中小跨徑橋梁動撓度監(jiān)測的視頻位移法

概述

眾所周知，自2015年開始，在長大橋梁健康監(jiān)測行業(yè)中，采用視覺圖像方法，結合亞像素算法，在結構物典型位置安裝紅外光靶標，通過數(shù)據(jù)解算，實現(xiàn)結構物二維位移監(jiān)測，得到了大量的項目應用。其特點為非接觸、長測距、高精度、動態(tài)監(jiān)測、高采樣頻率，相比之下傳統(tǒng)撓度監(jiān)測使用靜力水準儀、壓力變送器、GNSS進行撓度監(jiān)測存在精度低、采樣慢、施工復雜等問題。尤其是基于液體連通管原理的監(jiān)測設備受橋梁現(xiàn)場溫度變化影響非常大，在項目中監(jiān)測效果往往不理想。

為了改進監(jiān)測方法，提高監(jiān)測準確度，適應室外監(jiān)測環(huán)境，我單位自主研發(fā)了基于機器視覺原理的光電圖像撓度儀。公司發(fā)展10年以來我們?yōu)橛脩粼趲装賯€項目中采用圖像位移傳感器，合理的利用它的優(yōu)點為用戶很好的解決了大跨徑橋梁的動撓度監(jiān)測需求。在鐵路結構物監(jiān)測方面，圖像位移傳感器也實現(xiàn)了50赫茲采樣的二維位移監(jiān)測高性能實時監(jiān)測。

圖像法位移傳感器也稱為光電圖像撓度儀，它利用高性能工業(yè)相機，以每秒50Hz對橋梁典型位置紅外靶標拍照，撓度儀的內(nèi)部配置了高性能ARM®六核64位處理器，處理器分析每個光點的中心位置在感光芯片上的坐標變化，經(jīng)過專業(yè)算法得出每個靶點在真實空間中的位移值。

 

測量原理示意圖

 

 

光學成像原理圖

 

為了滿足長大橋梁監(jiān)測需求，實現(xiàn)單跨300米的撓度監(jiān)測距離，撓度主機配備了焦距135毫米的專業(yè)鏡頭。下圖是視場示意圖。

 

 

 

靶燈成像示意圖

 

需求的變化

目前中小跨徑橋梁災害監(jiān)測報警成為橋梁健康監(jiān)測領域的需求熱點。與長大橋監(jiān)測系統(tǒng)相比，系統(tǒng)結構更“輕”、成本更“低”、系統(tǒng)覆蓋的中小跨徑橋梁更多。中小跨徑橋梁，短視距、寬視角、多片梁同時監(jiān)測、實時聯(lián)動報警的功能要求更加突出。

光電圖像撓度儀的功能也隨著應用場景的轉(zhuǎn)變，發(fā)生了諸多變化，其改進型產(chǎn)品更加適合中小跨徑橋梁的健康監(jiān)測需求：

 

 

 

 

● 視距更短：中小跨徑橋梁多為5-50米跨徑。

● 視場更寬：視距更短導致視場更寬。

● 鏡頭更短：采用8毫米寬視角鏡頭。

● 像素更高：采用2000萬像素超高清工業(yè)相機。

● 測點更多：同時監(jiān)測20個動撓度測點，采集頻率高達25赫茲。

● 算力更強：采用ARM®六核64位處理器。

● 接口更多: 4G,以太網(wǎng),RS485。

● 報警功能：自帶邊緣計算功能，自帶報警抓拍聯(lián)動功能。可以驅(qū)動LED顯示屏、語音喇叭、聲光警號、電話報警及短信報警等功能。

功能及參數(shù)

功能及特點

● 二維位移，精度高：基于機器視覺和高精度亞像素圖像算法技術，相對于傳統(tǒng)測量傳感器具有更高的精度，并可同時給出二維位移數(shù)據(jù)；

● 非接觸式測量：設備采用非接觸式圖像法，受環(huán)境溫濕度影響小，通視情況下可替代傳統(tǒng)靜力水準儀實現(xiàn)橋梁撓度和位移監(jiān)測；

● 一機多靶，數(shù)據(jù)相關性高：降低多點測量成本，給出同一時刻多點位移參數(shù)，有利于相關性研究和分析；

● 采樣頻率高：采用高速圖像采集、處理、存儲和發(fā)送的硬件模塊和算法，具有較高的采樣頻率，避免突發(fā)事件數(shù)據(jù)遺漏；

● 量程大，易安裝：視場可達16米*11米，免費提供設備現(xiàn)場調(diào)試軟件，同時提供專業(yè)可緩調(diào)金屬支架，安裝工作操作簡單；

● 多種組網(wǎng)通訊接口：傳感器內(nèi)部集成多種組網(wǎng)通訊接口，4G（插入物聯(lián)網(wǎng)卡設備即可聯(lián)網(wǎng)），以太網(wǎng)、RS485,方便用戶組網(wǎng)；

● 通訊協(xié)議多樣：多種通訊協(xié)議(TCP、UDP、MQTT、MODBUS、支持私有協(xié)議定制)任意選擇，方便用戶組網(wǎng)，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、完整性和可靠性；

● 支持遠程控制：可同時支持本地和遠程修改傳感器預設參數(shù)(ID、IP、監(jiān)測頻率、通訊協(xié)議等)，支持遠程固件程序升級，利于多傳感器的管理和控制；

● 雙看門狗保障：支持軟件看門狗和硬件看門狗，保證設備全天候不停機工作，保證野外復雜環(huán)境下實時長期監(jiān)測；

● 專有技術，避免干擾：設備采用特殊不可見光波長靶標，有效避免可見光干擾、同時減少雨霧天氣帶來的干擾；

● 系統(tǒng)集成度高，不需要額外網(wǎng)關等附加設備：圖像采集、識別、處理、解算、配置、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷家鸭捎谠O備，不需要額外附加設備即可獲得實時監(jiān)測數(shù)據(jù)；

● 抓拍聯(lián)動：主機可本地設置三級報警門限，超限后根據(jù)預設參數(shù)，自動控制本地抓拍槍機、球機、車牌識別相機等設備捕捉現(xiàn)場照片或視頻圖像，并將報警信息自動發(fā)送至服務器，無需額外附加設備(工控機、網(wǎng)關) 等即可實現(xiàn)報警抓拍功能；

● 采集儀功能：主機支持485接口傳感器采集功能，根據(jù)預設配置參數(shù)，可采集所有485接口傳感器（溫濕度、風速風向、拉繩、激光）等；并將采集數(shù)據(jù)解析打包自動上發(fā)至服務器；

● 網(wǎng)關功能：主機支持本地數(shù)據(jù)存儲。斷網(wǎng)數(shù)據(jù)續(xù)傳功能，保證數(shù)據(jù)連續(xù)不丟失，將現(xiàn)有網(wǎng)關設備功能集成于傳感器主機中；為客戶節(jié)省硬件設備資源，降低項目設備數(shù)量和施工成本；

● 靶標自動跟隨功能：主機可預設靶標熱點區(qū)域，標熱點區(qū)域不但可以提高算法運算效率，減少外界環(huán)境干擾，并且可自動跟隨靶標的移動，增大測量量程；

技術參數(shù)

（針對小跨徑，多片梁體撓度同時測量）

 

 

有源靶標技術參數(shù)

 

 

應用場景

橋梁撓度監(jiān)測

撓度作為變形的一種描述形式，可以評價橋梁質(zhì)量及其運營狀態(tài)，反映橋梁的剛度。橋梁的動撓度是橋梁剛度最為實時的反應，是橋梁在車輛載荷作用下最為真實的反應。在車輛載荷作用下，橋梁結構將產(chǎn)生比相同靜載荷作用下更大的變形和應力，因而對橋梁動撓度進行監(jiān)測有著重要的科研價值和實際意義。

數(shù)字圖像位移傳感器用于橋梁撓度測量具有監(jiān)測精度高、測量范圍大、多點撓度同步實時測量、體積小、可靠性高、安裝施工簡便，適合長期、在線自動化測量。撓度測量時靶標安裝在待測點的位置，與被測目標剛性連接；數(shù)字圖像傳感器安裝在相對靜止穩(wěn)定的位置(如橋墩)，傳感器中圖像傳感器獲取目標靶變化后，通過圖像測量算法即可求出目標靶位置隨時間變化參數(shù)，并經(jīng)過分析計算得到目標的位移，進而獲得被測目標的動態(tài)撓度變化，長期監(jiān)測又可同時獲得橋梁靜態(tài)撓度變化，測點布置及監(jiān)測數(shù)據(jù)如下圖所示。

 

撓度監(jiān)測示意圖

 

 

撓度監(jiān)測數(shù)據(jù)

 

安裝及注意事項

安裝方法與步驟

數(shù)字圖像位移傳感器安裝方法

首先將數(shù)字圖像位移傳感器主機安裝在防護罩內(nèi)，此防護罩為IP65防護，可在野外復雜環(huán)境下保護主機不受雨水侵蝕。第二步將防護罩與安裝支架使用專用螺絲固定結合，安裝支架帶萬向支架可以使用專用鑰匙緩慢調(diào)節(jié)主機鏡頭朝向，方便主機搜尋靶標。使用膨脹螺絲將防護罩與安裝支架組合件固定在橋墩或穩(wěn)定的基礎上，保證傳感器穩(wěn)定可靠；

 

 

監(jiān)測靶標安裝方法

監(jiān)測靶標具備IP67防護等級，并自帶防雨帽檐，根據(jù)安裝環(huán)境不同，來適合選擇安裝，使用至少兩顆M6膨脹螺絲固定在被監(jiān)測點位置，安裝支架為萬向鴨嘴支架，可自由調(diào)節(jié)靶標方向，安裝時注意將靶標對準傳感器鏡頭，因靶標光束角度較小，對不準傳感器鏡頭可能影響測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。根據(jù)安裝經(jīng)驗，可先安裝數(shù)字圖像位移傳感器主機，給傳感器供電，使用筆記本等便攜設備實時刷新傳感器采集圖像再安裝靶標，可提高安裝效率；

 

 

注意事項

● 數(shù)字圖像位移傳感器為精密光學設備，請勿用手直接觸摸鏡頭和靶標鏡面上，否側會影響測量效果，若鏡頭有污染請及時清潔；

● 主機供電為直流12~36V供電，監(jiān)測靶標為直流12~24V供電，請勿超電壓供電，否則會因電壓超高而造成設備無法恢復的損壞；

● 設備安裝時，請勿大力敲擊設備，造成設備內(nèi)部因振動較大而損壞；

● 因傳感器為圖像測量設備，有視場大小和角度限制，靶標安裝時請勿有遮擋和重合區(qū)域，否則造成監(jiān)測點因重合或遮擋而無法測量；

● 使用以太網(wǎng)做數(shù)據(jù)傳輸時，注意傳感器IP與局域網(wǎng)同一個網(wǎng)段內(nèi)其它設備IP地址不要沖突；

● 傳感器為精密儀器，未經(jīng)本公司允許，切勿自行拆卸設備，若造成設備損壞將自行承擔后果；

● 根據(jù)測量環(huán)境的復雜程度，建議定期進行設備維護，擦拭鏡頭和靶標鏡面；

● 強光可能對測量數(shù)據(jù)造成影響，備安裝時，應盡量避開陽光直射或強光區(qū)域。