[發明專利]一種準分布式結構位移光學測量方法

有效

• 申請號: 201410548424.1
• 申請日: 2014-10-16
• 公開（公告）號: CN104359406A
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發明（設計）人: 葉肖偉;董傳智;劉坦
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 王兵;黃美娟

技術領域

本發明涉及光學、圖像處理技術和結構參數識別技術，具體涉及到使用相機進行結構的準分布式動態位移測量。

背景技術

橋梁變形測量是對被測橋梁結構的位移進行跟蹤識別，以確定其空間位置隨時間的變化特征。橋梁變形測量利用工程測量原理、方法以及精密量測技術，測量橋梁變位控制點的坐標，通過對各次測量所得的橋梁變位控制點坐標進行比較和結構計算分析，繪制相應的位移變形影響線(面)，結合荷載、抗力等基本結構指標，可以宏觀判斷橋梁結構的安全性能，從而提出相應的處理措施或荷載控制建議，進而達到結構安全預警的目的。

對于大型橋梁，雖然結構的位移已成為其安全監測的一個重要指標，但有效的位移測量方法以及穩定的動態位移測量手段對于科研工作者與工程技術人員仍然是一個很大的挑戰。目前的位移測量方法主要有接觸式傳感器位移測量系統和非接觸式傳感器位移測量系統兩大類。以下針對其分類進行相關評述。

1、基于加速度傳感器的接觸式位移測量系統。該系統位移測量思路是將加速度傳感器安裝到橋梁結構的被測位置處，采集被測點處的加速度，通過對加速度信號進行二次積分得到相應的位移。但是在這種對時域進行多重積分的數字信號處理過程中，存在失真的可能從而導致潛在的誤差。

2、基于線性可變差分變壓器的接觸式位移測量系統。線性可變差分變壓器對結構的位移測量是在被測結構上選取某一點，利用連通管的原理進行液位測量進而換算出相應的位移變化。盡管能滿足結構位移測量的分辨率，但這種傳感器要求一個靜態平臺作為測量參考點，而且這個平臺必須和被測結構相對較近，如果遇到跨海或跨河大橋要建立這種平臺將十分困難和成本昂貴。并且由于液體壓強與液體的液柱高度較大關系。而在結構位移發生變化的過程中，由于液體內部粘滯阻力及液體與管壁的摩阻等原因，液柱的變化相對遲緩，從而出現位移滯后現象，從而不能完成可靠的動態測量。

3、基于傾角測試的接觸式位移測量系統。將傾角測試裝置安裝在被測點處，測量出所在位置的傾角變化。根據位移與傾角的關系計算出被測點處的位移。這種測試系統的弊端跟基于加速度的位移測量類似，在從傾角到位移的換算過程中需要積分，由此將造成累積誤差。并且在從傾角到位移的換算過程中會有一些力學假定的加入，這些假定必然會帶來額外的誤差，影響測量精度。

4、激光多普勒振動計非接觸式位移測量系統。激光多普勒振動計作為一種非接觸式無損測量工具為橋梁的振動和變形測量提供精確的位移測量結果，但其測量成本非常高，較難大規模推廣應用。并且是基于單目標的位移動態測量方法，若要進行多個目標點的位移測量，則需多臺激光儀，成本必然隨著位移目標測點的數量的增多不斷增加。

5、GPS非接觸式位移測量系統。GPS對于復雜大型結構的位移測量擁有眾多優點，如毫米級的定位精度、較高的測量頻率、實時性和遠程測量。但其固有的弱點也決定了它應用的局限性，如GPS易受電磁噪聲干擾，對于惡劣的天氣等也沒有很強的抵抗力，較高的精度和采樣率則要求非常昂貴的費用。由于受到成本效益的限制，GPS橋梁位移測量系統的測點一般也不會太多，而要用這些有限的測點數據來做結構的整體或者局部力學分析則相當困難。

6、利用相機進行拍攝的非接觸式位移測量系統。這種位移測量方法是利用光學成像原理，對相機拍攝到的目標點進行數字圖像處理，制定模板，并以此為基準對目標點進行跟蹤模板匹配，通過標定得到實際位移與模板移動像素的關系，從而進行被測點位移的測量。

對利用相機進行拍攝的位移測量系統目前尚處研究當中。這些研究機構主要集中在：澳大利亞Curtin大學、東京城市大學、韓國世宗大學、美國南加利福尼亞大學、香港科技大學、香港理工大學、天津大學、清華大學、蘇州大學和浙江大學等。目前國內外對于此方法的研究多集中在單個相機對單個測點進行位移測量。也就是說，使用一套系統僅能夠對橋梁結構的一個目標位移測點進行跟蹤測量。并且需要在被測構件位置處安裝能提供光源設施，將人工安裝的光源作為測量的標識物。由于模板的建立對光源的依賴性較強，模板匹配則完全依賴于有光源的模板。當遇到大霧、下雨或者其他的惡劣天氣時，該系統的測量精度將難以保證。由于需要在被測處人為安裝光源，測量過程將出現眾多弊端。比如人們不方便觸及到的地方就很難去人為安裝光源，測量過程會變得相當麻煩。而且如果要進行多個目標點的位移測量，則需要同時布置多臺測量系統(相機、采集控制系統、計算機和光源等)。另一方面，目前的研究多集中在近距離的位移測量，對遠距離(1km以外)的位移測量的研究則相對較少。