數字圖像技術在三等跨連續梁振動分析中的運用

董湘婉, 袁向榮, 任張晨, 徐旻杰, 劉 輝

(廣州大學 土木工程學院，廣州 510006)

0 引 言

橋梁檢測是關系著正確的評價橋梁的運行情況和通行能力的準確性的重要基礎工作[1]。基于固有頻率等方法的損傷識別是橋梁健康監測過程中的關鍵環節[2],而且在剛度一定的結構中，固有頻率隨損傷的增加而減小[3],因此周期性對橋梁固有頻率的檢測十分重要。然而,目前大部分測量方法都是基于傳統方法上的研究，即通過傳感器獲取橋梁振動信號，例如由車輛響應識別橋梁固有頻率[4]等。但由于傳感器是高靈敏度儀器，易受外界噪聲振動等干擾，影響檢測結果。通過數字圖像處理技術，對試驗梁進行測試[5]，利用相關邊緣檢測算子[6]，例如Laplace算子、Canny算子[7-8]、Sobel算子等進行邊緣檢測，利用邊緣的位移時程計算得到運動頻率。本文采用Canny算子進行運算。

1 三等跨連續梁實驗模型

實驗對象為三等跨等截面連續槽型梁模型，梁長5.4 m，橋跨布置為3×1.8 m，共設4個支座，編號為1～4，使用鋼輥軸支座約束梁的豎向位移，其中支座1用砝碼加重形成固定支座。截面尺寸如圖1所示。

圖1 截面尺寸圖(mm)

材料參數取值：彈性模量E=70 GPa，線膨脹系數1.2×10-5℃-1，泊松比v=0.3，容重Dens=28 kN/m3。

2 有限元模態分析

2.1 建立有限元模型

通過有限元軟件建立三等跨5.4 m梁模型，將梁劃分為36個單元，輸入上述材料參數取值，然后進行邊界條件處理，對支座1約束其x、y、z方向上的位移，對支座2、3、4僅約束z方向上的位移，選用子空間迭代法進行模態分析，最后運行分析得到各階固有頻率及振型圖。模型圖如圖2所示。

圖2 有限元分析模型

2.2 有限元計算結果

通過上述有限元模態分析[9-10]后，可以得到該連續梁的前3階固有頻率分別為2.840,3.639,5.311 Hz。前3階振型圖如圖3所示。

3 傳統檢測方法的模態分析

3.1 實驗準備

(1) 9個BI1148型壓電加速度傳感器[11]，置于梁上，拾取梁的振動加速度信號，并傳遞給信號采集儀。

(2) INV3060V2智能信號采集處理分析儀，采集梁的振動信號，并將信號導入計算機。

(a)1階振型圖

(b)2階振型圖

(c)3階振型圖

圖3 連續梁前3階理論振型

(3) 筆記本電腦和DASP V10智能分析軟件[12]將采集到的梁的振動信號實時顯示、分析和處理。

3.2 傳統方法實驗過程

為了盡量減少測量誤差，先將9個傳感器進行系數標定，采用錘擊法[13]錘擊梁,將所有傳感器進行系數標定，然后再錘擊梁使采集儀采集一段梁的振動信號并導入DASP軟件中，從而得到各點頻響函數。對頻響函數進行集總平均，選擇合適的頻率進行定階，再利用實模態多自由度擬合，便可得到前3階固有頻率與振型圖[14]。

3.3 傳統方法實驗結果

前3階固有頻率如下:2.911,3.782,5.550 Hz,振型圖見圖4。

(a)1階振型圖

(b)2階振型圖

(c)3階振型圖

圖4 傳統檢測法實測的前3階振型圖

4 視頻圖像法

4.1 圖像法實驗過程

為了保持實驗一致，將上述實驗中的傳感器置于試驗梁的相同位置。錘擊梁上一點，使用視頻錄制設備錄制梁的振動，導入計算機，運行Matlab將視頻按其幀數截成多幅圖片。截取感興趣區域(梁的主要區域)，將彩色圖片轉為灰度圖像，繼而取合適的閾值將其轉為二值圖像。由于一共分解到1 000多幀的序列圖，一一轉化得到對應的二值圖，但是各連續序列之間展現出來的梁邊緣的位置變化肉眼比較難區分，所以取了其中1幀的二值圖像進行展示，如圖5所示。再運用多項式擬合其亞像素邊緣，由于邊緣處灰度變化最大，則多項式導數為最大值的點即邊緣處位置。這樣得到的亞像素[15]級別的圖像比整像素的更為精確。利用循環語句對每張圖進行上述操作，即可得到各時刻梁邊緣各點位置，將傳感器所在位置的時間歷程提取出并導入分析軟件中進行模態分析，便可得到該梁的前3階振型圖及頻率。這也體現出了視屏圖像運用于橋梁檢測中的更為精確，測點更多等優勢。

圖5 試驗梁的二值圖像

4.2 圖像檢測法實驗結果

圖像法檢測到的前3階頻率如下:2.880,3.625,5.233 Hz。前3階振型見圖6。

(a)1階振型圖

(b)2階振型圖

(c)3階振型圖

圖6 圖像法檢測的前3階振型圖

5 實驗結果誤差對比

通過上述3種方法分別都得到了梁的振型圖及頻率，下面以通過有限元軟件建模得到的結果為基準，比較傳統檢測方法和視頻圖像法的誤差大小，見表1。

表1 傳統檢測實測各階頻率

6 結 論

通過上述3個實驗的結果對比，可得到以下結論：

(1) 從兩種方法的結果誤差對比可以看出,圖像法測量梁的前3階固有自振頻率更接近理論計算結果，第2階甚至只有0.4%的誤差。

(2) 由于圖像法不需要傳感器，即除去了傳感器本身的測量誤差，以及傳感器與橋面接觸碰撞產生的誤差，視頻錄制設備本身不易受周圍環境影響，不像傳感器由于靈敏度非常高，容易受噪音、風等影響。因此相比傳統檢測法來說要精確的多。

(3) 在實際應用中，圖像法更加方便靈活，現場只需攜帶視頻錄制設備，如手機、相機等即可隨時隨地進行錄制，然后導入筆記本電腦便可得到測量結果，擁有方便、快捷、易攜帶的優點。

參考文獻(References)：

[1] 宋占昌. 橋梁固有頻率測量與分析[J]. 信息與電腦(理論版),2013(8):180-181.

[2] 王 研. 基于固有頻率變化的橋梁損傷識別[D]. 南昌: 華東交通大學,2012.

[3] 尚 鑫. 基于動力測試的橋梁損傷識別研究[D]. 西安: 長安大學,2014.

[4] 王 希. 由車輛響應識別橋梁固有頻率的方法研究[D]. 長沙: 中南大學,2009.

[5] 袁向榮. 邊緣識別的正交多項式擬合及梁變形檢測[J]. 實驗室研究與探索,2013,32(10):11-13.

[6] 趙 芳,欒曉明,孫 越. 數字圖像幾種邊緣檢測算子檢測比較分析[J]. 自動化技術與應用,2009,28(3):48-50.

[7] 周 超. 邊緣檢測Canny算子的研究與改進[D]. 重慶: 重慶師范大學,2012.

[8] 林 卉,趙長勝,舒 寧. 基于Canny算子的邊緣檢測及評價[J]. 黑龍江工程學院學報,2003,17(6):3-6,16.

[9] 梁 君,趙登峰. 模態分析方法綜述[J]. 現代制造工程,2006(8):139-141.

[10] 龍 英,滕召金,趙福水. 有限元模態分析現狀與發展趨勢[J]. 湖南農機,2009,36(4):27-28,45.

[11] 陳至坤,逄 鵬,王福斌,等. 基于壓電加速度傳感器的振動測量系統研究[J]. 計算機測量與控制,2014(12):3923-3925.

[12] 徐文峰,袁向榮. DASP系統在連續梁模態分析中的應用[J]. 工程與試驗,2012,51(4):58-59.

[13] 劉 軍,高建立,穆桂脂,等. 改進錘擊法試驗模態分析技術的研究[J]. 振動與沖擊,2009,28(3):174-177.

[14] 吳 晶,袁向榮. 兩等跨連續梁的模態分析試驗[J].長春工程學院學報:自然科學版,2012,13(1):1-2,26.

[15] 張美靜. 亞像素邊緣檢測技術研究[D]. 沈陽: 沈陽理工大學,2013.