一种桥隧结构位移的测量系统

摘要

本发明涉及一种桥隧结构位移的检测技术，尤其涉及一种桥隧结构位移的测量系统，包括；多个检测模组，控制及计算模组；每个检测模组包括图像采集装置及光源，图像采集装置的采集方向朝向光源；控制及计算模组包括控制单元，接收单元和存储及计算单元，控制单元分别与每个检测模组连接，用于控制每个光源的开关，以及控制每个图像采集装置在光源开启时同步拍摄；接收单元用于接收图像采集装置拍摄的连续的图像；存储单元；处理单元，连续读取存储单元存储的图像，并根据光源的中心位置与之前的位置比较产生的偏移计算每个图像采集装置和每个光源的位移生成位移数据；能够测量桥隧结构的动态位移，建设成本低，并且不受横向测量和竖向测量的限制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种桥隧结构位移的检测技术，尤其涉及一种桥隧结构位移的测量系统。

背景技术

大桥的大跨径梁、隧道等结构是代表性的细长桥隧结构。大跨径梁的竖向位移(一般称为挠度)和横向位移是判定结构安全的一个重要指标。同样，桥隧结构各节点的竖向位移(一般称为沉降)和横向位移也是判定结构安全的一个重要指标。

目前的检测大跨径梁的竖向位移和横向位移一般采用全球定位系统。其精度在厘米级，造价昂贵。而且，其检测位移一般需要一段时间，因此不能检测梁动态位移。

目前桥隧结构的竖向位移一般采用静力水准测量。静力水准测量系统采用传感器测出竖向变化。传感器容器采用液管联接，内有一个自由悬重，一旦液位发生变化，悬重的悬浮力即被传感器感应，精确测出竖向变化。但是，荷载通过时的振动会严重干扰其检测值，因此不能检测桥隧结构的动态位移。而且，静力水准测量无法检测横向位移。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种桥隧结构位移的测量系统，包括：

多个检测模组，沿桥隧结构的延伸方向间隔布设于所述桥隧结构上；

每个所述检测模组包括：

图像采集装置，设置于所述桥隧结构上；

光源，设置于所述桥隧结构上，所述图像采集装置的采集方向朝向所述光源；

控制及计算模组，包括：

控制单元，分别与每个所述检测模组连接，用于控制每个所述光源的开关，以及控制每个所述图像采集装置在所述光源开启时同步拍摄；

接收单元，与每个所述图像采集装置连接，用于接收所述图像采集装置拍摄的连续的图像；

存储单元；

处理单元，分别与所述接收单元和所述存储单元连接，用于将所述接收单元接收的连续的所述图像存储至所述存储单元中；

所述处理单元连续读取所述存储单元中存储的所述图像，并根据所述图像中所述光源的中心位置与上一个所述图像中所述光源的所述中心位置比较产生的偏移计算每个所述图像采集装置和每个所述光源的位移生成位移数据。

上述的测量系统，其中，所述控制及计算模组还包括：

发送单元，与所述处理单元连接，用于将生成的所述位移数据输出。

上述的测量系统，其中，还包括：

监控模组，与所述发送单元远程连接，用于接收所述发送单元输出的所述位移数据并监控。

上述的测量系统，其中，每个所述检测模组还包括一固定板；

每个所述检测模组中所述图像采集装置的数量为两个，并且两个所述图像采集装置固定于同一个所述固定板上；

每个所述检测模组中所述光源的数量也为两个。

上述的测量系统，其中，所述固定板上设置有角度调节座，用于调节两个所述图像采集装置的采集方向。

上述的测量系统，其中，每个所述光源包括多个光点，每个所述光源的所述光点能够确定一个唯一的中心点以用于定位。

上述的测量系统，其中，相邻的所述光点之间的间距相等；

所述处理单元提取所述图像中间距相等的所述光点以确定所述光源的中心。

上述的测量系统，其中，所述光点由发光二极管导通产生。

上述的测量系统，其中，所述位移数据包括横向位移数据和竖向位移数据。

上述的测量系统，其中，所述图像采集装置为工业相机。

有益效果：本发明提出的一种桥隧结构位移的测量系统能够测量桥隧结构的动态位移，建设成本低，并且不受横向测量和竖向测量的限制。

附图说明

图1为本发明一实施例中桥隧结构位移的测量系统的结构示意图；

图2为本发明一实施例中桥隧结构位移的测量系统的结构示意图；

图3为本发明一实施例中图像采集装置及固定板的安装位置示意图；

图4为本发明一实施例中测量系统在桥隧结构内的分布图；

图5为本发明一实施例中具有多个光点的光源的示意图；

图6为本发明一实施例中桥隧结构位移的示意图；

图7为本发明一实施例中光源在图像上的位置移动的示意图。

图8和图9为本发明一实施例中远近光源的设置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

在一个较佳的实施例中，如图1所示，提出了一种桥隧结构位移的测量系统，可以包括：

多个检测模组10，沿桥隧结构的延伸方向间隔布设于桥隧结构上，例如布设于桥隧结构的顶部等；

每个检测模组10包括：

图像采集装置11，设置于桥隧结构上；

光源12，设置于桥隧结构上，图像采集装置11的采集方向朝向光源12；

控制及计算模组20，包括：

控制单元21，分别与每个检测模组10连接，用于控制每个光源12的开关，以及控制每个图像采集装置11在光源12开启时同步拍摄；

接收单元22，与每个图像采集装置11连接，用于接收图像采集装置11拍摄的连续的图像；

存储单元23；

处理单元24，分别与接收单元22和存储单元23连接，用于将接收单元22接收的连续的图像存储至存储单元23中；

处理单元24连续读取存储单元23中存储的图像，并根据图像中光源12的中心位置与上一个图像中光源12的中心位置比较产生的偏移计算每个图像采集装置11和每个光源12的位移生成位移数据。

其中，检测模组10的数量可以是多个，每一个的连接方式都相同，因此在附图中没有重复画出，而控制及计算模组20的数量可以只有一个；由于光源12在图像上的位置具有方向性，因此本发明中的测量系统可以实现桥隧结构的横向位移和/或竖向位移的测量，详细的算法将在下文中详细给出；优选地，每次图像采集装置11进行拍摄应为同步拍摄，以保证沿桥隧结构布设的所有检测模组获得的图像及数据反映当时的桥隧结构的状态，从而得到桥隧结构的在各个检测点处的位移情况；光源12的初始位置可以是预先存储在存储单元23中的，读取图像的同时还需要同时读取光源12的初始位置的数据以进行比较，这里的上一个图像中光源的中心位置可以是例如桥隧结构建造时的初始位置，也可以是在动态测量过程中的上一次测量的位置，但这只是优选的情况，不应视为是对本发明的限制。

在一个较佳的实施例中，如图2所示，控制及计算模组20还可以包括：

发送单元25，与处理单元24连接，用于将生成的位移数据输出。

上述实施例中，优选地，如图2所示，还可以包括：

监控模组30，与发送单元25远程连接，用于接收发送单元25输出的位移数据并监控。

在一个较佳的实施例中，如图3所示，每个检测模组10还包括一固定板14；

每个检测模组10中图像采集装置11的数量为两个，并且两个图像采集装置11固定于同一个固定板14上；

每个检测模组10中光源12的数量也为两个。

其中，所有检测模组10的排布方式可以如图4所示，图4中最左侧和最右侧的可以为固定源，默认为不产生位移，这样的固定源可以布设在测量对象的两端，例如布设在隧道两端的沉井或者桥梁的桥墩上，用作计算其他光源12的位移的参照，最终产生的位移数据可以认为是每个光源12相对于固定源的位移，但这只是一种优选的情况，不应视为是对本发明的限制。

上述实施例中，优选地，固定板14上设置有角度调节座，用于调节两个图像采集装置11的采集方向。

上述的技术方案中，两次图像的比较可以是角度调节座完成角度调节前后的两张图像，此时图像采集装置11可以不仅仅采集最靠近该图像采集装置11的光源12，而是如图8和图9所示，同时采集较近的光源12a和较远的光源12b；当角度调节座完成角度调节后，图像上的光源12a和光源12b虽然都发生了位移，但是较远的光源12b在图像上的位移距离不同于较近的光源12a，通过这种方式也能够计算得到光源12a和光源12b的实际位移，或者作为一种额外的测量方式以提高测量的精度，但这只是优选的情况，不应视为是对本发明的限制。

在一个较佳的实施例中，如图5所示，每个光源12可以包括多个光点a，每个光源12的光点a能够确定一个唯一的中心点以用于定位。

上述实施例中，优选地，相邻的光点a之间的间距相等；

处理单元24提取图像中间距相等的光点a以确定光源12的中心。

上述实施例中，优选地，光点a由发光二极管导通产生。

其中，发光二极管可以固定于一固定底板上；更为具体地，固定底板可以具有多个通孔，该发光二极管可以嵌设于固定底板的通孔内，从而使得固定底板在通孔穿透的两个面上都能够发光，在这种情况下，图像采集装置11的布设方式可以是例如：朝向固定底板的两个面均分别布设有一个图像采集装置11，从而使得相邻的这两个图像采集装置11能够以相同的固定底板(或者说相同的光源)为参照进行测量和计算。

在一个较佳的实施例中，位移数据包括横向位移数据和竖向位移数据。

在一个较佳的实施例中，图像采集装置11为工业相机。

具体地，如图6所示，以竖向位移为例说明，横向位移同理。Z0为作为图像采集装置的相机的位移；Z1为作为光源的右侧靶(带有发光二极管)的位移；Z2为作为光源的左侧靶的位移。C点为相机位移产生之前的位置。C'点为相机位移Z0产生后的位置。B为左侧靶位移产生之前的左侧检测靶的中心位置，B'为左侧靶位移Z2产生之后的左侧检测靶的中心位置。A为右侧靶位移产生之前的右侧检测靶的中心位置，A'为右侧靶位移Z1产生之后的右侧检测靶的中心位置。

Y为位移前左侧检测靶的中心点在图像上的竖向位置，Y'为位移后左侧检测靶的中心点在图像上的竖向位置，所以Y'-Y为左侧检测靶的中心点在图像上的竖向位移。

X为位移前右侧检测靶的中心点在图像上的竖向位置，X'为位移后左侧检测靶的中心点在图像上的竖向位置，所以X'-X为左侧检测靶的中心点在图像上的竖向位移。

X'-X，Y'-Y的计算原理如图7所示，根据位移产生前后的检测靶的中心位移的像素h，换算成实际的竖向位移值。

X像素对应的实际横向位移＝W/w*X，Y像素对应的实际竖向位移＝H/h*Y。

假定，由于结构上部荷载的不均衡等原因，位移产生时相机固定底板轴线与水平方向产生一个夹角为δ的转动。

则，上述变量的关系为：

z₁＝x'+z₀+l₁tanδ-x

z₂＝y'+z₀-l₂tanδ-y

由于δ极小，上式可转写为：

则可得到：

z₁-z₀-l₁δ＝(x'-x)

z₂-z₀+l₂δ＝(y'-y)

基于以上原理，再结合系统构成图(图4)，整个系统可建立如下两组联立方程：

Z_i表示第i个靶的竖向位移，H_i表示第i个相机的竖向位移，l_ij表示第i个相机和第j个靶的距离，δ_i表示第i个相机固定底板轴线与水平方向产生的转动夹角，Δ_ij表示第j个靶中心在相机i所拍摄的图像上的实际竖向位移差。

R_i表示第i个靶的横向位移，N_i表示第i个相机的横向位移，l_ij表示第i个相机和第j个靶的距离，表示第i个相机固定底板轴线与竖向方向产生的转动夹角，P_ij表示第j个靶中心在相机i所拍摄的图像上的实际横向位移差。

将上述方程组(式1、式2)转成矩阵方程，记为AX＝B；AY＝C

其中

求解矩阵方程得到X＝A^-1B；Y＝＝A^-1C

从而得到第i个靶点的竖向位移Z_i，第i个相机的竖向位移H_i；第i个靶点的横向位移R_i，第i个相机的横向位移N_i。

综上所述，本发明提出的一种桥隧结构位移的测量系统能够测量桥隧结构的动态位移，建设成本低，并且不受横向测量和竖向测量的限制。

通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。

对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。