的环向移动装置包括环状U型槽，环状U型槽套在桥墩外侧，为拍摄装置提供可自动环向移动的轨道。

所述的环状U型槽内设有滑动滚轮，所述的滑动滚轮之间连接有拍摄连接支架，拍摄连接支架上设有拍摄装置。

所述的滑动滚轮内安装有遥感电源。

所述的连接装置包括齿轮转轮，所述的齿轮转轮通过齿轮连接轴与齿轮支架连接，所述齿轮支架的顶角处固定有齿轮小车平板，齿轮小车平板的另一侧连接有齿轮小车连接柱，用于连接竖向移动装置和环向移动装置。

所述的齿轮小车连接柱的另一端位于环状U型槽内，并与拍摄连接支架固定。

所述竖向移动装置的一侧设有齿轮条，并通过电磁力将连接装置的齿轮转轮固定在齿轮条上，为试验装置提供可自动竖向移动的动力。

所述竖向移动装置的底部固定有混凝土墩。

所述的竖向移动装置与混凝土墩之间设有加固支架。

一种桥墩水下裂缝电控巡回监测装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)浇筑两个混凝土墩，两组组装式通电磁导线套管分别固定在两个混凝土墩中，通过设置加固支架对组装式通电磁导线套管进行固定；

(2)组装连接装置，两个齿轮转轮通过两个齿轮连接轴与齿轮支架连接，将齿轮小车平板固定在齿轮支架上，将齿轮小车连接柱固定在齿轮小车平板上，打开通电磁导线套管的电源使连接装置固定在竖向移动装置套管表面的齿轮条上；

(3)将LED灯和水下高清摄像机固定在拍摄连接支架上，连接支架与滑轮滚轮相连接，滑轮滚轮安装在环状U型槽内，环状U型槽由两侧连接装置的齿轮小车连接柱固定支撑；

(4)通过遥感开关打开滑动滚轮内部的电源，拍摄装置沿轨道环向移动水下高清摄像机开始进行图像采集，位置传感器收集水下摄像机位置，同时地面上工作人员通过VR设备查看水下摄影图像效果；

(5)通过遥感开关关闭滑动滚轮内部的电源，控制通电磁导线电源打开，拍摄装置匀速下降一段距离，再次打开滑动滚轮内部电源，水下高清摄像机开始沿环状轨道进行拍摄，依次进行竖向移动和环向移动，水下高清摄像机完成对桥墩的全面图像采集；

(6)拍摄结束后将视频缓存、压缩，同时采集位置传感器收集的位置数据，将拍摄图像数据和位置数据打包上传至web服务器和数据服务器，进行数据处理。

有益效果：本发明通过齿轮装置以及组装式通电磁导线套管使水下拍摄装置能够对混凝土桥墩表面进行全覆盖的图像采集，裂缝监测数据在时间空间上均得到了扩展，同时，该装置采用高清摄像机对混凝土桥墩表面进行拍摄，采集的裂缝信息将包括裂缝位置、裂缝形态及裂缝总数量。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1中的A部放大图；

图3是图1中的B部放大图；

图4是本发明的组装式套管连接示意图；

图5是本发明的操作流程图；

图6是本发明的系统框架图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1至图4所示，本发明包括竖向移动装置、连接装置、环向移动装置和拍摄装置，竖向移动装置包括若干节组装式套管1和齿轮条7，每节组装式套管1中有两组通电磁导线，包括一个外盒2，一个电源3，一根磁铁4和一条通电导线5，如图3和图4所示，为试验装置提供可自动竖向移动的动力。节与节之间的组装式套管1通过左右两侧的铆钉17连接为一体，外盒2内设有一根磁铁4，磁铁4上绕有通电导线5，通电导线5上连有电源3。外盒2材质为聚氯乙烯，电源3电压为220～380V；磁铁4长度为10～20cm，直径为5～10cm；通电导线5为带有绝缘层的铜线。组装式套管1为不锈钢管，每节长度为50～100cm，外直径为15～20cm，厚度为2～3cm，组装式套管1一侧固定有齿轮条7，其长度为10～20m。如图1所示，桥墩两侧对立设置有两个圆柱形的混凝土墩6，其直径为50～100cm，高度为15～30cm，混凝土墩6与组装式套管1之间均设有两根加固支架10，其材质为不锈钢，长度为30～40cm。

竖向移动装置利用电磁力使齿轮小车进行竖向移动，组装式套管1中的磁导线圈接通电源之后产生电磁力，齿轮小车中的齿轮转轮20材料为不锈铁，因此齿轮小车能够通过电磁力固定在竖向移动装置的齿轮条7上。齿轮小车的运动通过控制沿途的通电磁导线管依次打开和关闭实现。例如：当齿轮小车需要匀速下降时，由上至下依次打开关闭通电磁导线电源，即打开下一节组装式套管1中的通电磁导线电源，并关闭齿轮小车所在的组装式套管1中的通电磁导线电源，通过电磁力位置的变化，牵引齿轮小车下行。同理，当齿轮小车位于底端需要上行时，由下而上依次打开关闭通电磁导线电源，使齿轮小车上升。

如图3所示，连接装置用于连接竖向移动装置和环向移动装置，包括两个齿轮转轮20，两个齿轮连接轴19，两个齿轮支架18，一个齿轮小车平板8和一个齿轮小车连接柱9。两个齿轮转轮20与齿轮条7啮合，两个齿轮转轮20内部均连接有一个齿轮连接轴19，两个齿轮转轮20通过两个齿轮连接轴19与齿轮支架18连接，齿轮转轮20为小号齿轮，尺寸相同，材质为不锈铁，外直径为10～20cm、内直径为1～2cm，宽度为5～10cm，每个齿轮包括15～30个齿，齿面粗糙度为1.4～1.8；两个齿轮连接轴19尺寸相同，直径为0.5～1.5cm，长度为10～15cm，齿轮连接轴19直径与齿轮转轮20内径相同；齿轮支架18材质为实心不锈钢，形状为等腰三角形，支架两条腰长度为10～20cm，支架底边长度为15～20cm，齿轮支架18固定在齿轮转轮20两侧，各自与齿轮连接轴19固定。等腰三角形齿轮支架18的顶角处连接有齿轮小车平板8，其材质为不锈钢，长度为20～30cm，宽度为15～25cm，厚度为3～5cm，固定在齿轮支架18上，齿轮小车连接柱9一端固定在齿轮小车平板8上，另一端与环状U型槽11相连，其材质为实心不锈钢，直径为3～5cm，长度为15～30cm，环状U型槽11由两侧连接装置的齿轮小车连接柱9固定支撑。

环向移动装置为拍摄装置提供可自动环向移动的轨道，包括环绕桥墩周向设计的环状U型槽11，其材质为不锈钢，槽宽为10～20cm，槽高为10～15cm，厚度为1～2cm，如图2所示。拍摄装置是进行裂缝图像采集的主要设备，包括滑动滚轮12，拍摄连接支架13，遥感电源14，LED灯15和水下高清摄像机16。两个滑动滚轮12位于环状U型槽11内，并呈对称分布，内部嵌有遥感电源14，两个滑动滚轮12之间连接有拍摄连接支架13，支架下端设有LED灯15，底部连接有水下高清摄像机16。两个滑动滚轮12尺寸相同，半径为5～7cm，能够在环向移动装置中的U型槽中滑动，遥感电源14设置在滑动滚轮12内部，为拍摄装置的环向移动提供动力，其电源电压为12～24V,拍摄连接支架13材质为铝合金，连接了两个滑动滚轮12以及LED灯15和水下高清摄像机16，支架长度为30～50cm；LED灯15输入电压为12～24V，光通量为1000～2000lm，材质为不锈钢和钢化玻璃；水下高清摄像机16的防水等级为水下50～200m，记录分辨率为1080p～1440p，其顶部固定有位置传感器21，用于收集水下高清摄像机16的位置。

一种桥墩水下裂缝电控巡回监测装置的使用方法，如图5所示，包括以下步骤：

(1)浇筑两个混凝土墩，两组组装式通电磁导线套管分别固定在两个混凝土墩中，通过设置加固支架对组装式通电磁导线套管进行固定。

(2)组装连接装置，两个齿轮转轮通过两个齿轮连接轴与齿轮支架连接，将齿轮小车平板固定在齿轮支架上，将齿轮小车连接柱固定在齿轮小车平板上，打开通电磁导线套管的电源使连接装置固定在竖向移动装置套管表面的齿轮条上。

(3)将LED灯和水下高清摄像机固定在拍摄连接支架上，连接支架与滑轮滚轮相连接，滑轮滚轮安装在环状U型槽内，环状U型槽由两侧连接装置的齿轮小车连接柱固定支撑。

(4)通过遥感开关打开滑动滚轮内部的电源，拍摄装置沿轨道环向移动水下高清摄像机开始进行图像采集，位置传感器收集水下摄像机位置，同时地面上工作人员通过VR设备查看水下摄影图像效果。

(5)通过遥感开关关闭滑动滚轮内部的电源，控制通电磁导线电源打开，拍摄装置匀速下降一段距离，再次打开滑动滚轮内部电源，水下高清摄像机开始沿环状轨道进行拍摄，依次进行竖向移动和环向移动，水下高清摄像机完成对桥墩的全面图像采集。

(6)拍摄结束后将视频缓存、压缩，同时采集位置传感器收集的位置数据，将拍摄图像数据和位置数据打包上传至web服务器和数据服务器。

(7)监测管理人员在web服务器上下载相应数据进行处理，首先将视频格式转换为图片格式，随后对图片进行二值化处理，通过程序对图片分析后导出程序删选出的异常图片，监测管理人员对异常图片进行人工判断，最后将分析结果及分析过程的数据存储至数据服务器。

(8)对混凝土桥墩建立三维模型，将裂缝监测数据导入模型数据库，进行有限元结构计算分析。

(9)用户终端能够查看三维模型和裂缝监测结果，查看模型数据库，对监测信息进行检索，实现监测数据可视化。

实施例1：

预制组装式套管1，其每节长度为50～100cm(本实施例为100cm)，外直径为15～20cm(本实施例为20cm)，厚度为2～3cm(本实施例为2cm)，每节套管内有两个外盒2，每个外盒2中有购置的磁铁4，其长度为10～20cm(本实施例为15cm)，直径为5～10cm(本实施例为8cm)，购置电源3，其电压为220～380V(本实施例为220V)，在桥墩两侧浇筑混凝土墩6，其直径为50～100cm(本实施例为100cm)，高度为15～30cm(本实施例为20cm)，同时组装式套管1被固定在混凝土墩6中，在组装式套管1两侧安设加固支架10，其长度为30～40cm(本实施例为35cm)。预制两个齿轮转轮20，尺寸相同，其外直径为10～20cm(本实施例为15cm)、内直径为1～2cm(本实施例为1cm)，宽度为5～10cm(本实施例为5cm)，每个齿轮包括15～30个齿(本实施例为15齿)，齿面粗糙度为1.4～1.8(本实施例为1.6)，预制两个相同尺寸的齿轮连接轴19，其直径为0.5～1.5cm(本实施例为1cm)，长度为10～15cm(本实施例为12cm)，齿轮连接轴直径与齿轮转轮内径相同，预制齿轮支架18，将其固定在齿轮转轮20两侧与齿轮连接轴19相连，支架18两条腰长度为10～20cm(本实施例为20cm)，支架18底边长度为15～20cm(本实施例为15cm)，预制齿轮小车平板8，其长度为20～30cm(本实施例为20cm)，宽度为15～25cm(本实施例为20cm)，厚度为3～5cm(本实施例为3cm)，预制齿轮小车连接柱9，其直径为3～5cm(本实施例为3cm)，长度为15～30cm(本实施例为15cm)，齿轮小车连接柱9一端固定在齿轮小车平板8上，另一端与环状U型槽11相连。预制环状U型槽，其槽宽为10～20cm(本实施例为15cm)，槽高为10～15cm(本实施例为10cm)，厚度为1～2cm(本实施例为1cm)，环状U型槽11内设置拍摄装置。预制两个相同尺寸的滑动滚轮12，其半径为5～7cm(本实施例为5cm)，能够在环向移动装置中的U型槽11中滑动，购置遥感电源14，设置在滑动滚轮12内部，为拍摄装置的环向移动提供动力，其电源电压为12～24V(本实施例为24V)，预制拍摄连接支架13，其长度为30～50cm(本实施例为40cm)，拍摄连接支架13上安装了两个滑动滚轮12、LED灯15以及水下高清摄像机16，购置LED灯15，其输入电压为12～24V(本实施例为24V)，光通量为1000～2000lm(本实施例为1500lm)，购置水下高清摄像机16，其防水等级为水下50～200m(本实施例为50m)，记录分辨率为1080p～1440p(本实施例为1440p)。

本发明根据混凝土桥墩温度裂缝多位于混凝土表面这一分布特点，采用安装在平面全覆盖移动支架上的水下高清摄像机对混凝土桥墩表面进行拍摄，结合图像处理技术对混凝土桥墩表面裂缝进行监测分析，作为解决传统裂缝监测覆盖面不足，监测量单一问题的方法。另外，建立裂缝监测数据共享平台，将区域内裂缝监测数据共享上传，便于管理机构集中分析管理。利用安装在桥墩两侧的竖向移动装置实现拍摄装置的竖向移动，在竖向移动装置中，通过组装式通电磁导线套管的电磁力和连接装置使换向移动装置能够竖向移动，在连接装置中，齿轮转轮与通电磁导线套管上的齿轮条啮合，齿轮小车连接柱连接环向移动装置，环向移动装置为环状U型槽，拍摄装置沿槽壁移动，实现拍摄装置的环向移动。

Claims (9)

1.一种桥墩水下裂缝电控巡回监测装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)首先，构建一种桥墩水下裂缝电控巡回监测装置，包括竖向移动装置、连接装置、环向移动装置和拍摄装置，所述的竖向移动装置设置在桥墩两侧，所述的环向移动装置套在桥墩外侧，竖向移动装置和环向移动装置之间设有连接装置，所述的拍摄装置安装在环向移动装置上，其次，浇筑两个混凝土墩，两组组装式通电磁导线套管分别固定在两个混凝土墩中，通过设置加固支架对组装式通电磁导线套管进行固定；

(2)组装连接装置，两个齿轮转轮通过两个齿轮连接轴与齿轮支架连接，将齿轮小车平板固定在齿轮支架上，将齿轮小车连接柱固定在齿轮小车平板上，打开通电磁导线套管的电源使连接装置固定在竖向移动装置套管表面的齿轮条上；

(3)将LED灯和水下高清摄像机固定在拍摄连接支架上，连接支架与滑轮滚轮相连接，滑轮滚轮安装在环状U型槽内，环状U型槽由两侧连接装置的齿轮小车连接柱固定支撑；

(4)通过遥感开关打开滑动滚轮内部的电源，拍摄装置沿轨道环向移动水下高清摄像机开始进行图像采集，位置传感器收集水下摄像机位置，同时地面上工作人员通过VR设备查看水下摄影图像效果；

(5)通过遥感开关关闭滑动滚轮内部的电源，控制通电磁导线电源打开，拍摄装置匀速下降一段距离，再次打开滑动滚轮内部电源，水下高清摄像机开始沿环状轨道进行拍摄，依次进行竖向移动和环向移动，水下高清摄像机完成对桥墩的全面图像采集；

(6)拍摄结束后将视频缓存、压缩，同时采集位置传感器收集的位置数据，将拍摄图像数据和位置数据打包上传至web服务器和数据服务器，进行数据处理。

2.根据权利要求1所述的一种桥墩水下裂缝电控巡回监测装置的使用方法，其特征在于，所述的环向移动装置包括环状U型槽，环状U型槽套在桥墩外侧。

3.根据权利要求2所述的一种桥墩水下裂缝电控巡回监测装置的使用方法，其特征在于，所述的环状U型槽内设有滑动滚轮，所述的滑动滚轮之间连接有拍摄连接支架，拍摄连接支架上设有拍摄装置。

4.根据权利要求3所述的一种桥墩水下裂缝电控巡回监测装置的使用方法，其特征在于，所述的滑动滚轮内安装有遥感电源。

5.根据权利要求1所述的一种桥墩水下裂缝电控巡回监测装置的使用方法，其特征在于，所述的连接装置包括齿轮转轮，所述的齿轮转轮通过齿轮连接轴与齿轮支架连接，所述齿轮支架的顶角处固定有齿轮小车平板，齿轮小车平板的另一侧连接有齿轮小车连接柱。

6.根据权利要求5所述的一种桥墩水下裂缝电控巡回监测装置的使用方法，其特征在于，所述的齿轮小车连接柱的另一端位于环状U型槽内，并与拍摄连接支架固定。

7.根据权利要求1所述的一种桥墩水下裂缝电控巡回监测装置的使用方法，其特征在于，所述竖向移动装置的一侧设有齿轮条，并通过电磁力将连接装置的齿轮转轮固定在齿轮条上。

8.根据权利要求1所述的一种桥墩水下裂缝电控巡回监测装置的使用方法，其特征在于，所述竖向移动装置的底部固定有混凝土墩。

9.根据权利要求1或8所述的一种桥墩水下裂缝电控巡回监测装置的使用方法，其特征在于，所述的竖向移动装置与混凝土墩之间设有加固支架。

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