CN102519383A - 桥梁动态挠度光斑成像测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

提供一种桥梁动态挠度光斑成像测量装置和方法，通过在待测结构挠度测点处设置蓝色LED灯，经滤光及中长焦镜头后由CCD光电耦合处理，将待测结构挠度测点的光信号转化为图像信号传输给计算机，由计算机计算出LED灯对应光斑在接收屏上的位置值，进而推算出待测结构挠度测点的位置值，实现桥梁检测及健康监测过程中的桥梁动态挠度测量。

Description

桥梁动态挠度光斑成像测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种桥梁动态挠度光斑成像测量装置和方法，属于桥梁检测及监测技术领域，

背景技术

在桥梁检测及健康监测过程中，桥梁的挠度是桥梁结构在强度、刚度、稳定性三大关键问题上都非常关注的重要参数，对评价桥梁结构的长期和瞬态运营状态，检验桥梁的真实受力特性具有重要的理论价值，因此，挠度测量的精度及准确性显得至关重要。在这种需求下，国内外研究人员发展了许多新的挠度测量方法，其中具有代表性的有：百分表法、连通管法、水准仪法、GPS挠度测量法、激光法。它们都不同程度地存在着一些问题和不足，而且基本都适应静态挠度测量，因此，方便、有效、科学的桥梁结构动态参数测量一直是桥梁界亟需发展和研究的技术。现有技术中有少数方法可以进行桥梁动态挠度测量，与本发明最为相近的方法是用白色LED灯为光源，在经纬仪的望远镜目镜后面用CCD采集图像来测量动态挠度，但该方法存在如下缺陷：1、白色光源很容易受到白天强烈的日光干扰，晚上受汽车照明灯、路灯、工地探照灯等外界光源的干扰，导致测量存在较大的误差而影响测量实效；2、光路是在经望远镜后经过大气然后再经常规镜头和CCD成像的，也就是经过了两次成像***，这样降低了分辨率和量程，测得的效果和准确度上不如常规镜头和一次成像。

发明内容

本发明提供一种桥梁动态挠度光斑成像测量装置和方法，通过在待测结构挠度测点处设置蓝色LED灯，经滤光及中长焦镜头后由CCD光电耦合处理，将待测结构挠度测点的光信号转化为图像信号传输给计算机，由计算机计算出LED灯对应光斑在接收屏上的位置值，进而推算出待测结构挠度测点的位置值，实现桥梁检测及健康监测过程中的桥梁动态挠度测量。

本发明的技术方案是这样实现的：

所述桥梁动态挠度光斑成像测量装置，主要由图象采集装置A、测点标记物B、计算机C组成，其特征是：

在待测结构每一个挠度测点处设置测点标记物B，测点标记物B主要由蓝色LED灯5及锂电池6构成，由锂电池6为蓝色LED灯5提供电源，蓝色LED灯5用于发出蓝色波段的光信号，每一个测点处采用两个蓝色LED灯5来进行测试精度的标定，来满足测试精度要求；

在图象采集测试处设置有图象采集装置A，图象采集装置A主要由CCD1、镜头2、滤光片3、三角架4构成，滤光片3固定在镜头2的前端，滤光片3的中心波长与蓝色LED灯5发出蓝色波段相对应，只有在蓝色LED灯5发出蓝色波段范围内的光波能通过滤光片3，即只有蓝色光能通过滤光片3进入镜头2被CCD1感应；镜头2固定在CCD1的固定接口处，用来对蓝色LED灯5发出蓝色光信号进行成像，结合待测结构现场情况，镜头2一般采用中长焦镜头；CCD1作为整个装置的信号采集器件，将光信号转化为图像传输给计算机C；三脚架4和CCD1连接，用来支撑和固定CCD1；

计算机C通过数据线与CCD1连接，给CCD1提供电源并对CCD1传输过来的图像数据进行处理；

所述桥梁动态挠度光斑成像测量装置的安装调试方法，其特征是：

在待测结构挠度测点上固定测点标记物B的蓝色LED灯5，保证锂电池6正常提供电源使得蓝色LED灯5发出蓝色波段的光信号；在图象采集测试处将图象采集装置A通过三脚架4固定在不动测试点，连接好CCD1和计算机C，开启计算机C中的控制软件，实时显示CCD1所采集的图像，调节三脚架4把镜头2对准蓝色LED灯5，对镜头2进行调焦使计算机C中能清晰显示蓝色LED灯5，调节CCD1的曝光时间和镜头2的光圈使图像能清晰显示蓝色LED灯5的光斑，图像中除蓝色LED灯5光斑外的部分均较暗，使得CCD1能够精确采集图像中蓝色LED灯5的光斑，由计算机C进行图像分析得到蓝色LED灯5光斑在接收屏上的位置值加以存储，从而保证计算机C能够按照某个固定频率采集并存储蓝色LED灯5光斑数据进行挠度测点位移的计算处理；

所述桥梁动态挠度光斑成像测量方法，其特征是：

通过重心法计算图象光斑在接收屏上的位置值(X，Y)，对于一个像素为M×N的CCD，对应图象光斑在接收屏上的位置值(X，Y)，由下列公式确定：

$X=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)\×i}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)}$ $Y=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)\×j}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)}$

其中f(i，j)表示该像素点的灰度值，i表示横向坐标值，j表示纵向坐标值；

计算得到的图象光斑在接收屏上的位置值数据单位为像素，为了精确反映挠度测点处的实际位移需要提前标定好每个像素所代表的实际距离，即在挠度测点处固定两个蓝色LED灯5，在无挠度测点位移发生情形下，用两个蓝色LED灯5的实际中心距离h_标与形成两个光斑的中心像素位置值对应距离H_标之比为标定参数k，即k＝h_标/H_标，其中，第一个光斑像素位置值为(X₀，Y₀)，第二个光斑像素位置值为(X₁，Y₁)，则

将标定中无挠度测点位移时的第二个光斑像素位置值(X₁，Y₁)作为标定后实测的基准位置值，通过标定参数k换算出按照某个固定频率测得的挠度测点处的实际位移值，即标定后实测中每次测量的第二个光斑像素位置值为(X₂，Y₂)，换算出对应挠度测点处的实际位移值为(x₂，y₂)，其中x₂＝(X₂-X₁)×k，y₂＝(Y₂-Y₁)×k，实现桥梁动态挠度的测量。

本发明的优点：

1、通过采用蓝色LED灯作为测点标记物光源，滤光片可以滤掉蓝色波段以外的光波，这样可以很好的避开现场探照灯、汽车照明灯等外界光源的干扰；

2、CCD经二次开发后可以按固定频率动态采集蓝色LED灯在CCD中的成像，经光斑识别算法可以计算蓝色LED灯的动态位移；

3、自动化程度高，可以动态实时分析数据；

4、适合于对桥梁等大型工程结构的挠度进行动态实时分析和监测。

附图说明

图1是本发明桥梁动态挠度光斑成像测量装置连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进一步说明。图1是本发明桥梁动态挠度光斑成像测量装置连接示意图。主要由图象采集装置A、测点标记物B、计算机C组成，图象采集装置A主要由CCD1、镜头2、滤光片3、三角架4构成，滤光片3固定在镜头2的前端，镜头2固定在CCD1的固定接口处，计算机C通过数据线与CCD1连接，给CCD1提供电源并对CCD1传输过来的图像数据进行处理；测点标记物B主要由蓝色LED灯5及锂电池6构成，由锂电池6为蓝色LED灯5提供电源。

本实施例中，图象采集装置A的CCD1的像素为1280×1024，镜头2为12.5mm-75mm变焦镜头；滤光片3的中心波长为450nm，带宽为±20nm，只有在该波段范围内的光波能通过它，即只有蓝色光能通过该滤光片3进入镜头2被CCD1感应。将测点标记物B的蓝色LED灯5固定在模拟挠度测点位置设置的精密移动平台上，精密移动平台可以沿模拟挠度测点处挠度位移方向移动，模拟该挠度测点处的挠度位移，并能直接从精密移动平台记录每次挠度位移的位移值，以便将本发明的实际测量换算值与精密移动平台记录值进行比较；图象采集装置A的CCD1布置在距离测点标记物B的蓝色LED灯5的100m处，在精密移动平台无位移，即固定垂直移动距离0mm时，开启两个蓝色LED灯5使CCD1所采集的图像中有两个对应光斑，已知两个蓝色LED灯5的中心距离h_标是50mm，计算得到第一、第二两个光斑的中心(X₀，Y₀)、(X₁，Y₁)分别是(67.0417，79.0517)、(88.0632，100.0746)，根据公式

可求得两个光斑的中心距离H_标是29.7289pixels，这样可以求得实际位移和像素的标定参数k＝h_标/H_标＝50mm/29.7289pixels＝1.6819mm/pixels。将标定中精密移动平台固定垂直移动距离0mm时的第二个光斑像素位置值(88.0632，100.0746)作为标定后实测的基准位置值，实测时仅开启第二个蓝色LED灯5，精密移动平台每次固定垂直移动距离5mm，同时用图象采集装置A的CCD1测量每次对应第二个蓝色LED灯5移动5mm的光斑中心像素位置值(X₂，Y₂)，按如下公式换算精密移动平台的实际位移值(x₂，y₂)：

x₂＝(X₂-X₁)×k，y₂＝(Y₂-Y₁)×k，

本实施例模拟实测中，精密移动平台垂直移动距离记录值、采集被测蓝色LED灯5对应光斑中心像素位置值与换算精密移动平台的实际位移值如下表：

由表中看出，由于通过精密移动平台垂直移动模拟桥梁某一测点的垂直挠度位移情形，所以换算的精密移动平台的实际位移值(x₂，y₂)中x₂＝0，而y₂则对应每次精密移动平台垂直移动的实测值。

Claims (3)

1.桥梁动态挠度光斑成像测量装置，主要由图象采集装置(A)、测点标记物(B)、计算机(C)组成，其特征是：

在待测结构每一个挠度测点处设置测点标记物(B)，测点标记物(B)主要由蓝色LED灯(5)及锂电池(6)构成，由锂电池(6)为蓝色LED灯(5)提供电源，蓝色LED灯(5)用于发出蓝色波段的光信号，每一个测点处采用两个蓝色LED灯(5)来进行测试精度的标定，来满足测试精度要求；

在图象采集测试处设置有图象采集装置(A)，图象采集装置(A)主要由CCD(1)、镜头(2)、滤光片(3)、三角架(4)构成，滤光片(3)固定在镜头(2)的前端，滤光片(3)的中心波长与蓝色LED灯(5)发出蓝色波段相对应，只有在蓝色LED灯(5)发出蓝色波段范围内的光波能通过滤光片(3)，即只有蓝色光能通过滤光片(3)进入镜头(2)被CCD(1)感应；镜头(2)固定在CCD(1)的固定接口处，用来对蓝色LED灯(5)发出蓝色光信号进行成像，结合待测结构现场情况，镜头(2)一般采用中长焦镜头；CCD(1)作为整个装置的信号采集器件，将光信号转化为图像传输给计算机(C)；三脚架(4)和CCD(1)连接，用来支撑和固定CCD(1)；

计算机(C)通过数据线与CCD(1)连接，给CCD(1)提供电源并对CCD(1)传输过来的图像数据进行处理。

2.桥梁动态挠度光斑成像测量方法，其特征是：

通过重心法计算图象光斑在接收屏上的位置值(X，Y)，对于一个像素为M×N的CCD，对应图象光斑在接收屏上的位置值(X，Y)，由下列公式确定：

$\begin{array}{cc}X=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)\×i}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)}& Y=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)\×j}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}f(i,j)}\end{array}$

其中f(i，j)表示该像素点的灰度值，i表示横向坐标值，j表示纵向坐标值；

计算得到的图象光斑在接收屏上的位置值数据单位为像素，为了精确反映挠度测点处的实际位移需要提前标定好每个像素所代表的实际距离，即在挠度测点处固定两个蓝色LED灯(5)，在无挠度测点位移发生情形下，用两个蓝色LED灯(5)的实际中心距离h_标与形成两个光斑的中心像素位置值对应距离H_标之比为标定参数k，即k＝h_标/H_标，其中，第一个光斑像素位置值为(X₀，Y₀)，第二个光斑像素位置值为(X₁，Y₁)，则

将标定中无挠度测点位移时的第二个光斑像素位置值(X₁，Y₁)作为标定后实测的基准位置值，通过标定参数k换算出按照某个固定频率测得的挠度测点处的实际位移值，即标定后实测中每次测量的第二个光斑像素位置值为(X₂，Y₂)，换算出对应挠度测点处的实际位移值为(x₂，y₂)，其中x₂＝(X₂-X₁)×k，y₂＝(Y₂-Y₁)×k，实现桥梁动态挠度的测量。

3.根据权利要求1所述桥梁动态挠度光斑成像测量装置的安装调试方法，其特征是：

在待测结构挠度测点上固定测点标记物(B)的蓝色LED灯(5)，保证锂电池(6)正常提供电源使得蓝色LED灯(5)发出蓝色波段的光信号；

在图象采集测试处将图象采集装置(A)通过三脚架(4)固定在不动测试点，连接好CCD(1)和计算机(C)，开启计算机(C)中的控制软件，实时显示CCD(1)所采集的图像，调节三脚架(4)把镜头(2)对准蓝色LED灯(5)，对镜头(2)进行调焦使计算机(C)中能清晰显示蓝色LED灯(5)，调节CCD(1)的曝光时间和镜头(2)的光圈使图像能清晰显示蓝色LED灯(5)的光斑，图像中除蓝色LED灯(5)光斑外的部分均较暗，使得CCD(1)能够精确采集图像中蓝色LED灯(5)的光斑，由计算机(C)进行图像分析得到蓝色LED灯(5)光斑在接收屏上的位置值加以存储，从而保证计算机(C)能够按照某个固定频率采集并存储蓝色LED灯(5)光斑数据进行挠度测点位移的计算处理。

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