CN111811419A - 一种基于激光的桥梁挠度检测系统及方法 - Google Patents

一种基于激光的桥梁挠度检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光的桥梁挠度检测系统及方法，包括有远程控制终端、检测装置以及激光发射器，所述检测装置安装在桥梁待检测点，所述激光发射器放置在与检测装置水平同高度，所述检测装置与远程控制终端通讯连接；检测装置包括控制器、遮雨棚、透镜模组和四象限探测器，所述控制器通过吊杆设置在遮雨棚的下端，所述四象限传感器安装在控制器的下端并与控制器电连接，所述透镜模组通过安装架安装在遮雨棚的下端。该方案通过四象限探测器检测激光束的光斑位置，并通过与数据库的电流比进行比对，最后通过插值法得到准确的光斑中心位置坐标，提高桥梁挠度的测量准确度。

Description

一种基于激光的桥梁挠度检测系统及方法
技术领域
本发明涉及桥梁检测技术领域，具体的，涉及一种基于激光的桥梁挠度检测系统及方法。
背景技术
桥梁挠度是指梁体在某一截面处的形心在垂直于轴的方向发生的纵向线位移的大小；当有桥梁上有测量等外力的作用时，桥梁会产生一个垂直方向的形变，即挠度；检测桥梁挠度是判定一个桥梁是否损坏的重要依据；传统的桥梁挠度检测通常采用加速度计、连通管的方法，近几年也出现了一些基于视觉的挠度测量产品，传统的加速度计等挠度测量方法精度不够高，基于视觉的桥梁挠度测量多为远距离测量，空气中的热浪会造成图像的抖动，使得测量精度在户外高温时受到很大的影响；基于四象限探测器的桥梁挠度检测方法，由于四象限探测器本身易受到背景光及暗电流影响，会产生噪声干扰。
中国专利，授权公告号：CN104613891B，授权公告日：2018年4月27日，涉及一种桥梁挠度检测系统及检测方法；包括复数个检测靶，图像采集装置，固定设置于待检测桥梁底部，用以采集第一检测靶、第二检测靶的位置信息；并形成一数据信息组输出；计算单元，连接图像采集装置，用以接收数据信息，并计算桥梁的挠度；通讯单元，分别连接计算单元、远程监控端，用以接收挠度，并发送至远程监控端。该基于图像的桥梁挠度测量方法，空气中的热浪会造成图像的抖动，使得测量精度在户外高温时受到很大的影响。
发明内容
本发明的目的是解决传统的桥梁挠度测量精度差、检测成本高以及检测结果受环境影响大的缺点，提出了一种基于激光的桥梁挠度检测系统及方法；该方案通过四象限探测器检测激光束的光斑位置，并通过与数据库的电流比进行比对，最后通过插值法得到准确的光斑中心位置坐标，提高桥梁挠度的测量准确度。
为实现上述技术目的，本发明提供的一种技术方案是，一种基于激光的桥梁挠度检测系统，包括有远程控制终端、检测装置以及激光发射器，所述检测装置安装在桥梁待检测点，所述激光发射器放置在与检测装置水平同高度，所述检测装置与远程控制终端通讯连接。本方案中，检测装置接收激光发射器的发射光束，发射光束投射在检测装置上形成光斑，检测装置将光斑形成的电流数据发送远程控制终端，远程控制终端对数据进行比对处理，得到准确的光斑坐标值，进而得到桥梁挠度值。
作为优选，检测装置包括控制器、遮雨棚、透镜模组和四象限探测器，所述控制器通过吊杆设置在遮雨棚的下端，所述四象限传感器安装在控制器的下端并与控制器电连接，所述透镜模组通过安装架安装在遮雨棚的下端。
本方案中，根据桥梁的跨度大小，选择合适的激光光源和四象限探测器的安装位置；激光光源和四象限探测器上面安装遮雨棚，避免雨雪天影响设备的正常工作；四象限探测器可以直接输出光斑的中心坐标，且精度可以满足0.05mm以内；激光的能量高，远距离传输衰减小；激光的光斑能量属于高斯分布，光斑中心能量高，周围能量低，在雨天时，激光传输的衰减比正常情况多，但光斑能量的高斯分布是不变的，四象限探测器是通过光斑的能量分布来计算中心坐标的，因此雨天对测量精度的影响小。
作为优选，所述透镜模组包括有第一直角棱镜、第二直角棱镜以及滤波片，所述第一直角棱镜与水平位置出呈45度角安装，所述第二直角棱镜以及滤波片设置在模组盒中，所述模组盒通过支架安装在遮雨棚的下端，所述滤波片水平安装，使得激光经过第一直角棱镜的反射垂直穿过滤波片；所述第二直角棱镜与水平位置出呈45度角安装，使得激光水平直射到所述四象限探测器的光敏探测区域。本方案中，将激光发射经过滤波片的作用是为了滤去背景杂散光，提高系统信噪比，由于第一直角棱镜的有效感光面积大，便于激光发射器找准发射角度。
作为优选，所述控制器包括有无线通讯模块、供电模块、主控芯片、定位模块以及存储模块，所述无线通讯模块、供电模块、定位模块以及存储模块分别与主控芯片电连接，所述主控芯片通过无线通讯模块与远程控制终端通讯连接。
根据权利要求1所述的一种桥梁挠度检测方法，包括如下步骤：
S1、同高度同角度水平安装激光发射器，激光发射器发射出的激光束水平照射至探测装置，使得激光束落入到四象限探测器的探测面上形成光斑；
S2、四象限探测器输出四个面的电流值I1、I2、I3、I4，通过无线通讯模块将测得的电流值I1、I2、I3、I4，发送至远程控制终端的数据处理单元；
S3、根据四象限探测器输出的电流值I1、I2、I3、I4，首先计算获得电流比值I1∶I2∶I3∶I4，然后利用电流比值在已建立的数据库中进行查询，先获得近似的光斑中心位置坐标值，最后通过线性插值计算出精确的光斑中心位置坐标值。
数据库的建立方法包括如下步骤：
A1、对光斑中心位置位于第一象限内的光斑进行仿真计算，求解其电流比，当光斑实际位置在其他三个象限时，利用坐标旋转将光斑中心转化为第一象限的点，求解各象限间电流比；
A2、将第一象限划分为多个边长为1μm的正方形，令光斑中心遍历所有正方形的顶点位置，将每个点位的电流比例录入数据库，再利用坐标旋转得出其他三个象限的电流比例，完成数据库的建立。
数据库的查询方式包括如下步骤：
B1、已知四个象限的电流值I1、I2、I3、I4，实验仿真计算得到原始质心计算方法的误差值r；
B2、由通用质心计算方法计算出误差较大的光斑中心，记为(x1，y1)；
B3、以(x1，y1)为圆心，r为半径的圆作为查询区域，在这个比整个数据库小得多的范围内把测量系统输出的电流比与数据库中各点对应的电流比逐一对比，找到对应的电流比与测量系统输出的电流比值差最小的n个点；
B4、使用插值方法计算出最终结果(具体由选用的插值方法决定，差值方法很多，其目的是为了提高测量的精确度，差值方法不再累述，以使用线性插值为例，查询得出最接近的两个点即可)。
电流比的相似度计算方法如下：将四个象限的电流I1、I2、I3、I4归一化为单位向量Vi＝(I′i1，I′i2，I′i3，I′i4)，其中I′i1 2+I′i2 2+I′i3 2+I′i4 2＝1，两个向量之间的相似度定义为两个单位向量的内积Rij＝|Vi·Vj|；由向量性质可知，两个单位向量的内积越接近1，相似度越高，且相似度最大为1；因此R越大，相似度越高，从而能够查询到数据库中与测量结果最接近的电流比值。
本发明的有益效果：本发明一种基于激光的桥梁挠度检测系统及方法，通过选用四象限探测器配合透镜模组，得到去噪的激光信号，通过四象限探测器检测激光束的光斑位置，并通过与数据库的电流比进行比对，最后通过插值法得到准确的光斑中心位置坐标，显著提高桥梁挠度的测量准确度。
附图说明
图1为本发明的一种基于激光的桥梁挠度检测系统的结构示意图。
图中标记说明：1-激光发射器、2-控制器、3-遮雨棚、4-吊杆、5-四象限探测器、6-第一直角棱镜、7-第二直角棱镜、8-滤波片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅是本发明的一种最佳实施例，仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：如图1所示，一种基于激光的桥梁挠度检测系统，由远程控制终端(未示出)、检测装置以及激光发射器1组成，检测装置安装在桥梁待检测点，激光发射器1放置在与检测装置水平同高度，检测装置与远程控制终端通讯连接。本实施例中，检测装置接收激光发射器1的发射光束，发射光束投射在检测装置上形成光斑，检测装置将光斑形成的电流数据发送远程控制终端，远程控制终端对数据进行比对处理，得到准确的光斑坐标值，进而得到桥梁挠度值。
检测装置由控制器2、遮雨棚3、透镜模组和四象限探测器5组成，控制器2通过吊杆4设置在遮雨棚3的下端，四象限传感器安装在控制器2的下端并与控制器2电连接，透镜模组通过安装架安装在遮雨棚3的下端，控制器2包括有无线通讯模块、供电模块、主控芯片、定位模块以及存储模块，无线通讯模块、供电模块、定位模块以及存储模块分别与主控芯片电连接，主控芯片通过无线通讯模块与远程控制终端通讯连接，单片机采用STM32型号单片机，定位模块采用GPS定位传感器、供电模块采用可充电的锂电池便于替换。
本实施例中，根据桥梁的跨度大小，选择合适的激光光源和四象限探测器5的安装位置；激光光源和四象限探测器5上面安装遮雨棚3，避免雨雪天影响设备的正常工作；四象限探测器5可以直接输出光斑的中心坐标，且精度可以满足0.05mm以内；激光的能量高，远距离传输衰减小；激光的光斑能量属于高斯分布，光斑中心能量高，周围能量低，在雨天时，激光传输的衰减比正常情况多，但光斑能量的高斯分布是不变的，四象限探测器5是通过光斑的能量分布来计算中心坐标的，因此雨天对测量精度的影响小。
透镜模组由第一直角棱镜6、第二直角棱镜7以及滤波片8，第一直角棱镜6与水平位置出呈45度角安装，第二直角棱镜7以及滤波片8设置在模组盒中，模组盒通过支架安装在遮雨棚3的下端，滤波片8水平安装，使得激光经过第一直角棱镜6的反射垂直穿过滤波片8；第二直角棱镜7与水平位置出呈45度角安装，使得激光水平直射到四象限探测器5的光敏探测区域。本实施例中，将激光发射经过滤波片8的作用是为了滤去背景杂散光，提高系统信噪比，由于第一直角棱镜6的有效感光面积大，便于激光发射器1找准发射角度。
一种桥梁挠度检测方法，包括如下步骤：
S1、同高度同角度水平安装激光发射器1，激光发射器1发射出的激光束水平照射至探测装置，使得激光束落入到四象限探测器5的探测面上形成光斑；
S2、四象限探测器5输出四个面的电流值I1、I2、I3、I4，通过无线通讯模块将测得的电流值I1、I2、I3、I4，发送至远程控制终端的数据处理单元；
S3、根据四象限探测器5输出的电流值I1、I2、I3、I4，首先计算获得电流比值I1∶I2∶I3∶I4，然后利用电流比值在已建立的数据库中进行查询，先获得近似的光斑中心位置坐标值，最后通过线性插值计算出精确的光斑中心位置坐标值。
数据库的建立方法包括如下步骤：
A1、对光斑中心位置位于第一象限内的光斑进行仿真计算，求解其电流比，当光斑实际位置在其他三个象限时，利用坐标旋转将光斑中心转化为第一象限的点，求解各象限间电流比；
A2、将第一象限划分为多个边长为1μm的正方形，令光斑中心遍历所有正方形的顶点位置，将每个点位的电流比例录入数据库，再利用坐标旋转得出其他三个象限的电流比例，完成数据库的建立。
数据库的查询方式包括如下步骤：
B1、已知四个象限的电流值I1、I2、I3、I4，实验仿真计算得到原始质心计算方法的误差值r；
B2、由通用质心计算方法计算出误差较大的光斑中心，记为(x1，y1)；
B3、以(x1，y1)为圆心，r为半径的圆作为查询区域，在这个比整个数据库小得多的范围内把测量系统输出的电流比与数据库中各点对应的电流比逐一对比，找到对应的电流比与测量系统输出的电流比值差最小的n个点；
B4、使用插值方法计算出最终结果(具体由选用的插值方法决定，差值方法很多，其目的是为了提高测量的精确度，差值方法不再累述，以使用线性插值为例，查询得出最接近的两个点即可)。
电流比的相似度计算方法如下：将四个象限的电流I1、I2、I3、I4归一化为单位向量Vi＝(I′i1，I′i2，I′i3，I′i4)，其中I′i1 2+I′i2 2+I′i3 2+I′i4 2＝1，两个向量之间的相似度定义为两个单位向量的内积Rij＝|Vi·Vj|；由向量性质可知，两个单位向量的内积越接近1，相似度越高，且相似度最大为1；因此R越大，相似度越高，从而能够查询到数据库中与测量结果最接近的电流比值。
以上所述之具体实施方式为本发明一种基于激光的桥梁挠度检测系统及方法的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于激光的桥梁挠度检测系统，其特征在于：包括有远程控制终端、检测装置以及激光发射器，所述检测装置安装在桥梁待检测点，所述激光发射器放置在与检测装置水平同高度，所述检测装置与远程控制终端通讯连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光的桥梁挠度检测系统，其特征在于：所述检测装置包括控制器、遮雨棚、透镜模组和四象限探测器，所述控制器通过吊杆设置在遮雨棚的下端，所述四象限传感器安装在控制器的下端并与控制器电连接，所述透镜模组通过安装架安装在遮雨棚的下端。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光的桥梁挠度检测系统，其特征在于：所述透镜模组包括有第一直角棱镜、第二直角棱镜以及滤波片，所述第一直角棱镜与水平位置出呈45度角安装，所述第二直角棱镜以及滤波片设置在模组盒中，所述模组盒通过支架安装在遮雨棚的下端，所述滤波片水平安装，使得激光经过第一直角棱镜的反射垂直穿过滤波片；所述第二直角棱镜与水平位置出呈45度角安装，使得激光水平直射到所述四象限探测器的光敏探测区域。
4.根据权利要求2所述的一种基于激光的桥梁挠度检测系统，其特征在于：所述控制器包括有无线通讯模块、供电模块、主控芯片、定位模块以及存储模块，所述无线通讯模块、供电模块、定位模块以及存储模块分别与主控芯片电连接，所述主控芯片通过无线通讯模块与远程控制终端通讯连接。
5.根据权利要求1所述的一种桥梁挠度检测方法，适用于如权利要求1所述的一种基于激光的桥梁挠度检测系统，其特征在于：包括如下步骤：
S1、同高度同角度水平安装激光发射器，激光发射器发射出的激光束水平照射至探测装置，使得激光束落入到四象限探测器的探测面上形成光斑；
S2、四象限探测器输出四个面的电流值I1、I2、I3、I4，通过无线通讯模块将测得的电流值I1、I2、I3、I4，发送至远程控制终端的数据处理单元；
S3、根据四象限探测器输出的电流值I1、I2、I3、I4，首先计算获得电流比值I1∶I2∶I3∶I4，然后利用电流比值在已建立的数据库中进行查询，先获得近似的光斑中心位置坐标值，最后通过线性插值计算出精确的光斑中心位置坐标值。
6.根据权利要求5所述的一种桥梁挠度检测方法，其特征在于：数据库的建立方法包括如下步骤：
A1、对光斑中心位置位于第一象限内的光斑进行仿真计算，求解其电流比，当光斑实际位置在其他三个象限时，利用坐标旋转将光斑中心转化为第一象限的点，求解各象限间电流比；
A2、将第一象限划分为多个边长为1μm的正方形，令光斑中心遍历所有正方形的顶点位置，将每个点位的电流比例录入数据库，再利用坐标旋转得出其他三个象限的电流比例，完成数据库的建立。
7.根据权利要求5所述的一种桥梁挠度检测方法，其特征在于：数据库的查询方式包括如下步骤：
B1、已知四个象限的电流值I1、I2、I3、I4，实验仿真计算得到原始质心计算方法的误差值r；
B2、由通用质心计算方法计算出误差较大的光斑中心，记为(x1，y1)；
B3、以(x1，y1)为圆心，r为半径的圆作为查询区域，在这个比整个数据库小得多的范围内把测量系统输出的电流比与数据库中各点对应的电流比逐一对比，找到对应的电流比与测量系统输出的电流比值差最小的n个点；
B4、使用插值方法计算出最终结果。
8.根据权利要求7所述的一种桥梁挠度检测方法，其特征在于：电流比的相似度计算方法如下：将四个象限的电流I1、I2、I3、I4归一化为单位向量Vi＝(I′i1，I′i2，I′i3，I′i4)，其中I′i1 2+I′i2 2+I′i3 2+I′i4 2＝1，两个向量之间的相似度定义为两个单位向量的内积Rij＝|Vi·Vj|；由向量性质可知，两个单位向量的内积越接近1，相似度越高，且相似度最大为1；因此R越大，相似度越高，从而能够查询到数据库中与测量结果最接近的电流比值。
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