中小跨徑橋梁動撓度監測的視頻位移法

概述

眾所周知，自2015年開始，在長大橋梁健康監測行業中，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，通過數據解算，實現結構物二維位移監測，得到了大量的項目應用。其特點為非接觸、長測距、高精度、動態監測、高采樣頻率，相比之下傳統撓度監測使用靜力水準儀、壓力變送器、GNSS進行撓度監測存在精度低、采樣慢、施工復雜等問題。尤其是基于液體連通管原理的監測設備受橋梁現場溫度變化影響非常大，在項目中監測效果往往不理想。

為了改進監測方法，提高監測準確度，適應室外監測環境，我單位自主研發了基于機器視覺原理的光電圖像撓度儀。公司發展10年以來我們為用戶在幾百個項目中采用圖像位移傳感器，合理的利用它的優點為用戶很好的解決了大跨徑橋梁的動撓度監測需求。在鐵路結構物監測方面，圖像位移傳感器也實現了50赫茲采樣的二維位移監測高性能實時監測。

圖像法位移傳感器也稱為光電圖像撓度儀，它利用高性能工業相機，以每秒50Hz對橋梁典型位置紅外靶標拍照，撓度儀的內部配置了高性能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，經過專業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測需求，實現單跨300米的撓度監測距離，撓度主機配備了焦距135毫米的專業鏡頭。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測報警成為橋梁健康監測領域的需求熱點。與長大橋監測系統相比，系統結構更“輕”、成本更“低”、系統覆蓋的中小跨徑橋梁更多。中小跨徑橋梁，短視距、寬視角、多片梁同時監測、實時聯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變，發生了諸多變化，其改進型產品更加適合中小跨徑橋梁的健康監測需求：

 

 

 

 

● 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相機。

● 測點更多：同時監測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,RS485。

● 報警功能：自帶邊緣計算功能，自帶報警抓拍聯動功能?？梢则寗覮ED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

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，相對于傳統測量傳感器具有更高的精度，并可同時給出二維位移數據；

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

● 一機多靶，數據相關性高：降低多點測量成本，給出同一時刻多點位移參數，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、存儲和發送的硬件模塊和算法，具有較高的采樣頻率，避免突發事件數據遺漏；

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

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

● 通訊協議多樣：多種通訊協議(TCP、UDP、MQTT、MODBUS、支持私有協議定制)任意選擇，方便用戶組網，并保證數據傳輸的實時性、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(ID、IP、監測頻率、通訊協議等)，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，保證野外復雜環境下實時長期監測；

● 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；

● 系統集成度高，不需要額外網關等附加設備：圖像采集、識別、處理、解算、配置、數據傳輸等都已集成于設備，不需要額外附加設備即可獲得實時監測數據；

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

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

● 網關功能：主機支持本地數據存儲。斷網數據續傳功能，保證數據連續不丟失，將現有網關設備功能集成于傳感器主機中；為客戶節省硬件設備資源，降低項目設備數量和施工成本；

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

技術參數

（針對小跨徑，多片梁體撓度同時測量）

 

 

有源靶標技術參數

 

 

應用場景

橋梁撓度監測

撓度作為變形的一種描述形式，可以評價橋梁質量及其運營狀態，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測有著重要的科研價值和實際意義。

數字圖像位移傳感器用于橋梁撓度測量具有監測精度高、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；數字圖像傳感器安裝在相對靜止穩定的位置(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，并經過分析計算得到目標的位移，進而獲得被測目標的動態撓度變化，長期監測又可同時獲得橋梁靜態撓度變化，測點布置及監測數據如下圖所示。

 

撓度監測示意圖

 

 

撓度監測數據

 

安裝及注意事項

安裝方法與步驟

數字圖像位移傳感器安裝方法

首先將數字圖像位移傳感器主機安裝在防護罩內，此防護罩為IP65防護，可在野外復雜環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節主機鏡頭朝向，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定的基礎上，保證傳感器穩定可靠；

 

 

監測靶標安裝方法

監測靶標具備IP67防護等級，并自帶防雨帽檐，根據安裝環境不同，來適合選擇安裝，使用至少兩顆M6膨脹螺絲固定在被監測點位置，安裝支架為萬向鴨嘴支架，可自由調節靶標方向，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據穩定性。根據安裝經驗，可先安裝數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域，否則造成監測點因重合或遮擋而無法測量；

● 使用以太網做數據傳輸時，注意傳感器IP與局域網同一個網段內其它設備IP地址不要沖突；

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

● 根據測量環境的復雜程度，建議定期進行設備維護，擦拭鏡頭和靶標鏡面；

● 強光可能對測量數據造成影響，備安裝時，應盡量避開陽光直射或強光區域。