专利名称：多目标大型结构二维位移远程测量方法及其设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及大型结构的测量技术，属结构检测领域，具体地涉及一种多目标大型结构二维位移远程测量方法及其设备。
现有技术目前结构静态位移测试的主要测量仪表是位移计。根据不同的工作原理，位移计又分为电测位移计和机械式位移计。但这些位移计从测量方式上讲都属相对式测量，需要在被测点旁提供附加不动点，用于固定位移计。目前国内外对大跨桥梁、高层建筑结构等的位移测试，由于无法在被测结构旁提供相对于结构变化无关的不动点作参考点，因此对这类位移测量只能借助于采用非接触光学测量。由于光学测量设备的分辨率和空气折射及人为观察误差等影响，存在较大的测量误差。目前即使最好的光学测试设备，在100m的距离上也仅能做到0.5mm级的测量分辨率，达不到结构位移精密测量的目的，也使希望通过结构位移的反演达到评判结构的目的无法实现。同时，目前的检测方法每次仅能解决一维的位移测量，需人为介入，速度慢，观察目标单一，无法达到多目标、同步检测的要求。对于大跨桥梁、高层建筑结构的自振位移测试，目前主要是应用超低频加速度计或速度计配合二次仪表实现，但由于结构自振频率低，需要二次仪表具有极低的响应频率，特别是在准静态情况下，误差急剧增大。同时由于传感器本身的自振特性影响，对测量结果带来很大误差，达不到精密测量的要求。因此，大型结构的二维位移测量是目前结构检测领域的重大技术难题。
发明概述本发明的目的是要提供一种多目标大型结构二维位移远程测量方法及其设备。它解决了大型结构多目标二维静、动位移的远程测量，并同时完成结构自振特性的测量。使测量精度比传统方法有一个数量级以上的提高，从而使大型结构位移和自振特性的准确测试得已实现。
按照本发明的多目标大型结构二维位移远程测量方法，其特征在于基准单元发出特定波长的激光束到固定在被测结构上的靶台单元的靶面；靶台单元摄录所述激光束，并对所述激光束的位置和形状进行数字化处理，然后将这些数字信号发送到主控机单元；主控机单元对所接收的数字信号进行解调，并根据解调的数字信号计算出所述结构的位移。
按照本发明的多目标大型结构二维位移远程测量方法，其进一步特征在于所述靶台单元对由其CCD器件摄录的所述激光束的二维平面位置和形状进行数字化处理；相应地主控机单元对所接收的数字信号进行解调，并根据解调的数字信号计算出所述结构的二维位移。所述主控机单元根据不同的测量要求，输出结构的二维位移坐标、结构的动位移曲线。所述主控机单元时分地接收来自多个目标的激光束，对所接收的多路数字信号进行解调，并根据所解调的数字信号计算出多目标大型结构的位移。
按照本发明的多目标大型结构二维位移远程测量设备，其特征在于它包括基准单元，用于发出特定波长的激光束到固定在被测结构上的靶台单元的靶面；靶台单元，用于摄录所述激光束，并对所述激光束的位置和形状进行数字化处理，然后将这些数字信号发送到主控机单元；主控机单元，用于对所接收的数字信号进行解调，并根据解调的数字信号计算出所述结构的位移。
按照本发明的多目标大型结构二维位移远程测量设备，其进一步特征在于所述靶台单元包括CCD器件，用于摄录所述激光束的二维平面位置和形状，并对它们进行数字化处理；相应地主控机单元对所接收的数字信号进行解调，并根据解调的数字信号计算出所述结构的二维位移。所述主控机单元根据不同的测量要求，输出结构的二维位移坐标、结构的动位移曲线。所述主控机单元时分地接收来自多个目标的激光束，对所接收的多路数字信号进行解调，并根据所解调的数字信号计算出多目标大型结构的位移。
本发明测量时无需提供附属固定设施，也不存在人为观察误差，由计算机直接控制，对多目标结构平面位移、动态位移、振动周期等一次测量完成。尤其是对结构的超低频振动测量精度高，不存在传感器自振特性的影响问题。
用途它能实现高层建筑结构、大跨度桥梁、高耸烟囱等结构的多点静动位移精确同步测量。它无需提供附属固定设施，也不存在人为的观察误差，测量量程大、速度快、精度高。可广泛应用于高层建筑结构的摆动测量，大跨桥梁跨中静、动位移测量，高耸烟囱的风振测试及道路，机场跑道的弯沉测量等结构检测领域。
该系统的最大优点在于1、它能非常精确有效地测出大型结构的静、动二维位移而无需借助辅助固定架等设备。
2、它无需人工观察、判读，从根本上杜绝了人为误差。
3、测量速度成倍提高。
4、能一次完成多目标的测量任务。
5、能直接测量平面位移。
6、能对结构超低频振动特性进行有效直接测量，无需借助于其它物理量的转换。测量精度成倍地提高。
7、该测试技术很好地解决了目前困扰大型结构位移准确测量的难题。为运用位移反演求解大型结构内力提供了可能。
图1是本发明的多目标大型结构二维位移远程测量方法及其设备的整体示意图。
图2是按照本发明的多目标大型结构二维位移远程测量设备中的基准单元的结构方框图。
图3是按照本发明的多目标大型结构二维位移远程测量设备中的目标靶台单元的结构方框图。
图4是按照本发明的多目标大型结构二维位移远程测量设备中的主控机单元的结构方框图。
图5是按照本发明的多目标大型结构二维位移远程测量方法和设备中的数据采集软件的流程图。
图6是按照本发明的多目标大型结构二维位移远程测量方法和设备中的测量计算主流程图。
图7是按照本发明的多目标大型结构二维位移远程测量方法和设备中的控制流程图。
最佳实施例的详细描述参见图1，本发明的多目标大型结构二维位移远程测量设备包括三个部分基准单元1，靶台单元2，主控机单元4。基准单元1置于离被测点一定距离的地面，要求地面稳定，不受结构试验时，结构位移变化的影响。靶台单元2置于大型建筑物3的需测结构位移的部位，其靶面对向基准单元。主控机单元4可置于离被测结构一定距离的任意区域内，由试验人员操作、控制。
本发明的多目标大型结构二维位移远程测量方法如下当需要测试位移时，由试验人员通过主控机单元4操作键盘，启动控制软件；主控机单元4发出测量命令；通过调制器和微波放大器(未显示)，将控制命令用微波发自基准单元；基准单元1起动其中的激光器(参见图2)工作，发出特定波长的激光束到靶台单元2的靶面；在靶台单元2中经过物理滤波，由CCD摄录激光束，经一系列数字化处理后，将激光束的平面位置和形状用微波连续传送到主控机单元4；主控机单元4经过数字解调，可立即测量出结构的二维位移；根据不同的测量要求，可输出结构的二维位移坐标、结构的动位移曲线；也可根据测量需要，自动定时测量、记录。
图2显示了基准单元的结构方框图。其中，11---为激光器(不同的测量距离选用不同性质的激光器)；12---为光学聚焦单元；13---为恒温单元；14---为精密稳压稳流器；15---为供电单元；16---为受控单元；17---支撑固定单元；18---发射/接收天线。
激光器11采用氦-氖激光或半导体激光，选用的原则主要是根据距离的远近和天气的情况决定。输出功率从几十毫瓦到瓦级。
在远距离测量时，无论是氦氖还是半导体激光都存在发散的问题，为了尽可能的增大测量的动态范围，应尽可能的缩小光斑的尺寸，因此系统中引入了光学聚焦单元12，通过适当的调节能保证在给定的测量距离上光斑最小。
恒温单元13主要是解决激光器在较长时间工作时，由于温度的上升而引起光斑强弱的变化。采用先进的半导体制冷和闭环控制技术，确保系统稳定工作。精密稳压稳流单元14，通过多级反馈控制，保证给系统各部分的电压不随供电单元15的电压下降而变化，同时保证给激光器11(氦氖激光器)的高压能稳定和恒流。
受控单元16主要是通过发射/接收天线18接受来自主控机4的微波控制信号，使基准单元1即使在几百米外仍能按照测量要求无线开启和关闭，并将基准单元运行的实况参数用微波通信技术通过发射/接收天线18发到主控机4。
支撑固定单元17主要是解决基准单元1固定于地面时的长期稳定问题。
图3显示了目标靶台单元的结构方框图。
其中，靶面21，主要用于激光的成像。由特殊的材料复合而成。为多层状结构。能保证激光源在靶面有效成像，能吸收除特定波长激光以外的光线干扰，具有物理滤除散斑的功能。
光学成像单元22，由一组透镜组成。它能保证靶面成像正确聚焦在CCD表面。同时，通过自动光圈能大范围的调节光通量。
精密CCD系统3，能将靶面影像精确摄录。
高速A/D、编码、压缩和控制电路4。
数字调制发射单元5，它能将来自CCD数字信号调制后用2.4G高频发射到空间。
控制单元6，对信号的增益、采集、调制、发射、系统的休眠等进行控制；同时也负责接收处理主控机发来的控制信号。
直流电源单元7，由高性能、免维护、可充电电池组及分压隔离电路组成。可对整个靶台提供能源支持，也可直接接市电边充电边工作。
基座8，负责将靶台单元精确固定在其上，并且提供固定方式和被测目标连接。
防护罩9，能保证靶台全天候工作。
专用微波发射/接收天线10。
图4显示了主控机单元的结构方框图。其中，信号解调单元41将来自不同目标的图像信息进行解调输出。数据变换单元42将图像信号进行规定格式的转换，以便达到数据信号传输和进行硬件控制的目的。接口板43。通过PCI或USB接口标准，将规定格式的图像信号传自微机。多目标控制单元44对所需测量目标的控制信号进行编码，可同步或异步对多目标进行测量控制。调制发射单元45将编码控制信号进行调制发射。双工器46将天线可控地运用于发射或接收。专用控制计算机47用于对目标信号进行数据采集、控制、数字滤波、分析处理、定位计算等。输出设备48对测量结果进行显示、存储或打印输出。
图5显示了数据采集软件的流程图。
数据采集控制分静态数据采集和动态数据采集。流程如下步骤1、采集系统启动；步骤2、采集系统接受控制和采集指令；步骤3、判断是否是高精度静态测量控制采集指令，如果是则转入步骤4，如果不是则转入步骤5；步骤4、进行高分辨率静态多次采集，采集完后转入步骤7；步骤5、进行动态帧采集；步骤6、独立存储知动态帧；步骤7、对采集到的数据进行滤波和给定模式处理；步骤8、对处理后数据嵌入、输出；步骤9、系统完成操作，停止运行。
图6显示了数据处理的流程图。其步骤如下步骤1、开始数据处理；步骤2、程序读取图像数据；步骤3、判断是否是第一次测量，如果是则转入步骤，如果不是则转入步骤5；步骤4、在全图像上探索包含有激光信息的有效区域；然后转入步骤6；
步骤5、依据上次测量数据在局部区域探索包含有激光信息的有效区域；步骤6、判断有效区域是否确定，如果确定转入步骤7，如果没有确定则转入步骤9；步骤7、将有效区域裁切下来作为图像处理区域；步骤8、确定裁切下的有效区域的局部坐标；步骤9、对图像进行灰度处理；步骤10、对图像进行数字滤波；步骤11、对图像进行二值处理；步骤12、计算激光光斑形心坐标；步骤13、对处理结果以数字、图像形式显示出；步骤14、将结果输出存储；步骤15、数据处理完成，程序停止。
图7显示了控制程序的流程图，其步骤如下步骤1、系统开始工作；步骤2、系统选择打开第1个测量通道；步骤3、与打开通道相对应的目标靶台进行就绪检测；步骤4、判断是否到了最后一个需测量的通道，如果是则转入步骤6，如果不是则转入步骤5；步骤5、选择打开下1个需要测量的通道，并转入步骤3；步骤6、发出开始测量指令；步骤7、选择第1个测量通道；步骤8、开通与测量通道相应的激光设备；步骤9、发出测量模式和控制指令进行测量；步骤10、判断是否到了最后1个需测量通道，如果是则转入步骤12，如果不是则转入步骤11；
步骤11、选择下1个需要测量的通道进行测量，并转入步骤8；步骤12、系统完成测量，停止工作。
外设控制是通过微机的串行或并行输出口，对控制设备进行控制。在程序的给定指令下，接通或关闭相应的外设。控制指令经调制，加载到无线传输系统中。
工程运用实例1(静位移测量)运用该项发明技术，于二000年十月八日至十日对重庆綦江新虹桥进行竣工结构荷载试验。该桥为钢筋混凝土大跨人行拱桥，设计荷载为35kN/m2。达到设计最大荷载时，拱顶设计挠度不大于7mm。试验分为5级加载，每级荷载下跨中垂直挠度小于2mm。用现有的测试技术无法达到测量目的。本次试验采取了运用该项发明技术研制的“WYC-I多目标结构远程位移测量系统”。实测结果如表1。结果表明运用本发明得到了很好的测量结果。同时一次给出了结构多部位的二维位移，这是传统测量方法无法解决和比拟的。
綦江新彩虹桥位移测量结果表1一、偏载位移情况(位移单位是mm，荷载单位是KN/M，X方向以桥向下运动为正，Y方向以桥向上游偏移为正)东1/4跨，1通道X方向位移x＝0 -1.687 -2.558 -3.162 -3.324 -3.442 -1.199 -0.132p＝0 1.000 2.000 3.000 3.500 4.000 2.000 0.000东1/4跨，1通道Y方向位移y＝0 3.994 5.972 9.385 11.740 15.193 9.551 0.156p＝0 1.000 2.000 3.000 3.500 4.000 2.000 0.000西1/4跨，2通道X方向位移x＝0 1.616 1.865 2.825 3.607 4.167 2.104 0.205p＝0 1.000 2.000 3.000 3.500 4.000 2.000 0.000西1/4跨，2通道Y方向位移y＝0 0.007 0.329 0.620 0.646 0.732 0.207 -0.107p＝0 1.000 2.000 3.000 3.500 4.000 2.000 0.0001/2跨，3通道X方向位移x＝0 1.489 2.567 3.183 3.782 4.571 1.895 0.064p＝0 1.000 2.000 3.000 3.500 4.000 2.000 0.0001/2跨，3通道Y方向位移y＝0 -3.475 -5.359 -7.835 -9.441 -11.763 -7.079 0.156p＝0 1.000 2.000 3.000 3.500 4.000 2.000 0.000二、全载位移情况东1/4跨，1通道X方向位移x＝02.3972.5153.668 2.002 0.035p＝01.3302.6704.000 2.000 0.000东1/4跨，1通道Y方向位移y＝00.9583.2546.119 2.562 0.119p＝01.3302.6704.000 2.000 0.000西1/4跨，2通道X方向位移x＝0-0.959 -1.820 -2.187 -1.451 -0.099p＝0 1.3302.6704.000 2.000 0.000西1/4跨，2通道Y方向位移y＝0-0.373 -1.754-2.864 -0.759 -0.082p＝0 1.330 2.670 4.000 2.000 0.0001/2跨，3通道X方向位移x＝0 2.233 5.316 6.792 3.677 0.027p＝0 1.330 2.670 4.000 2.000 0.0001/2跨，3通道Y方向位移y＝0-1.017 -4.712-10.692 -6.645 0.045p＝0 1.330 2.670 4.000 2.000 0.000工程运用实例2(结构自振特性测量)
运用该项发明技术，于二00一年一月十六日至十九日对重庆三江公路桥进行静、动荷载试验。本次试验采取了运用该项发明技术研制的“WYC-I多目标结构远程位移测量系统”。实测结果如表2。测试结果和理论计算具有很好的吻合程度，完全满足试验要求。其精度是传统试验技术无法达到的。
三江大桥动力试验测试结果(动挠度时程曲线)参见图8。
结构物的阻尼特性用对数衰减率或阻尼比来表示，采用峰到峰的测量方法比较方便，而且准确度高。若对数衰减率为λ，则λ=2·1klnanan+1=2klnanan+k]]>或λ=4.6052·1kloganan+1]]>阻尼比ξ=γ2π]]>式中，是第n个波的峰峰值，是第n+k个波的峰峰值，是对数衰减率，ξ是阻尼比。
上图经处理可计算得到三江大桥的自振特性为阻尼比λ＝0.615，ξ＝0.098 自振周期T＝0.57s
权利要求
1.一种多目标大型结构二维位移远程测量方法，其特征在于基准单元(1)发出特定波长的激光束到固定在被测结构上的靶台单元(2)的靶面；靶台单元(2)摄录所述激光束，并对所述激光束的位置和形状进行数字化处理，然后将这些数字信号发送到主控机单元(4)；主控机单元(4)对所接收的数字信号进行解调，并根据解调的数字信号计算出所述结构的位移。
2.按照权利要求1所述的多目标大型结构二维位移远程测量方法，其特征在于所述靶台单元(2)对由其CCD器件摄录的所述激光束的二维平面位置和形状进行数字化处理；相应地主控机单元(4)对所接收的数字信号进行解调，并根据解调的数字信号计算出所述结构的二维位移。
3.按照权利要求1所述的多目标大型结构二维位移远程测量方法，其特征在于所述主控机单元(4)根据不同的测量要求，输出结构的二维位移坐标、结构的动位移曲线。
4.按照权利要求1和2所述的多目标大型结构二维位移远程测量方法，其特征在于所述主控机单元(4)时分地接收来自多个目标的激光束，对所接收的多路数字信号进行解调，并根据所解调的数字信号计算出多目标大型结构的位移。
5.按照权利要求1和2所述的多目标大型结构二维位移远程测量方法，其特征在于当需要测试位移时，启动主控机单元(4)中的控制软件；主控机单元(4)发出测量命令；通过调制器和微波放大器，将控制命令用微波发到基准单元。
6.一种多目标大型结构二维位移远程测量设备，其特征在于它包括基准单元(1)，用于发出特定波长的激光束到固定在被测结构上的靶台单元(2)的靶面；靶台单元(2)，用于摄录所述激光束，并对所述激光束的位置和形状进行数字化处理，然后将这些数字信号发送到主控机单元(4)；主控机单元(4)，用于对所接收的数字信号进行解调，并根据解调的数字信号计算出所述结构的位移。
7.按照权利要求5所述的多目标大型结构二维位移远程测量设备，其特征在于所述靶台单元(2)包括CCD器件，用于摄录所述激光束的二维平面位置和形状，并对它们进行数字化处理；相应地主控机单元(4)对所接收的数字信号进行解调，并根据解调的数字信号计算出所述结构的二维位移。
8.按照权利要求5所述的多目标大型结构二维位移远程测量设备，其特征在于所述主控机单元(4)根据不同的测量要求，输出结构的二维位移坐标、结构的动位移曲线。
9.按照权利要求5和6的多目标大型结构二维位移远程测量设备，其特征在于所述主控机单元(4)时分地接收来自多个目标的激光束，对所接收的多路数字信号进行解调，并根据所解调的数字信号计算出多目标大型结构的位移。
10.按照权利要求5和6所述的多目标大型结构二维位移远程测量设备，其特征在于当需要测试位移时，启动主控机单元(4)中的控制软件；主控机单元(4)发出测量命令；通过调制器和微波放大器，将控制命令用微波发到基准单元。
全文摘要
一种多目标大型结构二维位移远程测量方法及其设备,其特征在于:基准单元1发出特定波长的激光束到固定在被测结构上的靶台单元2的靶面;靶台单元2用其中的CCD器件摄录所述激光束,并对所述激光束的二维位置和形状进行数字化处理,然后将这些数字信号用微波传送到主控机单元4;主控机单元4对所接收的数字信号进行解调,并根据解调的数字信号计算出所述结构的二维位移。
文档编号G01C15/00GK1346966SQ01129069
公开日2002年5月1日 申请日期2001年11月14日 优先权日2001年11月14日
发明者程华 申请人:程华