CN1828221A

CN1828221A - 一种大型土木工程结构动态位移远距离实时检测系统

Info

Publication number: CN1828221A
Application number: CN 200610018741
Authority: CN
Inventors: 朱宏平; 赵文光; 文银平; 李林; 罗洪斌; 张国栋; 曾乐飞
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2006-04-12
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2006-09-06

Abstract

本发明公开了一种大型土木工程结构动态位移远距离实时检测系统。它包括标定板、图像采集装置和数据处理装置；标定板为布置有若干标定点的平板，图像采集装置由摄像装置和位于计算机内的图像采集卡构成，用于采集标定板的图像，并将其转化为数字信号，再传送给数据处理装置；数据处理装置用于对数字信号进行处理，输出被测结构的动态位移时程和频率。本发明可以现场实时处理、实时输出数字信息、数据表和时程曲线；仪器安装姿态无特殊限制；系统标定简便快速。这些特点很适合工程现场复杂环境应用。本发明其观测距离、精度和响应速率能满足大型结构低频率振动检测的要求，系统具有构造简单、成本低和操作简便的特点。

Description

一种大型土木工程结构动态位移远距离实时检测系统

技术领域

本发明属于土木工程结构动态检测，具体涉及一种大型土木工程结构动态位移远距离实时检测系统。

背景技术

土木工程结构动态位移(例如振动)检测方法按得到位移的结果可分为直接法和间接法。

直接法是指直接测量位移量；间接法是指通过测量与位移相关的其他参数，如加速度或应变等，再用相关关系间接求出位移量。例如文献：人民交通出版社，2002年第一版《桥梁工程检测手册》所述，振动传感器常用相对式和惯性式两种。其实质：相对式就是直接法，而惯性式就是间接法。

直接法测量位移必须具备相对于动点固定不动的参考点——基准点，用传感器测量动点与固定点之间的相对位移。对于小型结构而言，因占用空间小，总可以找到固定的参考基准点，其位移测量是容易的事，使用的传感器从传统的机械式到现代化的各类机、光、电传感器，可达到很高的测量精度和动态响应，作到自动化、实时化。对于大型结构，例如大跨度桥梁、高耸(高层)建筑而言，要在动点附近找到固定不动的参考点是非常困难的事，上述各种传感器就没有用武之地，这就形成了大型结构动态位移检(监)测的一个瓶颈。

为了突破这个瓶颈，当前许多高新技术包括传统的光学传感器，但是这些技术都有不同程度的局限性。例如文献：人民交通出版社，2001年第一版《桥梁施工控制技术》所述许多技术。

(1)水准仪、经纬仪、电子全站仪——这些设备可架设在远离动点的固定点上对动点位移进行观测，但观测一次最快也得数秒钟时间，无法描绘动态时程变化；而且高精度全站仪价值数十万元。

(2)激光测量(包括激光干涉、激光准直、激光扫描等)——其测量精度、响应速度能达到动测要求。这类设备有的必须在动点安装接收设备，属于“动——固”分离式观测，安装要求特殊，在工程现场观测很不方便甚至不可能；有的设备很娇贵，售价很高，精度也不一定满足要求。

(3)GPS卫星定位系统——对信号接收环境要求苛刻，往往不能适应工程现场环境，加之测量精度、响应速度难以达到技术要求，售价昂贵。

(4)摄影测量——当代数字摄影测量方法。用数码照像机或数码摄像机获取动态影像，经处理得到动态位移。这种方法一般在现场采集图像信息，再作后处理，没有做到现场实时处理，不能获取实时动态位移信息，例如作为结构振动控制的实时信息响应。另外数字摄影测量方法，如果用通用设备，价位高，且没有针对大型结构动态观测的专业软件。前述文献中述及的“BJQN-IV型光电式桥梁挠度检测仪”式有关单位研制的用于桥梁检测的仪器。该设备是一种专用产品，特意加工了光学系统、光电系统和单片机及输出设备，要用专用软件进行后处理，没有现场实时处理和输出实时信息。另外还设有带电源的靶标、专用的标定装置，对工程现场不一定方便，成本比较高。

间接法的仪器一般小巧使用方便，其致命缺陷是测量精度和可靠性低。

综上所述开发基于直接法进行非接触远距离观测而且能实时处理和输出、精度和响应速率满足要求、安置条件宽松、构造简单成本低、操作简便的大型结构动态检测设备和技术实为必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大型土木工程结构动态位移远距离实时检测系统，该检测系统具有构造简单和成本低的特点，并且标定简单快速、安置条件宽松，安置姿态无特殊限制，能适应工程现场复杂环境条件。

本发明提供的一种大型土木工程结构动态位移远距离实时检测系统，该系统包括标定板、图像采集装置和数据处理装置；标定板为布置有N个标定点的平板，100≥N≥9，使用时标定板固定在被测结构上；图像采集装置由摄像装置和置于计算机内的图像采集卡构成，用于采集标定板的图像，并将图像转化为数字信号，再传送给数据处理装置；数据处理装置用于对接收到的数字信号进行处理，输出被测结构的动态位移时程和频率。

本系统采用远距离非接触直接观测二维动态位移，观测距离取决于摄像机配套镜头的焦距，长焦镜头可以观测到数百米。观测精度主要取决于摄像机的分辨率和观测距离及数据处理方法。本发明系统观测距离百米以内可以到亚毫米精度，观测距离500m可以达到毫米精度。关于响应速率，采用视频采集卡其采集速率25Hz，是可以满足大型结构的低频率振动检测要求的(大型结构的频率一般在几个Hz以内)。本发明可以现场实时处理、实时输出数字信息、数据表和时程曲线；仪器安装姿态(仰角、俯角、偏角)无特殊限制；标定板简单无电源，安置方便；系统标定简便快速。这些特点很适合工程现场复杂环境应用。总之，本发明其观测距离、精度和响应速率能满足大型结构低频率振动检测的要求，系统具有构造简单、成本低和操作简便的特点。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为本发明系统的数据处理流程图；

图3为本发明系统的一种具体实施方式的示意图；

图4为50m-70转/分-圆周运动轨迹图；

图5为50m-20转/分-圆周运动轨迹图；

图6为某桥25km/h跑车试验动挠度曲线；

图7为某桥20km/h跑车试验横向和纵向位移时程图；

图8为某桥20km/h跳车试验横向和纵向位移时程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明系统由标定板1、图像采集装置2和数据处理装置3构成。

标定板1为布置有N个标定点的平板，100≥N≥9，标定点的图案为矩形或圆形，最好为正方形，标定点与平板的颜色为黑白对照。标定板1固定在被测结构上，无需任何电子器件和电源。标定板1可以采用木夹板、塑胶板或薄金属板等材料。

图像采集装置2由摄像装置和置于计算机内的图像采集卡构成。它用于采集标定板1的图像，并将图像转化为数字信号，再传送给数据处理装置。摄像装置可以采用包括镜头在内的工业用CCD摄像机等器件。

数据处理装置3为安装有图像数据处理软件的计算机，它用于对接收到的数字信号进行处理，输出被测结构的动态位移时程和频率。图像数据处理软件的流程图如图2所示，下面详细说明其过程：

(1)控制图像采集装置2采集单帧图像文件，清除图像背景，然后再利用中值滤波去除图像中部分噪声，通过最优阈值实现图像的二值化后计算出该图像在标定板上像点的形心像素坐标，得到系统标定参数，实现系统标定。

(2)对采集的图像序列文件进行序列图像的自动跟踪和处理，计算出对应图像在标定板上像点的形心像素坐标，利用系统标定参数反算出目标的真实二维坐标值；

(3)通过matlab接口程序，利用matlab强大的数据和图形处理功能，使用matlab对步骤(2)得到的一系列二维坐标值进行处理，实现动态位移时程和频率的输出。

下面列举实例对本发明作进一步详细的说明：

①系统安装

将标定板1固定在待检测结构(动点)上，要求标定板的X-Y坐标轴与动点所在的工程坐标系的X-Y坐标轴平行(例如大型桥梁的“横-竖-纵”向就是桥梁工程坐标系的X-Y-Z轴；高层建筑的水平“主副”轴线就是其工程坐标系的“X-Y”轴，而铅垂线方向就是其Z轴)。

将图像采集装置和数据处理装置架设在顺桥轴线方向的固定不动的点上(可以是岸上地面点，也可以是桥墩、台上的点)；只要摄像机能摄取标定板上的图像即可；摄像机主光轴可取仰角、俯角、偏角(与桥轴线构成夹角)任意姿态(如图3所示)。

②系统标定

系统标定就是建立摄像机的像空间坐标系与工程坐标系之间的对应变换关系。

摄像机采集的图像是标定板上的几何图案(即标定点)的映射，其映射函数取决于摄像机像空间坐标系与工程坐标系之间的空间几何关系。对理想的光学系统来说是一种空间线性关系，但是实际光学系统存在多种复杂的像差、畸变差、成像平面不平度影响等，构成复杂的非线性关系。这里采用3次多项式拟合法建立两个坐标系之间的对应关系：

\{\begin{matrix} X = a_{0} + a_{1} u + a_{2} v + a_{3} u^{2} + a_{4} uv + a_{5} v^{2} \\ + a_{6} u^{3} + a_{7} u^{2} v + a_{8} u v^{2} + a_{9} v^{3} \\ Y = b_{0} + b_{1} u + b_{2} v + b_{3} u^{2} + b_{4} uv + b_{5} v^{2} \\ + b_{6} u^{3} + b_{7} u^{2} v + b_{8} u v^{2} + b_{9} v^{3} \end{matrix}

式中X，Y为点的工程坐标、u，v为对应像点的像坐标。在标定板上设有25点等间距构成的正方形点阵，其工程坐标已知，而在摄像机上对应点的像点坐标可获取。这样可组成2×25个方程式，经处理可得到20个拟合系数，这就建立了两个坐标系间的映射关系。

系统标定一般在动态观测前用摄像机对标定板采集一幅图像，建立起两坐标系的确定关系。

③动态观测

用摄像机对随着结构一起振动的标定板连续采集图像，经处理用图像点的像点坐标反求动态点的工程坐标，按图像采集速率，可以输出动态点的二维位移数据和X，Y方向的时程曲线。

在图像处理时本方案采用基于亚像素算法的形心跟踪窗口方法，提高了观测精度，开发了应用程序，作到了实时处理和输出。

采用上述所列举的检测系统进行桥梁检测。若要检测桥梁跨中的动态位移——对梁式桥而言，在动荷载作用下，其动态位移发生在竖直方向和横桥向，而顺桥轴线(纵向)位移非常小，因此检测一般做竖向和横向的二维动位移。按“横-竖-纵”建立“X-Y-Z”桥梁工程坐标系。

检测实施时，在桥梁跨中将标定板固定，要求标定板的X-Y方向与桥梁工程坐标系的X-Y方向平行；将CCD摄像机架设在岸或台、墩的固定不动点，对准标定板，即可开始检测。对标定板采集一幅图像，即可完成系统的自动标定。当进行跑车或跳车试验时，即可连续采集图像，并进行现场实时处理，输出二维位移数据表和时程曲线。观测时间长短按试验设计决定。

为了评定系统检测精度，在野外条件下做了多种距离的静态和动态试验。

(1)静态试验

在30m、50m、70m的距离上，在标定板上设了39个坐标已知点，用图像处理结果与已知值进行比较，其误差分别为：50m距离的检测误差±0.194mm，70m距离检测误差±0.226mm。

(2)圆周运动检测

用不同转速电机带动目标点作圆周运动，图4和图5为50m距离上输出的二种转速的圆周运动的轨迹图。

(3)结构对比试验

对一个5层钢框架模型进行检测，检测距离10m，并用机电位移计做了直接测量，统计结果误差±0.06mm。

用本发明系统对多座桥梁做了检测。图6、图7和图8是某两座桥梁跑车或跳车试验检测的动位移时程曲线。

上述检测系统除软件外，其硬件构成积木化，其中标定板制作很容易，而摄像机、镜头、图像采集卡、计算机均采用市售的定型通用标准产品。这样既保证了系统的可靠性，又可以根据工程技术需求指标选配相应的硬件，扩大应用范围；使硬件成本大大降低、组装简单、操作简便，综合成本低。

Claims

1、一种大型土木工程结构动态位移远距离实时检测系统，其特征在于：该系统包括标定板(1)、图像采集装置(2)和数据处理装置(3)；标定板(1)为布置有N个标定点的平板，100≥N≥9，使用时标定板(1)固定在被测结构上；图像采集装置(2)由摄像装置和位于计算机内的图像采集卡构成，用于采集标定板(1)的图像，并将图像转化为数字信号，再传送给数据处理装置(3)；数据处理装置(3)用于对接收到的数字信号进行实时处理，输出被测结构的动态位移时程和频率。