用于大型结构物变形或位移参数的自校准式测量装置及方法与流程

本发明属于力学测量技术领域，涉及一种用于大型结构物位移和形变测量装置，特别是一种自校准的远程位移或形变测量的装置及方法。

背景技术：

大型结构物包括桥梁、大坝、隧道、斜坡和房屋建筑等,其变形主要包括静态变形和动态变形，静态变形是指地基下陷、倾斜和应力松弛等变化很慢的变形，动态变形是指由于风、温度、地震、交通负载或现场施工等引起的短期变形，其参数监测对于目标的安全评估分析具有重要的作用。

传统的大型结构物如桥梁，其变形检测的仪器有百分表、千分表、加速计、水准仪、经纬仪等。目前，这些仪器在桥梁验收、定期检测中仍然广泛使用，但是需要专业技术人员，费时、费力，人为误差大，远远不能实现在线、实时、自动、智能测量。近年来，信息技术的蓬勃发展大大带动了桥梁变形测量技术的发展，涌现了许多新技术和新方法，比如激光挠度法和GPS(Global Position System)定位测量法。激光挠度仪能实现亚毫米的位移测量，但是量程仅能达到数十厘米，不能满足跨距较大的用于桥梁大变形的测量，其垂直位移可达米级；GPS定位测量法可实现实时在线测量桥梁的大变形，但是其精度智能达到厘米级，且费用高昂，限制了其推广应用。

自从70年代末期固体图像传感器出现以来，国内外有不少学者以CCD等图像传感器为媒介，将图像处理技术用于桥梁、混凝土梁变形测量的研究。申请号为200820241096.0的中国专利“一种基于机器视觉的桥梁动位移测量装置”公开了一种通过激光源和CCD结合测量大桥动态变形的测量装置，通过在桥梁远端用CCD记录大桥变形过程中激光光束的位置变化，计算得到大桥的变形参数。目前这类位移传感器存在的主要问题是：CCD图像传感器需要与准直激光器联合使用，增加了系统的复杂性。

申请号为201410145554.0的中国专利“一种桥梁实时监测系统”公开了一种桥梁动态位移的远程测量装置，使用中将加电靶标固定在远离桥梁的固定目标上，而在桥梁需要监测位移的地方安装有CCD像机，使得靶标成像在CCD光敏元上，通过实时获得的靶标图像在CCD上的位置，计算得到桥梁待测点上的动态位移。这种方案存在的问题是：一、测量系统通过测量靶标在CCD上的成像点的相对位移而计算得到桥梁的位移和变形参数，因CCD容易受到环境温度、时效性等因素的影响，测量误差较大，需要经常的校准才能实现位移的绝对测量；二、受到施工条件的限制，CCD通常也固定桥梁的桥身上，故CCD所在的位置也随着外界环境、应力载荷变化而产生变形，导致在测量的参数结果上叠加了一个系统本底误差，影响了测量精度。

技术实现要素：

本发明提出了一种用于大型结构物变形或位移参数的自校准式测量装置及方法，在传统测量靶标的基础上增加了一只基准靶标，且该基准靶标固定在位移和变形可忽略的区域，利用同一只成像单元实时监测基准靶标和测量靶标位置随时间的变化，克服了成像单元因环境温度变化以及自身受到应力变化导致的系统误差，大大提高了测量精度。

本发明的技术内容如下：

用于大型结构物变形或位移参数的自校准式测量装置，包括数据处理中心、成像系统和安装在大型结构物测量点上的不少于一只的测量靶标，还包括安装在大型结构物上变形或位移变化可忽略区域的基准靶标，所述的基准靶标和测量靶标在成像系统的敏感元的不同位置上成像，测量点的位移或变形参数根据测量靶标的结果和基准靶标的结果计算得到。

上述用于大型结构物变形或位移参数的自校准式测量装置中，大型结构物包括桥梁、大坝、隧道、斜坡和房屋建筑。

上述用于大型结构物变形或位移参数的自校准式测量装置中，成像系统、测量靶标、基准靶标通过不同长度的支杆固定在大型结构物上，使得测量靶标和基准靶标在成像系统的敏感元的不同位置上成像。

上述用于大型结构物变形或位移参数的自校准式测量装置中，基准靶标和测量靶标靶为特定图案或连续工作的加电靶标。

上述用于大型结构物变形或位移参数的自校准式测量装置中，加电靶标为排成一定形状的LED或LD灯带。

上述用于大型结构物变形或位移参数的自校准式测量装置中，成像系统包括光学镜头、图像传感器、核心控制功能单元、处理存储单元和远程通讯单元；图像传感器为CCD或CMOS传感器，核心控制功能单元包括触发信号检测模块、图像数据采集模块、图像灰度化及缩放模块和靶标图像特征提起及识别模块，用于靶标图像的处理和识别；处理存储单元与核心控制功能单元相联，用于图像数据的存储和处理；所述的远程通讯单元与处理存储单元联接，用于图像数据的远程发送。

上述用于大型结构物变形或位移参数的自校准式测量装置中，成像系统通过无线GPRS系统、无线移动网络传输模块或光缆传输系统将测量结果传输至数据处理中心。

上述用于大型结构物变形或位移参数的自校准式测量装置中，核心控制功能单元由DSP构建。

上述用于大型结构物变形或位移参数的自校准式测量装置中，成像系统为CCD像机或CMOS传感器。

用于大型结构物变形或位移参数的自校准式测量方法，包括以下步骤：

[1]安装：在大型结构物上安装测量靶标和基准靶标，其中测量靶标安装在待测量点位置，基准靶标设置在变形或位移变化可忽略区域；

[2]测量：开启成像系统，使得基准靶标和测量靶标在成像系统的敏感元的不同位置上成像，获取基准靶标和测量靶标的位移值。

[3]校准：对成像系统进行数据处理，获取基准靶标和测量靶标的位移值；并根据基准靶标的位置值，对测量靶标的位移值进行修正校准，扣除成像系统因自身安装基础位移带来的测量误差，获得测量靶标所在测量点的真实位移值。

上述用于大型结构物变形或位移参数的自校准式测量方法中，步骤[3]中的校准步骤包括：

[3.1]根据测量靶标的位置变化值，并结合测量靶标与成像系统之间的距离、成像系统的光学参数，计算得到测量靶标所在的测量点处的位移值x1；

[3.2]根据基准靶标的位置变化值，并结合基准靶标与成像系统之间的距离、成像系统的光学参数，计算得到成像系统的基准位移值x0；

[3.3]经校准后测量点的位移x11＝x1-x0。

本发明具有的有益技术效果如下：

1、本发明在现有CCD像机和测量靶标组成的位移测量装置的基础上，增加了一只基准靶标，其在测量中引起的位移或变形可忽略为零；安装调试中，使得基准靶标和测量靶标同时成像在CCD像机上，并在数据处理中，根据基准靶标的位移值来修正真实的测量点的位移值，从而克服了测量系统因环境温度、时效性或成像系统因自身安装基础变形或位移引起的测量误差，提高了测量精度。

2、本发明的核心控制功能单元采用嵌入式系统，结构紧凑可靠，方便应用；同时设置有远程通讯传输单元，可将测量的结果通过GPRS系统、3G无线网络等无线传输系统或光缆等有线传输系统，传输至远端的值班室，满足了远程无人值守全天候的野外工作要求。

3、本发明的靶标采用加电的LED或LD灯带作为靶标，可以实现24小时全天候的工作，并具有特征目标提取方便和准确度高的特点，测量精度也相应提高。

附图说明

图1为本发明测量装置在普通桥梁上应用示意图；

图2为图1测量装置在普通桥梁上安装应用俯视图；

图3为基准靶标和测量靶标在CCD像元上成像位置示意图；

图4为本发明成像系统组成原理示意图；

附图标记如下：1—光学镜头；2—图像传感器；3—触发控制单元；4—远程通讯单元；5—核心控制功能单元；6—处理存储单元；11—大型结构物；12—成像系统；13—测量靶标；14—基准靶标；15—支杆；16—测量靶标图像；17—基准靶标图像；18—显示屏幕。

具体实施方式

本发明的测量系统主要用于大型结构物上某些关键部位的位移或形变测量，其中大型结构物包括桥梁、大坝、隧道、斜坡和房屋建筑，下面以桥梁为例。

如图1所示，用于大型结构物变形或位移参数的自校准式测量装置，包括成像系统12、安装在大型结构物测量点上的不少于一只的测量靶标13，和安装在大型结构物上变形或位移变化可忽略区域的基准靶标14，基准靶标14和测量靶标13在成像系统12的敏感元的不同位置上成像，测量点的位移或变形参数根据测量靶标13的结果和基准靶标14的结果计算得到。

成像系统在测量应用中，一方面由于环境温度、时效性等因素影响，导致测量靶标13在CCD上的成像发生位置移动；另一方面，受到施工条件的限制，成像系统12安装的位置也会因为施加的应力载荷而导致成像系统自身的位移，故而产生系统误差，需要扣除。例如在桥梁桥身的普通位置安装有成像系统12和测量靶标13，当有载重车辆经过时，成像系统12自身会因为载重车辆的重量而产生一个系统性的位移误差，这时用成像系统12测量得到的测量靶标13的位移相当于是叠加了一个系统性误差。本发明在在大型结构物的变形或位移变化可忽略区域安装了基准靶标14，根据相对运动原理，成像系统测量得到的基准靶标14的位移就是成像系统12自身的系统误差，扣除后可得到准确的测量点的位移或形变。

如图2所示，成像系统12、测量靶标13和基准靶标14通过不同长度的支杆15固定在桥梁上，使得测量靶标13和基准靶标14在成像系统12的敏感元的不同位置上成像。基准靶标可以固定在变形可忽略的桥墩上。测量靶标13可以为多只，图中为简单起见，只画出一只。

测量靶标13和基准靶标14在CCD光敏元上的成像如图3所示，图中16、17分别为测量靶标图像和基准靶标图像，18为显示屏幕。由于基准靶标14处在位移为零或位移很小的桥墩附近，因此其位移可忽略，而测量靶标13和成像系统12均处在桥梁中部位移和形变最大的区域，当载重车辆驶入桥梁时，会使得测量靶标13的图像产生上下方向的位移x1,而成像系统CCD自身产生的本底位移就是基准靶标14的位移xO，对其进行扣除，可得到准确的测量点位移值。

如图4所示,成像系统包括光学镜头1、图像传感器2、核心控制功能单元5、处理存储单元6和远程通讯单元4；图像传感器2为CCD或CMOS传感器，核心控制功能单元5包括触发信号检测模块、图像数据采集模块、图像灰度化及缩放模块和靶标图像特征提起及识别模块，用于靶标图像的处理和识别；处理存储单元6与核心控制功能单元5相联，用于图像数据的存储和处理；远程通讯单元4与处理存储单元6联接，用于图像数据的远程发送。

光学镜头1瞄准被测量目标上设置的靶标，在应用中可选变焦距的镜头，将不同距离、不同大小的目标成像至图像传感器上，这种工作方式对测量目标具有良好的适应性，并具有测量范围大的特点，其中图像传感器2为CCD或CMOS传感器，用于实时获取被测量目标的图像。

本发明的靶标可以为目标对象上的一个特定图案或连续工作的加电靶标。本装置对靶标要求不高，如果采用加电的LED或LD灯带作为靶标，则可以实现24小时全天候的工作，并具有特征目标提取方便和准确度高的特点，测量精度也相应提高。

触发控制单元3用于提供远程位移传感器所需的触发信号，传感器平时不工作，只有当外界触发信号到来时，位移传感器才开始工作，减小了数据存储和数据传输的压力。远程通讯单元4与处理存储单元6联接，用于图像数据的远程发送。

远程通讯单元4可以为无线GPRS系统、3G、4G等无线移动网络传输模块或光缆等有线传输系统，将测量结果传输至远端的值班室，满足了远程无人值守全天候的野外工作要求。

本发明用于大型结构物变形或位移参数具体测量步骤如下：

[1]安装：在大型结构物上安装测量靶标和基准靶标，其中测量靶标安装在待测量点位置，基准靶标设置在变形或位移变化可忽略区域；

[2]测量：开启成像系统，使得基准靶标和测量靶标在成像系统的敏感元的不同位置上成像；

[3]校准：对成像系统进行数据处理，获取基准靶标和测量靶标的位移值；并根据基准靶标的位置值，对测量靶标的位移值进行修正校准，扣除成像系统因自身安装基础位移带来的测量误差，获得测量靶标所在测量点的真实位移值。

其中步骤[3]中的校准步骤包括：

[3.1]根据测量靶标的位置变化值，并结合测量靶标与成像系统之间的距离、成像系统的光学参数，计算得到测量靶标所在的测量点处的位移值x1；

[3.2]根据基准靶标的位置变化值，并结合基准靶标与成像系统之间的距离、成像系统的光学参数，计算得到成像系统的基准位移值x0；

[3.3]经校准后测量点的位移x11＝x1-x0。

其中步骤[3.3]是对测量靶标的位移进行校准，克服因成像系统安装基础位移或变形引起的误差，由于基准靶标固定在大型结构物上变形或位移变化可忽略区域，故其测量得到的位移值即可以等效为成像系统自身基础产生的位移，将其扣除就得到测量靶标所在的测量点处的真实位移值，计算中位移向上为正值,向下为负值。

本发明已在桥梁位移检测中得到应用，目前可测量位移的量程为10m级,测量精度达0.1mm级，时间分辨率为100ms。