一种基于CCD的梁结构形变监测系统的制作方法

本实用新型属于梁结构形变检测技术领域，尤其涉及一种基于 CCD的梁结构形变监测系统。

背景技术：

梁体变形监测就是利用测量仪器对梁体的变形现象进行持续观测、对梁体变形形态进行分析和梁体变形的发展态势进行预测等各项工作。现有的测量装置，如准直测量装置、倾斜仪监测装置、应变计测量装置等，这些测量装置在实施的过程中容易实现连续、自动观测，且具有较高的相对精度。但是这些测量装置的缺点是只能提供变形体的局部变形信息，对于变形体的整体变形情况，无法进行统计分析。专利201721717689.5公开了一种变形体变形监测装置，包括数据采集传输机构和计算机平台，所述数据采集传输机构包括盒体、激光发射器和光反射接收机构，以及控制传输模块和 CCD相机，所述光反射接收机构包括凸透镜和反射光线接收屏幕，所述控制传输模块包括控制器和第一数据传输模块，所述激光发射器由控制器进行控制，所述CCD相机与控制器相接，所述控制器通过第一数据传输模块与所述计算机平台无线通信。该专利能快速、准确地实现变形体变形的动态监测和整体变形量的监测，但是仍然存在结构复杂、不能实现对结构动力特性的研究等问题，而且现有的结构动力特性分析系统需要基于专门的分析软件，在对于简单结构进行动力分析中显得不够简便与经济。

技术实现要素：

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的目的之一在于提供一种结构简单、设计合理且使用操作简便，成本低的基于CCD的梁结构形变监测系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于CCD的梁结构形变监测系统，包括：

发生激光束的激光发生器；

设置在梁结构上的激光反射镜，从激光发生器发出的激光束打在所述激光反射镜上并反射；

会聚透镜，用于使激光反射镜反射的激光束进行会聚；

CCD摄像机，用于对会聚后的激光束进行采集并生成图像信号；

图像采集卡，其输入端与所述CCD摄像机的输出端通信连接，用以将图像信号转换成数字信号；

以及，与所述图像采集卡通信连接，对图像采集卡采集的图像进行图像预处理和参数测量，获取光斑中心坐标最后生成响应曲线的基于MATLAB软件平台搭建的计算机。

进一步的，所述计算机包括：

与所述图像采集卡通信连接，对所述图像采集卡采集到的图像进行预处理的图像预处理模块；

与所述预处理模块连接，对所述预处理后的图像进行参数测量，获取光斑中心坐标最后生成响应曲线的测量模块。

进一步的，所述图像预处理模块包括：

将所述CCD摄像机采集的图像进行灰度处理的灰度变换模块；

与所述灰度变换模块连接，滤除图像采集过程中带来的噪声，改善所述图像的质量的滤波降噪模块；

与所述滤波降噪模块连接，将所述滤波降噪模块滤除噪音后的图像中的图像和背景分离出来的阀值分割模块。

进一步的，所述测量模块包括：

对背景分离后的图像的光斑中心进行分析的形态学处理模块；

与所述形态学处理模块连接，对获得的光斑中心坐标进行插值及中心定位处理，进而生成响应曲线的参数分析模块。

进一步的，所述激光反射镜通过传动杆与所述梁结构固定连接。

进一步的，所述激光发生器与激光反射镜之间的入射光路上设有偏振片。

进一步的，所述激光反射镜与会聚透镜的反射光路上设有平面反射镜。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：本实用新型基于CCD工业相机与激光三角测距法，提出了一种梁体结构的自动监测系统，通过运用光学技术、微电子技术以及计算机技术，不仅改变了传统梁体变形的测量方式，而且利用CCD工业相机进行图像采集，并通过MATLAB处理拍摄的图像，以获得振动的响应曲线，来研究梁结构的形变大小与动力特性。

该系统既可以用于梁结构形变自动监测，同时也可以实现对梁结构的动力特性进行分析，具有结构简单，易于组装，低成本的优点，而且测量精度可以满足工程与部分相关研究需要。

附图说明

图1为本实用新型激光测距光路示意图；

图2为本实用新型激光测距光路原理图；

图3为本实用新型计算机结构示意图；

图4利用MATLAB绘成响应曲线总体流程框图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1和图2，一种基于CCD的梁结构形变监测系统，包括发生激光束的激光发生器1、设置在梁结构2上的激光反射镜3，从激光发生器1发出的激光束打在激光反射镜3上并反射、用于使激光反射镜3反射的激光束进行会聚的会聚透镜4(凸透镜)、用于对会聚后的激光束进行采集并生成图像信号的CCD摄像机5、用以将图像信号转换成数字信号的图像采集卡(图中未示出)以及基于 MATLAB软件平台搭建的计算机6；CCD摄像机5的输出端与图像采集卡的输入端相连，计算机6的输入端与图像采集卡的输出端通信连接，以对图像采集卡采集的图像进行图像预处理和参数测量，进而获取图像光斑中心坐标最后生成响应曲线。

参见图3和图4，实际设计中，基于MATLAB软件平台搭建的计算机包括图像预处理模块61和测量模块62，其中，图像预处理 61与图像采集卡通信连接，以对图像采集卡采集到的图像进行预处理；测量模块62与预处理模块61连接，对预处理后的图像进行参数测量，获取光斑中心坐标最后生成响应曲线。

可以想到的是，在实际应用中，图像预处理模块61包括将CCD 摄像机5采集的图像进行灰度处理的灰度变换模块611、与灰度变换模块611连接，滤除图像采集过程中带来的噪声，改善图像的质量的滤波降噪模块612以及与滤波降噪模块612连接，将滤波降噪模块612滤除噪音后的图像中的图像和背景分离出来的阀值分割模块613。

测量模块62包括对背景分离后的图像的光斑中心进行分析的形态学处理模块621以及与形态学处理模块621连接，对获得的光斑中心坐标进行插值及中心定位处理，进而生成响应曲线的参数分析模块622。

需要说明的是，本实施例中激光反射镜3可以通过传动杆7与梁结构2固定连接，由传动杆7拾取震动并带动平面激光反射镜3 震动，图像采集卡安装在计算机6的PIC插槽中，图像采集卡通过通信总线9与CCD摄像机5相连。

具体的，在激光反射镜3与会聚透镜4的反射光路之间上还可以设有平面反射镜8，从而将反射的激光束垂直射入CCD摄像机5 中。在激光发生器1与激光反射镜3之间的入射光路上设有两块偏振片10。由激光发射器1，发射一束激光束，经偏振片10后以确定的夹角打到与传动杆7连接的平面激光反射镜3上，通过另一块平面反射镜8改变光路方向并使反射光线通过会聚透镜4的轴线垂直射入CCD摄像机5，CCD摄像机5捕捉到光斑的图像或录制视屏。

为方便技术人员能够实施本发明并应用到实际中，我们用给定的震动装置模拟地震，并对检测地震过程做详细说明。

本实施例通过激振器使简支梁产生简谐振动以作为振源，通过激光三角法放大振动现象，并利用CCD工业相机记录，最后通过基于MATLAB软件平台搭建的计算机6处理拍摄的图像，以获得振动的响应曲线，并通过计算获得相关的振动参数(周期、振幅、阻尼比等)。与此同时，将所获得的响应曲线与电涡流位移传感器所得的曲线进行比较，进一步确定设备的精确度。

具体实施步骤如下：

步骤1：选择一个震源模拟地震。通过设计信号发生器中输出的交变电流的频率，可以控制简支梁的振动频率，进而可以进行多次实验，比较设计的简易地震仪与精密的位移传感器所获得的响应曲线，在验证设备可行性的同时确定简易地震仪的精确度。启动激振器，待振动稳定后，关闭激振器，获得稳定振动与衰减振动的部分响应曲线。DHDAS数据采集分析软件记录位移传感器获得的振动响应曲线，根据位移传感器的振动响应曲线，可以获得振动的阻尼比，计算如下

且根据稳定振动的图像可以发现，简支梁稳定振动时的振幅为 160μm。

步骤2：利用激光三角测距，即搭建光路，为检测激振器的振动，将平面反射镜1置于震动台上固定，激光反射镜1与水平夹角为θ。激光发射器发射出光线经激光反射镜1发生第一次反射，再经平面反射镜2反射发生第二次反射(平面反射镜2的作用：改变光路，以使光线垂直打入CCD里面便于接收)。当起振时，振动平台会垂直振动，所连接的激光反射镜1也会跟着垂直振动。

(1)根据激光三角测距光路图第一级放大系数γ1：

即

γ1＝2cos²θ

(2)把屏幕放大效果(便于观察)作为第二级放大系数γ2：设CCD的像元尺寸为μ1μm×μ1μm，输出的频闪图像的像元尺寸为μ2mm×μ2mm，则

故综合放大系数为

本次实验θ＝30°，μ1＝3.75μm，μ2＝0.25mm，故放大倍数为

步骤3：用CCD摄像机采集图像，并传输至图像采集卡，将图像信号转换成数字信号，数字信号经量化及灰度处理就可形成空间和幅度均离散化的灰度图，图像的空间分辨率主要由CCD摄像机里图像采集矩阵中光电感受单元的尺寸和排列所决定，而灰度图的幅度分辨率主要由对电信号进行量化所使用的级数所决定。

步骤4：转换后的图像信息数据采集到基于MATLAB软件平台搭建的计算机6中，MATLAB软件采用灰度变换、平滑滤波、图像分割等运算实现图像的预处理，最后根据形态学处理的思想实现光斑定位的仿真分析，获取光斑中心坐标最后绘成响应曲线。由光路传过来发生偏移的光线被CCD所接收，连续的振动会在CCD中形成光斑连续运动的图像，通过CCD的频闪和放大功能可以采集并观察到振动的情况，用MATLAB计算出光斑的中心位置，并绘出光斑的振动曲线，光斑振动曲线上峰值记录表如表1所示。

表1光斑振动曲线上峰值记录表

对噪声的过滤是必不可少的，本次采用中值法进行滤波，通过对光斑图像处理增强后，光斑的轮廓和位置已经比较清楚了，可以用一些算法进行精度分析了。选取一个合适的阈值，将图像中的每一个像素点与该阈值比较，确定图像中各个像素点应该属于目标区域，还是属于背景区域，从而得到相应的二值图像以进行光斑定位，获取光斑中心坐标。需要注意的是，对图像进行二值化处理的关键是阈值的选择与确定，不同的阈值对于一幅图像进行处理会产生不同的二值化处理结果。二值化阈值设置过小容易产生噪声；阈值设置过大会降低分辨率,使非噪声信号被视为噪声而滤掉。

步骤5：通过计算响应曲线获得相关的振动参数(周期、振幅、阻尼比等)，将所获得的响应曲线与电涡流位移传感器所得的曲线进行比较，进一步确定设备的精确度。

(1)在稳定振动时，由图像可得光斑移动的振幅为(像元尺寸为3.75μm)

故一级放大倍数为

(2)阻尼系数

取衰减振动上间隔10个周期的振幅，则

误差与性能分析

1、放大倍数

根据实验结果可得实际的简易地震仪放大倍数为：

小于理论值γ＝100，且相对误差为

2、阻尼系数

由上述计算可得，电涡流位移传感器测量的简支梁阻尼比为

ζ传＝0.0117

简易地震仪测量的简支梁阻尼比为

ζ简＝0.0108

故相对误差为

即可认为该简易地震仪的准确度较高。

3、简易地震仪的其他指标

(1)量程S

量程是指测量上下限值的代数差，本次实验即可认为可测的最大振幅值。

由于CCD像元尺寸为3.7μ5m×3.7μ5m，分辨率为1292(H)×964 (V)，故可测振幅的最大值为

S＝3.75×1292＝4837.5μm≈4.8mm

本次实验的振动振幅为160μm，放大后为225.94μm，均在本检测系统的量程之中，且远离了上下限值，可以减小测量误差。

(2)分辨力

当输入量从某个任意非零值开始缓慢变化时，我们将会发现只要输入值的变化值不超过某一值，仪器的示值将不会发生变化，我们称使得仪表示值发生变化的最小输入变化值叫做仪表的分辨力。由振动响应曲线可发现当振幅小于某一值时，响应曲线将趋于一条直线，而由位移传感器的振动响应曲线可知此时系统仍在振动。由已知的CCD的像元尺寸为3.7μ5m×3.7μ5m，即当振幅小于3.7μ5m时，光斑振动范围在一个像元尺寸内，反应在振动响应曲线即坐标变化不明显，故呈直线。

处理代码：

利用MATLAB获取光斑中心坐标的代码如下：

上述实施例仅仅是清楚地说明本实用新型所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。