專利名稱：一種大型土木工程結構動態位移遠距離實時檢測系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于土木工程結構動態檢測，具體涉及一種大型土木工程結構動態位移遠距離實時檢測系統。
背景技術：
土木工程結構動態位移(例如振動)檢測方法按得到位移的結果可分為直接法和間接法。
直接法是指直接測量位移量；間接法是指通過測量與位移相關的其他參數，如加速度或應變等，再用相關關系間接求出位移量。例如文獻人民交通出版社，2002年第一版《橋梁工程檢測手冊》所述，振動傳感器常用相對式和慣性式兩種。其實質相對式就是直接法，而慣性式就是間接法。
直接法測量位移必須具備相對于動點固定不動的參考點——基準點，用傳感器測量動點與固定點之間的相對位移。對于小型結構而言，因占用空間小，總可以找到固定的參考基準點，其位移測量是容易的事，使用的傳感器從傳統的機械式到現代化的各類機、光、電傳感器，可達到很高的測量精度和動態響應，作到自動化、實時化。對于大型結構，例如大跨度橋梁、高聳(高層)建筑而言，要在動點附近找到固定不動的參考點是非常困難的事，上述各種傳感器就沒有用武之地，這就形成了大型結構動態位移檢(監)測的一個瓶頸。
為了突破這個瓶頸，當前許多高新技術包括傳統的光學傳感器，但是這些技術都有不同程度的局限性。例如文獻人民交通出版社，2001年第一版《橋梁施工控制技術》所述許多技術。
(1)水準儀、經緯儀、電子全站儀——這些設備可架設在遠離動點的固定點上對動點位移進行觀測，但觀測一次最快也得數秒鐘時間，無法描繪動態時程變化；而且高精度全站儀價值數十萬元。
(2)激光測量(包括激光干涉、激光準直、激光掃描等)——其測量精度、響應速度能達到動測要求。這類設備有的必須在動點安裝接收設備，屬于“動——固”分離式觀測，安裝要求特殊，在工程現場觀測很不方便甚至不可能；有的設備很嬌貴，售價很高，精度也不一定滿足要求。
(3)GPS衛星定位系統——對信號接收環境要求苛刻，往往不能適應工程現場環境，加之測量精度、響應速度難以達到技術要求，售價昂貴。
(4)攝影測量——當代數字攝影測量方法。用數碼照像機或數碼攝像機獲取動態影像，經處理得到動態位移。這種方法一般在現場采集圖像信息，再作后處理，沒有做到現場實時處理，不能獲取實時動態位移信息，例如作為結構振動控制的實時信息響應。另外數字攝影測量方法，如果用通用設備，價位高，且沒有針對大型結構動態觀測的專業軟件。前述文獻中述及的“BJQN-IV型光電式橋梁撓度檢測儀”式有關單位研制的用于橋梁檢測的儀器。該設備是一種專用產品，特意加工了光學系統、光電系統和單片機及輸出設備，要用專用軟件進行后處理，沒有現場實時處理和輸出實時信息。另外還設有帶電源的靶標、專用的標定裝置，對工程現場不一定方便，成本比較高。
間接法的儀器一般小巧使用方便，其致命缺陷是測量精度和可靠性低。
綜上所述開發基于直接法進行非接觸遠距離觀測而且能實時處理和輸出、精度和響應速率滿足要求、安置條件寬松、構造簡單成本低、操作簡便的大型結構動態檢測設備和技術實為必要。

發明內容
本發明的目的在于提供一種大型土木工程結構動態位移遠距離實時檢測系統，該檢測系統具有構造簡單和成本低的特點，并且標定簡單快速、安置條件寬松，安置姿態無特殊限制，能適應工程現場復雜環境條件。
本發明提供的一種大型土木工程結構動態位移遠距離實時檢測系統，該系統包括標定板、圖像采集裝置和數據處理裝置；標定板為布置有N個標定點的平板，100≥N≥9，使用時標定板固定在被測結構上；圖像采集裝置由攝像裝置和置于計算機內的圖像采集卡構成，用于采集標定板的圖像，并將圖像轉化為數字信號，再傳送給數據處理裝置；數據處理裝置用于對接收到的數字信號進行處理，輸出被測結構的動態位移時程和頻率。
本系統采用遠距離非接觸直接觀測二維動態位移，觀測距離取決于攝像機配套鏡頭的焦距，長焦鏡頭可以觀測到數百米。觀測精度主要取決于攝像機的分辨率和觀測距離及數據處理方法。本發明系統觀測距離百米以內可以到亞毫米精度，觀測距離500m可以達到毫米精度。關于響應速率，采用視頻采集卡其采集速率25Hz，是可以滿足大型結構的低頻率振動檢測要求的(大型結構的頻率一般在幾個Hz以內)。本發明可以現場實時處理、實時輸出數字信息、數據表和時程曲線；儀器安裝姿態(仰角、俯角、偏角)無特殊限制；標定板簡單無電源，安置方便；系統標定簡便快速。這些特點很適合工程現場復雜環境應用。總之，本發明其觀測距離、精度和響應速率能滿足大型結構低頻率振動檢測的要求，系統具有構造簡單、成本低和操作簡便的特點。


圖1為本發明系統的結構示意圖；圖2為本發明系統的數據處理流程圖；圖3為本發明系統的一種具體實施方式
的示意圖；圖4為50m-70轉/分-圓周運動軌跡圖；圖5為50m-20轉/分-圓周運動軌跡圖；圖6為某橋25km/h跑車試驗動撓度曲線；圖7為某橋20km/h跑車試驗橫向和縱向位移時程圖；圖8為某橋20km/h跳車試驗橫向和縱向位移時程圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明系統由標定板1、圖像采集裝置2和數據處理裝置3構成。
標定板1為布置有N個標定點的平板，100≥N≥9，標定點的圖案為矩形或圓形，最好為正方形，標定點與平板的顏色為黑白對照。標定板1固定在被測結構上，無需任何電子器件和電源。標定板1可以采用木夾板、塑膠板或薄金屬板等材料。
圖像采集裝置2由攝像裝置和置于計算機內的圖像采集卡構成。它用于采集標定板1的圖像，并將圖像轉化為數字信號，再傳送給數據處理裝置。攝像裝置可以采用包括鏡頭在內的工業用CCD攝像機等器件。
數據處理裝置3為安裝有圖像數據處理軟件的計算機，它用于對接收到的數字信號進行處理，輸出被測結構的動態位移時程和頻率。圖像數據處理軟件的流程圖如圖2所示，下面詳細說明其過程(1)控制圖像采集裝置2采集單幀圖像文件，清除圖像背景，然后再利用中值濾波去除圖像中部分噪聲，通過最優閾值實現圖像的二值化后計算出該圖像在標定板上像點的形心像素坐標，得到系統標定參數，實現系統標定。
(2)對采集的圖像序列文件進行序列圖像的自動跟蹤和處理，計算出對應圖像在標定板上像點的形心像素坐標，利用系統標定參數反算出目標的真實二維坐標值；(3)通過matlab接口程序，利用matlab強大的數據和圖形處理功能，使用matlab對步驟(2)得到的一系列二維坐標值進行處理，實現動態位移時程和頻率的輸出。
下面列舉實例對本發明作進一步詳細的說明①系統安裝將標定板1固定在待檢測結構(動點)上，要求標定板的X-Y坐標軸與動點所在的工程坐標系的X-Y坐標軸平行(例如大型橋梁的“橫-豎-縱”向就是橋梁工程坐標系的X-Y-Z軸；高層建筑的水平“主副”軸線就是其工程坐標系的“X-Y”軸，而鉛垂線方向就是其Z軸)。
將圖像采集裝置和數據處理裝置架設在順橋軸線方向的固定不動的點上(可以是岸上地面點，也可以是橋墩、臺上的點)；只要攝像機能攝取標定板上的圖像即可；攝像機主光軸可取仰角、俯角、偏角(與橋軸線構成夾角)任意姿態(如圖3所示)。
②系統標定系統標定就是建立攝像機的像空間坐標系與工程坐標系之間的對應變換關系。
攝像機采集的圖像是標定板上的幾何圖案(即標定點)的映射，其映射函數取決于攝像機像空間坐標系與工程坐標系之間的空間幾何關系。對理想的光學系統來說是一種空間線性關系，但是實際光學系統存在多種復雜的像差、畸變差、成像平面不平度影響等，構成復雜的非線性關系。這里采用3次多項式擬合法建立兩個坐標系之間的對應關系X=a0+a1u+a2v+a3u2+a4uv+a5v2+a6u3+a7u2v+a8uv2+a9v3Y=b0+b1u+b2v+b3u2+b4uv+b5v2+b6u3+b7u2v+b8uv2+b9v3]]>式中X，Y為點的工程坐標、u，v為對應像點的像坐標。在標定板上設有25點等間距構成的正方形點陣，其工程坐標已知，而在攝像機上對應點的像點坐標可獲取。這樣可組成2×25個方程式，經處理可得到20個擬合系數，這就建立了兩個坐標系間的映射關系。
系統標定一般在動態觀測前用攝像機對標定板采集一幅圖像，建立起兩坐標系的確定關系。
③動態觀測用攝像機對隨著結構一起振動的標定板連續采集圖像，經處理用圖像點的像點坐標反求動態點的工程坐標，按圖像采集速率，可以輸出動態點的二維位移數據和X，Y方向的時程曲線。
在圖像處理時本方案采用基于亞像素算法的形心跟蹤窗口方法，提高了觀測精度，開發了應用程序，作到了實時處理和輸出。
采用上述所列舉的檢測系統進行橋梁檢測。若要檢測橋梁跨中的動態位移——對梁式橋而言，在動荷載作用下，其動態位移發生在豎直方向和橫橋向，而順橋軸線(縱向)位移非常小，因此檢測一般做豎向和橫向的二維動位移。按“橫-豎-縱”建立“X-Y-Z”橋梁工程坐標系。
檢測實施時，在橋梁跨中將標定板固定，要求標定板的X-Y方向與橋梁工程坐標系的X-Y方向平行；將CCD攝像機架設在岸或臺、墩的固定不動點，對準標定板，即可開始檢測。對標定板采集一幅圖像，即可完成系統的自動標定。當進行跑車或跳車試驗時，即可連續采集圖像，并進行現場實時處理，輸出二維位移數據表和時程曲線。觀測時間長短按試驗設計決定。
為了評定系統檢測精度，在野外條件下做了多種距離的靜態和動態試驗。
(1)靜態試驗在30m、50m、70m的距離上，在標定板上設了39個坐標已知點，用圖像處理結果與已知值進行比較，其誤差分別為50m距離的檢測誤差±0.194mm，70m距離檢測誤差±0.226mm。
(2)圓周運動檢測用不同轉速電機帶動目標點作圓周運動，圖4和圖5為50m距離上輸出的二種轉速的圓周運動的軌跡圖。
(3)結構對比試驗對一個5層鋼框架模型進行檢測，檢測距離10m，并用機電位移計做了直接測量，統計結果誤差±0.06mm。
用本發明系統對多座橋梁做了檢測。圖6、圖7和圖8是某兩座橋梁跑車或跳車試驗檢測的動位移時程曲線。
上述檢測系統除軟件外，其硬件構成積木化，其中標定板制作很容易，而攝像機、鏡頭、圖像采集卡、計算機均采用市售的定型通用標準產品。這樣既保證了系統的可靠性，又可以根據工程技術需求指標選配相應的硬件，擴大應用范圍；使硬件成本大大降低、組裝簡單、操作簡便，綜合成本低。
權利要求
1.一種大型土木工程結構動態位移遠距離實時檢測系統，其特征在于該系統包括標定板(1)、圖像采集裝置(2)和數據處理裝置(3)；標定板(1)為布置有N個標定點的平板，100≥N≥9，使用時標定板(1)固定在被測結構上；圖像采集裝置(2)由攝像裝置和位于計算機內的圖像采集卡構成，用于采集標定板(1)的圖像，并將圖像轉化為數字信號，再傳送給數據處理裝置(3)；數據處理裝置(3)用于對接收到的數字信號進行實時處理，輸出被測結構的動態位移時程和頻率。
全文摘要
本發明公開了一種大型土木工程結構動態位移遠距離實時檢測系統。它包括標定板、圖像采集裝置和數據處理裝置；標定板為布置有若干標定點的平板，圖像采集裝置由攝像裝置和位于計算機內的圖像采集卡構成，用于采集標定板的圖像，并將其轉化為數字信號，再傳送給數據處理裝置；數據處理裝置用于對數字信號進行處理，輸出被測結構的動態位移時程和頻率。本發明可以現場實時處理、實時輸出數字信息、數據表和時程曲線；儀器安裝姿態無特殊限制；系統標定簡便快速。這些特點很適合工程現場復雜環境應用。本發明其觀測距離、精度和響應速率能滿足大型結構低頻率振動檢測的要求，系統具有構造簡單、成本低和操作簡便的特點。
文檔編號G01B11/00GK1828221SQ20061001874
公開日2006年9月6日 申請日期2006年4月12日 優先權日2006年4月12日
發明者朱宏平, 趙文光, 文銀平, 李林, 羅洪斌, 張國棟, 曾樂飛 申請人:華中科技大學