专利名称：大结构水平二维位移自动测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及位移测量技术，具体涉及一种可进行长期监测的大结构水平二维位移自动 测量装置及方法。
背景技术：
桥梁和高层建筑等大型结构在受力、光照和震动等作用下会产生侧向变形和位移，一 般用大型结构上待测点与固定参考点之间的相对位移表示。位移能直接反映结构的施工质 量、承载能力、健康情况，因而在大型结构的设计、施工质量控制、竣工验收等各个环节 中有严格的规定，需要在大型结构如桥梁、高层结构等建筑结构施工过程、竣工验收、服 役期间对其位移和变形参数进行测量，从而掌握施工质量和结构健康状况，实现事故早期 发现与预警。中国专利号为01129069.2公开的"多目标大型结构二维位移远程测量方法 及其设备"，其结构复杂，其中不稳定性因素较多，长期监测精度难以满足实际需要。比 如该发明的激光发射器安装于固定支架上，当环境光照、温度等条件改变时，支架必然发 生变形，造成激光器的扭转，即使激光器只扭转士0.01度，靶标与激光器之间仅相距50 米，也会造成17.45mm的误差，测量时间较长时将不具备实用性；又如为保持激光光斑的 稳定性，该发明对激光器的工作环境加入了半导体制冷和闭环控制，同时采用精密稳压单 元和多级反馈控制。这些设计既增加了制造成本，也增加了系统的复杂性，降低了稳定性。 中国专利号为200610094015. 4公开的"具有用于校正失真的水平位移传感器的投影仪"， 它将图像投影到投影表面上用位移传感器进行测量，用旋转角计算器计算旋转角，失真校 正器使用旋转角来校正图像的失真。该发明由于使用图像投影迸行测量，因大型结构尺寸 巨大，投影必然存在严重的衍射、散射，不能够用于大型结构的水平二维位移测量。又如 中国专利号为200410014177. 3公开的"电测水平位移计"，通过外护管内设置的位移传递 杆和位移法兰上设置的位移传感器来测量位移，但只能对接触式的一维水平位移进行测 量。另外，目前公开的位移测量装置绝大部分都是接触式测量或者只能测量竖直方向的位 移，对于水平方向远距离的二维位移自动测量装置和方法基本未涉及。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种结构简单、成本低，具有较 强环境适应能力的大结构水平二维位移自动测量装置。
本发明的另一目的是提供使用所述测量装置的大结构水平二维位移自动测量方法。
本发明的目的是这样实现的大结构水平二维位移自动测量装置，其特征在于，由激 光准直发射器、自然光滤波靶标、光斑位置采集设备和安装测量软件与数据库的计算机组 成；自然光滤波靶标通过光斑位置采集设备与所述计算机相连；所述激光准直发射器为 650nm的高精度激光准直发射器，由柔性连接装置和护罩构成自竖直结构；所述自然光滤 光靶标为蓝绿色滤光板材；光斑位置采集设备将采集的光斑颜色、形状和梯度变化传给计 算机，并由计算机处理输出测量结果。
大结构水平二维位移自动测量方法，其特征在于，包括如下步骤-
1) 将高精度激光准直发射器由柔性连接装置和护罩设于待测点，构成自竖直高精度 激光准直发射器；光斑位置采集设备设于测量参考点，半透射自然光滤波靶标固定在光斑 位置采集设备的正上方；
2) 调整自竖直激光准直发射器和光斑位置采集设备，使激光准直发射器发出的激光 光束对准光斑位置采集设备上的自然光滤波靶标；光斑位置采集设备通过接口与计算机连 接；
3) 在计算机中设置"0"位移参考点；当待测点发生水平位移时，悬挂于待测点的激 光准直发射器由于始终保持竖直，其发射的激光光束也发生相同的水平位移，因而投射到 自然光滤波靶标的激光光斑将同时发生位移，光斑位置采集设备获取光斑信号并将信号通 过计算机接口传入计算机；
4) 计算机对采集到的光斑信号进行滤波、亮度分析预处理后，根据光斑亮度和颜色 特点，提取光斑位置参数，并与预先设定的零位移点进行比较，对光斑位置进行定位运算 计算出相对零点的位移大小，并加以存储；根据存储的数据，可以检测出待测点的位移方 向、大小和振动情况，得出分析图表，得到位移的大小和变化规律。
所述计算机对光斑位置进行定位运算包括以下步骤-
(1) 从光斑位置采集设备获取图像并传到计算机；
(2) 扫描整个图像，以每个像素的R值进行梯度运算，找到图像中的最大R值梯度
数值；
(3) 设定标识阈值，用最大梯度值的1/2、 1/3等作为标识阈值；
(4) 第二次扫描图像，对于R梯度值大于标识阈值的，将其置为"1"，标识为白点，否则置为"0"，标识为黑点，输出图像转化为与原图像对应的二值图像；
(5) 进行数学形态学滤波，排除二值图像中的干扰噪声；
(6) 对得到的二值图像中的激光光斑进行圆心拟合，得到光斑中心的亚像素定位结
果；
(7) 对红色光斑进行识别和定位，并由计算机(6)处理输出测量结果。 相比现有技术，本发明具有如下优点及有益效果
1、 大结构水平二维位移自动测量装置由自竖直激光发射器、半透射自然光滤波靶标、 光斑采集设备、计算机及相应的软件构成，利用光斑采集设备获取激光光斑移动信号，采 集的数据经由计算机接口传至计算机，便于观察，传输处理方便；采用半透明自然光波段 的光线透过率低，能够通过的少部分自然光因滤光材料的颜色而呈蓝绿色。
2、 能够检测及监测大型结构上各点的位移和振动变化，从而可以运算结构的倾斜状 况，适于对桥梁、索塔和楼宇等大型结构的变形和移动的检测和监测；
3、 可检测及监测任何时刻被测点的振动频率、振动幅度等振动情况；
4、 满足对静态和动态位移、变形的测量和计算；
5、 测量速度快，能够达到每秒25次以上的测量速度；
6、 能够对长期位移、变形及其变化趋势进行计算和评估；
7、 可通过网络远距离获取信息进行分析；
8、 抗干扰能力强，长期稳定性高。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。
图1是本发明测量装置的组成示意图2是本发明的自竖直激光发射器防护罩的结构示意图3是本发明一实施安装方法的示意图4是本发明的光斑定位流程图。
具体实施例方式
如图1所示，大结构水平二维位移自动测量装置，由自竖直高精度激光准直发射器2， 半透射自然光滤波靶标4，光斑位置采集设备5 (如摄像机、光电二极管阵列等)和安装 测量软件与数据库的计算机6组成。半透射自然光滤波靶标4通过光斑位置采集设备5与所述计算机6相连。所述自竖直高精度激光准直发射器由650nm激光准直发射器2、柔性 连接装置3和护罩1构成自竖直结构，能够保证激光准直发射器始终保持竖直向下发射激 光，且不受风、雨的干扰；所述的半透射自然光滤波靶标4能够滤除大部分自然光线，使 少部分通过的自然光呈蓝绿色，而650nm的红色激光基本完全透过，且保持纯红色；光斑 位置采集设备5能够对红色光线进行识别和定位，自动排除其它干扰光线；所述计算机6 可与网络进行连接，实现数据的远程监控。所述光斑位置定位5由于采用自然光滤除的设 备，并使用动态定位算法，在较大范围内不受光斑强弱和自然光线的干扰。
参见图2，激光准直发射器的防护罩(1)为方便维护和保养激光器的可拆卸的筒状结 构，前后(上下)端由内侧螺纹22和外侧螺纹23相连，其前端有透光片21,尾端有可拆 卸的固定装置24。
参见图1，在使用摄像机作为光斑采集设备时，本发明大结构水平二维位移自动测量 方法为-
1) 将自竖直高精度激光准直发射器2设于防护罩1内，并由柔性连接装置3 (如绳索 等)设于待测点，光斑位置采集设备5设于测量参考点，半透射自然光滤波靶标4固定在 光斑位置采集设备正上方相应位置，靶标正下方安装镜头(方向竖直向上的摄像机)；
2) 在激光投射点到达的地面处安装靶面朝上的半透射自然光滤波耙标2，使激光点基 本投射到靶心，并固定靶标；调整自竖直激光准直发射器2和光斑位置采集设备5使激光 光束对准光斑位置采集设备5上的半透射自然光滤波靶标4;光斑位置采集设备5通过接
口与计算机6连接；并在适当位置安装计算机。
3) 在计算机6中设置"0"位移参考点；当待测点发生水平位移时，悬挂于待测点的
激光准直发射器2由于始终保持竖直，其发射的激光光束也发生相同的水平位移，因而投 射到半透射自然光滤波靶标4的激光光斑将同时发生位移，光斑位置采集设备5获取光斑
信号并将信号通过计算机接口传入计算机6;
4) 由计算机6对采集设备上的光斑位置进行实时采集和运算；计算机对采集到的光
信号进行颜色、亮度、梯度等进行分析和预处理后，进行光斑位置的运算；在对光斑位置
运算过程中，根据光斑从中心到边缘由强变弱的梯度特点定位光斑，并与预先设定的零位
移点进行比较，计算出相对零点的位移大小，并加以存储；
6)根据存储的数据，检测出待测点的位移方向、大小和振动情况，得出分析图表，
得到位移的大小和变化规律。
本发明的测量原理当大型结构发生位移或变形时，其待测点相应地要发生水平位移，
通过检测其水平位移的大小可以判断其变形的大小。
参见图3，以测量桥梁索塔的位移和倾斜为例，在索塔横梁上安装自竖直激光发射器 进行测量，具体说明本发明的实现方法
测量前将激光准直发射器1由柔性连接装置安装于横梁，当横梁发生水平位移时，激 光准直发射器1会因横梁的移动而发生位移；又由于柔性连接装置的作用激光准直发射器 是自动保持竖直向下的，因此其发射的激光光线也会产生与横梁相同的水平位移。通过在 桥面测量靶标上激光点的位移就可获得横梁的位移方向和大小，同时，由于横梁到桥面的 距离为巳知，所以可根据该位移判断索塔是否发生倾斜变形以及倾斜的方向和角度大小。
参见图4，对光斑位置进行定位运算包括以下几步
1、 从光斑采集设备获取图像并传到计算机；
2、 计算机扫描整个图像，以每个像素的R值(red)进行梯度运算，找到图像中的最 大R值(red)梯度数值
3、 设定标识阈值，作为第二次扫描比较的参考值。可以用最大梯度值的1/2、 1/3等 作为标识阈值；
4、 第二次扫描图像，对于R梯度值大于标识阈值的，将其置为"1"，标识为白点， 否则置为"0"，标识为黑点，输出图像转化为与原图像对应的二值图像；
5、 进行数学形态学滤波，排除二值图像中的干扰噪声；
6、 对得到的二值图像中的激光光斑进行圆心拟合，得到光斑中心的亚像素定位结果；
7、 输出运算结果。 本发明测量性能分析
一、 可测量的物理量1) 大型结构关键部位的水平二维位移方向与大小；
2) 大型结构的倾斜方向与倾斜角度大小；
3) 大型结构的振动频率和振动幅度；
4) 由l)、 2)、 3)可建模推导索塔的整体变形情况。
二、 精度分析
测量精度主要受激光光斑中心定位精度的影响。假定待测点相对于桥面的最大水平位
移为50毫米，使用704X576像素的普通摄像机对位移范围进行采集和运算，则每14. 08 个像素对应的实际距离为1毫米，即像素与距离的比例K=14.08，当激光光斑图像发生1 个像素的偏移时，激光光斑实际偏移量为 A, = 1/14.08 0.071mm若图像定位精度在像素级，则测量最大绝对误差应为
A = Ai/2 0.0355mm
在实际工程中，可采用亚像素级圆心定位方法，实际测量精度可以更高。 因测量的倾斜角度的精度是由测量位移的精度确定的，因此，测量角度的精度可以同 时估算。假设待测点与光斑接收设备竖直距离为40米，则根据位移测量的最大误差，可
得角度测量的最大绝对误差为
0 =arctg0. 000000875=8. 87e-7=0. 0031932角秒。
权利要求
1、大结构水平二维位移自动测量装置，其特征在于，由激光准直发射器(2)，自然光滤波靶标(4)，光斑位置采集设备(5)，安装测量软件与数据库的计算机(6)组成；自然光滤波靶标(4)通过光斑位置采集设备(5)与所述计算机(6)相连；所述激光准直发射器(2)为650nm的高精度激光准直发射器，由柔性连接装置(3)和护罩(1)构成自竖直结构；所述自然光滤光靶标(4)为蓝绿色滤光板材；光斑位置采集设备(5)将采集的光斑颜色、形状和梯度变化传给计算机(6)，并由计算机(6)处理输出测量结果。
2、 根据权利要求1所述的大结构水平二维位移自动测量装置，其特征在于，所述光 斑位置采集设备(5)为摄像机或光电二极管阵列。
3、 根据权利要求1所述的大结构水平二维位移自动测量装置，其特征在于，所述自 然光滤波靶标(4)为半透射蓝绿色滤光板或滤光片材。
4、 根据权利要求1所述的大结构水平二维位移自动测量装置，其特征在于，所述的 计算机(6)可与网络连接，实现数据的远程监控。
5、 大结构水平二维位移自动测量方法，其特征在于，包括如下步骤-1) 将高精度激光准直发射器(2)由柔性连接装置(3)和护罩(1)设于待测点，构 成自竖直高精度激光准直发射器；光斑位置采集设备(5)设于测量参考点，半透射自然 光滤波靶标(4)固定在光斑位置采集设备(5)的正上方；2) 调整自竖直激光准直发射器和光斑位置采集设备(5)，使激光准直发射器(2)发 出的激光光束对准光斑位置采集设备(5)上的自然光滤波靶标(4);光斑位置采集设备(5)通过接口与计算机(6)连接；3) 在计算机(6)中设置"0"位移参考点；当待测点发生水平位移时，悬挂于待测 点的激光准直发射器(2)由于始终保持竖直，其发射的激光光束也发生相同的水平位移， 因而投射到自然光滤波靶标(4)的激光光斑将同时发生位移，光斑位置采集设备(5)获 取光斑信号并将信号通过计算机接口传入计算机(6);4) 计算机(6)对采集到的光斑信号进行滤波、亮度分析预处理后，根据光斑亮度和 颜色特点，提取光斑位置参数，并与预先设定的零位移点进行比较，计算出相对零点的位 移大小，并加以存储；根据存储的数据，可以检测出待测点的位移方向、大小和振动情况， 得出分析图表，得到位移的大小和变化规律。
6、 根据权利要求5所述的大结构水平二维位移自动测量方法，其特征在于，所述计 页算机(6)对光斑位置进行定位运算包括以下步骤(1) 从光斑位置采集设备(5)获取图像并传到计算机；(2) 扫描整个图像，以每个像素的R值进行梯度运算，找到图像中的最大R值梯度数值；(3) 设定标识阈值，用最大梯度值的1/2、 1/3等作为标识阈值；(4) 第二次扫描图像，对于R梯度值大于标识阈值的，将其置为"1"，标识为白点，否则置为"0"，标识为黑点，输出图像转化为与原图像对应的二值图像；(5) 进行数学形态学滤波，排除二值图像中的干扰噪声；(6) 对得到的二值图像中的激光光斑进行圆心拟合，得到光斑中心的亚像素定位结果；(7) 对红色光斑进行识别和定位，并由计算机(6)处理输出测量结果。
全文摘要
本发明提供一种大结构水平二维位移自动测量装置及方法，由激光准直发射器、自然光滤波靶标、光斑位置采集设备和安装测量软件与数据库的计算机组成；自然光滤波靶标通过光斑位置采集设备与所述计算机相连；所述激光准直发射器由柔性连接装置和护罩构成自竖直结构；光斑位置采集设备将采集到的光斑颜色、形状和梯度变化传给计算机，并由计算机处理输出测量结果。本发明适于对桥梁、索塔或楼宇等大型结构的变形和移动的检测和监测；可检测及监测任何时刻被测点的振动频率、振动幅度等振动情况；满足对静态和动态位移、变形的测量和计算。能够对长期位移、变形及其变化趋势进行计算和评估；具有测量速度快、抗干扰能力强和稳定性高等特点。
文档编号G01C15/00GK101339003SQ20081007007
公开日2009年1月7日 申请日期2008年8月1日 优先权日2008年8月1日
发明者周建庭, 杜子学, 蓝章礼 申请人:重庆交通大学