橋梁撓度檢測實驗系統(tǒng)設(shè)計

李星星, 梁宗保, 席源江, 黃居華

(重慶交通大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院, 重慶 400074)

科研成果蘊含著創(chuàng)新的思想,是非常寶貴的潛在實驗教學(xué)資源。如果將之轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)內(nèi)容,讓學(xué)生有機(jī)會接觸到學(xué)科的前沿知識,體會創(chuàng)新的過程,培養(yǎng)創(chuàng)新的思維,這是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的必要手段[1-2]。

撓度監(jiān)測是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的一項重要內(nèi)容。激光投射式位移監(jiān)測方法應(yīng)用于橋梁撓度監(jiān)測,具有對結(jié)構(gòu)體不產(chǎn)生損害、施工安裝方便、測量精度高、后期維護(hù)成本低等特點。該方法涵蓋多學(xué)科的知識,綜合運用了傳感技術(shù)、點激光匯聚投射技術(shù)、光斑圖像識別技術(shù)、遠(yuǎn)距離通信技術(shù)等[3]。

傳統(tǒng)的人工測量方法,如精密水準(zhǔn)儀測量法[4]、全站儀測量法[5-6]等,由于設(shè)備體積較大,無法在實驗室橋梁模型上安裝操作,也不能體現(xiàn)自動化、信息化的現(xiàn)代測量手段。課題組采用我校國家重點實驗室培育基地的科研成果,結(jié)合實驗教學(xué)的具體要求,對硬件和算法等進(jìn)行調(diào)整并優(yōu)化,設(shè)計了一套基于激光投射式位移監(jiān)測方法的橋梁撓度檢測實驗系統(tǒng),主要用于土木工程類專業(yè)和電子信息類專業(yè)本科生的實驗教學(xué)。該系統(tǒng)由激光發(fā)射模塊、激光接收模塊、圖像采集與處理模塊、無線傳輸模塊以及數(shù)據(jù)顯示模塊等組成,測量精度達(dá)到0.1 mm。除具備實驗教學(xué)的功能外,基于該實驗系統(tǒng)還能開發(fā)出多項開放式、創(chuàng)新性實驗項目[7]。學(xué)生在完成實驗項目的過程中,需要共同或獨立解決多項關(guān)鍵技術(shù),達(dá)到培養(yǎng)創(chuàng)新思維的目的,從而提高自主學(xué)習(xí)與實踐的能力。

1 實驗系統(tǒng)原理

1.1 激光投射式位移監(jiān)測方法

激光發(fā)射器固定于被測結(jié)構(gòu)的測量點位置,準(zhǔn)直激光束投射在固定的半透射標(biāo)靶上,形成一個圓形激光光斑,如圖1所示。視頻采集設(shè)備安裝于標(biāo)靶正后方,從視頻采集設(shè)備輸出的模擬視頻信號經(jīng)圖像采集卡采集,通過專門的軟件處理后得到標(biāo)靶上光斑中心的坐標(biāo)位置。任一時刻,被測結(jié)構(gòu)在荷載作用下沿豎向移動ΔY距離,由于激光器固定在被測結(jié)構(gòu)上,因而激光器也會相應(yīng)移動,使得投射在標(biāo)靶上的激光光斑也產(chǎn)生相同的位移。計算出光斑在標(biāo)靶上中心位置的豎向位移ΔY,即是測量點的豎向撓度[8]。實際工程應(yīng)用中,可以在被測結(jié)構(gòu)上同時安裝多個激光發(fā)射器,從而實現(xiàn)撓度多點測量。

圖1 實驗系統(tǒng)原理示意圖

1.2 光斑中心位移算法

光斑中心定位及位移計算的原理和算法較為復(fù)雜[9-12],在該實驗系統(tǒng)設(shè)計中采用調(diào)整并優(yōu)化后的算法,便于學(xué)生理解和編程實現(xiàn)。特制的成像標(biāo)靶使用暗淡的藍(lán)色,與攝像頭實際采集到的光斑顏色區(qū)別明顯,將采集的光斑特征數(shù)據(jù)取平均值達(dá)到識別光斑位置的目的。選用數(shù)字?jǐn)z像頭,單片機(jī)無需存儲每一幀光斑圖像。

具體實現(xiàn)方法:圖2中,將光斑特征數(shù)據(jù)所在坐標(biāo)列數(shù)之和求平均值,得到光斑中心點所在列數(shù)為

圖2 光斑中心位移分析示意圖

(1)

同時,將光斑所在的坐標(biāo)行數(shù)之和求平均值,得到光斑中心點所在行數(shù):

(2)

由此,可確定圖像中光斑中心所在位置(xj,yj)。

計算位移時,首先根據(jù)(1)式和(2)式得到初始坐標(biāo)點(x0,y0)；當(dāng)測量點發(fā)生變形時,光斑坐標(biāo)點發(fā)生變化,得到次態(tài)坐標(biāo)點(x1,y1),從而得出前后兩幅圖像中光斑中心的豎向位移(y1-y0)。

由于只考慮測量豎向撓度值,需要確定兩行像素點之間的距離d。d由下式計算:

d=N/p

(3)

其中,N代表攝像范圍內(nèi)的豎向?qū)挾?p代表圖像數(shù)據(jù)的行數(shù)。

最后,得到豎向撓度ΔY為:

ΔY=(y1-y0)×d

(4)

2 實驗系統(tǒng)設(shè)計及實施

撓度檢測系統(tǒng)主要包括激光發(fā)射模塊、激光接收模塊、圖像信息采集模塊、圖像信息處理模塊、無線傳輸模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊,總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。圖像識別與處理采用數(shù)字?jǐn)z像頭和32位單片機(jī)芯片,無線傳輸采用藍(lán)牙技術(shù),測量數(shù)據(jù)通過上位機(jī)軟件界面和液晶顯示器同時顯示。圖4為橋梁模型撓度檢測裝置。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2.1 激光發(fā)射模塊

考慮到實驗室環(huán)境不受污濁空氣、強(qiáng)烈光線的影響,加之安裝在橋梁模型上的激光器投射距離較短,無需使用特制的弱衍射準(zhǔn)直激光器,因此采用了成本低廉的激光筆作為激光光源,安裝情況如圖4所示。由于橋梁模型在荷載作用下?lián)隙茸兓苄?而且對測量的精度要求很高,激光筆必須緊貼橋模跨中固定,不能受其他外力干擾。激光筆由按鈕控制開關(guān)。

2.2 激光接收模塊

激光接收模塊采用特制的成像標(biāo)靶。標(biāo)靶為半透明亞克力板,在保證激光束能夠透射到標(biāo)靶的另一側(cè)形成穩(wěn)定光斑的同時,可以有效地過濾干擾光線。另外，通過打磨標(biāo)靶表面使其呈漫反射特性,避免了激光束的二次匯聚反射產(chǎn)生的干擾。標(biāo)靶固定于橋梁模型墩臺上方,處于攝像頭測量范圍內(nèi)。激光接收標(biāo)靶的架設(shè)見圖4。

圖4 橋梁模型撓度檢測實驗裝置

2.3 圖像信息采集模塊

圖像信息采集模塊由攝像頭OV7670[13]和數(shù)據(jù)緩沖器AL422B組成。采用數(shù)字?jǐn)z像頭作為圖像信息采集設(shè)備,簡化了圖片處理過程。攝像頭與標(biāo)靶的距離調(diào)整適當(dāng),避免光線的干擾以及標(biāo)靶外的圖像進(jìn)入攝像范圍內(nèi)。

2.4 圖像信息處理模塊

圖像信息處理模塊選用STM32f407VET6單片機(jī),主要對激光光斑進(jìn)行中心定位并計算位移。該單片機(jī)基于高性能ARM 32位RISC內(nèi)核,工作頻率168 MHz,具有浮點單元(FPU)單精度,支持所有ARM單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型,實現(xiàn)了一整套DSP指令和內(nèi)存保護(hù)單元(MPU)。單片機(jī)由3.3 V電源單獨供電,使用串口1實現(xiàn)串口傳輸,USART1_RX接藍(lán)牙的TX,USART2_TX接藍(lán)牙的RX。

2.5 無線傳輸模塊

考慮到橋梁模型主跨較短,因此將工程上利用線纜傳輸?shù)姆绞礁臑闊o線傳輸?shù)姆绞?。本次設(shè)計采用了藍(lán)牙傳輸方式,將單片機(jī)中的測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī),大大降低了材料成本和設(shè)備安裝的復(fù)雜度。

2.6 數(shù)據(jù)顯示模塊

測量數(shù)據(jù)通過兩種形式顯示，一是可通過固定在橋梁模型上的液晶顯示器直接讀取撓度測量數(shù)據(jù)；二是上位機(jī)顯示界面可以實時顯示測量數(shù)據(jù),還可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和分析。

3 實驗測試

實驗過程中,通過有規(guī)律地增加砝碼給橋梁模型施加荷載,使得測量點產(chǎn)生豎向撓度變化。撓度檢測系統(tǒng)的上位機(jī)顯示界面實時顯示測量數(shù)據(jù),可以精確檢測到橋梁模型0.1 mm的豎向撓度變化。通過兩種不同的方式增加荷載,得到了測量結(jié)果,實驗數(shù)據(jù)及撓度變化趨勢見圖5。

圖5 撓度變化情況

測試結(jié)果表明，橋梁等結(jié)構(gòu)體在荷載作用下相應(yīng)產(chǎn)生變形；在橋梁承載能力范圍內(nèi),結(jié)構(gòu)測量點的豎向撓度變化隨著荷載增加而變大；在不同荷載方式的作用下,橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向撓度的大小不同,具體表現(xiàn)為系統(tǒng)對該橋梁模型撓度檢測過程中,荷載增加1.0～5.0 kg,測量點撓度變化為0.2～0.6 mm,呈現(xiàn)非線性關(guān)系。

4 結(jié)論

將應(yīng)用較為成熟、得到工程驗證的科研成果轉(zhuǎn)化為實驗教學(xué)內(nèi)容,為學(xué)生提供開放式、創(chuàng)新性的實驗項目,有助于提升實驗教學(xué)質(zhì)量。

本文設(shè)計的基于激光投射式位移監(jiān)測方法的撓度檢測實驗系統(tǒng),滿足了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)課程實驗教學(xué)的裝置需要。設(shè)計過程中,采用數(shù)字?jǐn)z像頭、單片機(jī)等元件材料大大降低了原技術(shù)的實現(xiàn)成本,采用無線傳輸?shù)姆绞浇档土搜b置安裝的復(fù)雜度。該撓度檢測系統(tǒng)能夠?qū)崟r、直觀地顯示橋梁模型在荷載作用下的變形情況,便于學(xué)生理解掌握關(guān)于結(jié)構(gòu)監(jiān)測的知識。該系統(tǒng)設(shè)計涉及多學(xué)科的知識和綜合應(yīng)用,學(xué)生可以根據(jù)自身專業(yè)背景著力解決不同的關(guān)鍵技術(shù),完成對應(yīng)的實驗項目，這有利于激發(fā)學(xué)生參與科研的熱情和興趣,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力。