專利名稱：便攜式動態(tài)撓度位移測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及智能信息測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種便攜式動態(tài)撓度位移測量
直O(jiān)
背景技術(shù)：
橋梁、建筑物、公路等建筑結(jié)構(gòu)在自重、荷載作用下的垂向和側(cè)向變形稱為撓度。 撓度/位移能直接反映結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量、承載能力、健康情況，因而在建筑的設(shè)計、施工質(zhì) 量控制、竣工驗收、剩余壽命評估等各環(huán)節(jié)中，有嚴格的規(guī)定。故在橋梁等建筑結(jié)構(gòu)施工過 程、竣工驗收、服役期，對撓度、位移等變形參數(shù)進行監(jiān)測，對于掌握其施工質(zhì)量、了解其健 康狀況、實現(xiàn)事故早期報警，意義重大。近年來隨著計算機技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，基 于光電測量的方法在長期、自動測量建筑撓度/位移測量領(lǐng)域得到較快的發(fā)展，比傳統(tǒng)的 機械式位移計法、電子式位移計法、精密水準儀法有明細優(yōu)勢。從發(fā)展趨勢看，由于野外測 量環(huán)境的特殊性，如何提供便攜式智能化的測量儀器是該領(lǐng)域研究需要解決的關(guān)鍵問題。在現(xiàn)有光電式撓度測量方法中，計算機或筆記本電腦都是作為獨立的設(shè)備出現(xiàn)， 用于處理攝像設(shè)備獲取的影像數(shù)據(jù)，計算機和攝像設(shè)備需要獨立供電，或通過筆記本電腦 電池供電，這種架構(gòu)在野外測量中不便于攜帶和安裝，還需要測試人員在現(xiàn)場維護。在潮 濕、大風(fēng)等惡劣環(huán)境下，商用計算機的性能也會受到影響。光電式撓度/位移測量是一種非接觸測量方法，其成像原理主要有直接光學(xué)成 像和基于光射線標靶成像兩大類，如中國專利公開CN1648601A “自標定自編碼成像法多 點動態(tài)撓度/位移測量方法及裝置”、CN1912561A “望遠式全天候自標定撓度/位移測 量裝置及方法”、CN101055218A “橋梁撓度和位移的監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法”屬于直接成像 式，又如CN101251433A “用于橋梁荷載實驗的無線遙控式撓度測量系統(tǒng)及其測量方法”、 CN1789905A “多點位移/撓度檢測和監(jiān)測裝置及方法”、CN1912536A “位移/撓度監(jiān)測和監(jiān) 測裝置及方法”等是基于光射線標靶成像的方法。光電撓度/位移測量的相關(guān)指標包括測量量程即撓度/位移大小，測量范圍即成 像設(shè)備與激光源或物像距離，測量精度，動態(tài)特性即能反映撓度/位移最小變化的測量時 間間隔等。直接光學(xué)成像的測量范圍有很大局限性，或是需要借助望遠鏡，或是需要基準線 來轉(zhuǎn)移測量變化，這都給安裝測量帶來不變；現(xiàn)在有的大跨度橋梁主跨達500米以上，固定 點(主塔、基座)和撓動點(跨中)距離變化范圍很大，對測量范圍和激光源提出了更高的 要求；基于光電式的撓度/位移測量速度受傳感器采集速度和傳輸速度(傳感器與計算機 之間)的影響，測量精度受傳感器分辨率影響，這些指標在已有公開專利中均為充分體現(xiàn)。如上所述，現(xiàn)有的撓度測量裝置及方法無法完全滿足便攜、寬范圍、大量程、高速、 動態(tài)測量的要求，嚴重制約其在測量橋梁、建筑物、地面沉降、公路的動態(tài)撓度和位移等方 面真正推廣和應(yīng)用。
實用新型內(nèi)容針對上述存在的技術(shù)問題，本實用新型的目的是提供一種便攜式動態(tài)撓度位移測 量裝置，以將信息采集和處理采用一體化設(shè)計，提供完備的數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、趨勢分析 解決方案，實現(xiàn)高精度、高速采集，實現(xiàn)撓度/位移的動態(tài)測量。為達到上述目的，本實用新型采用如下的技術(shù)方案激光投影單元、光信號采集處理單元，其中激光投影單元由激光功率控制電路、激 光發(fā)射器和第一電池組成，激光功率控制電路、第一電池分別與激光發(fā)射器電連接；光信號采集處理單元由光信號成像屏、鏡頭、CXD傳感器、主板、顯示觸控屏、第二 電池組成，光信號成像屏面對激光發(fā)射器，并與激光發(fā)射器同軸設(shè)置，光信號成像屏與CCD 傳感器平面平行并與鏡頭、傳感器中心軸同軸，光信號成像屏內(nèi)面有激光刻度線，刻線間距 2mm，成像屏屏幕由半透明低形變有機材料構(gòu)成；顯示觸控屏采用液晶顯示屏和尺寸匹配的四線電阻式觸控屏重疊安裝而成，液晶 顯示屏通過LVDS數(shù)字視頻接口與主板的顯示接口連接，四線電阻式觸控屏用USB接口連接 至主板。所述光信號成像屏的尺寸為撓度位移測量量程，光信號成像屏的尺寸為高300mm、 寬 240mmo光信號成像屏、鏡頭、CXD傳感器、主板、顯示觸控屏、第二電池統(tǒng)一安置在機箱內(nèi)， 光信號成像屏安裝在機箱的前面，為可插拔緊固機構(gòu)，顯示觸控屏固定在機箱背面。所述主板為Intel嵌入式平臺架構(gòu)的ATOM主板，包括ATOM無風(fēng)扇CPU、板載內(nèi)存、 內(nèi)存顯示芯片組、接口處理芯片組、顯示接口、電子盤接口。所述激光功率控制電路由80C51單片機構(gòu)成。本實用新型具有以下優(yōu)點和積極效果1)同時實現(xiàn)撓度/位移的二維測量，可同時或分別繪制撓度/位移_時間曲線圖 顯不；2)采用便攜式設(shè)計，不需外接計算機，獨立電池供電，方便野外測量和攜帶；3)采用大功率輸出功率可調(diào)激光器，可實現(xiàn)300米到數(shù)米寬范圍測量；4)可裝卸、自刻度成像屏，方便量程選擇和形變校驗；5)光電傳感器和主板一體化設(shè)計，提高了影像的采集和處理速度，動態(tài)撓度/位 移測量速度可達15Hz ；6) 一體化設(shè)計，不需外接鍵盤鼠標即可實現(xiàn)測量全部功能。
圖1是本實用新型提供的便攜式動態(tài)撓度位移測量裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2是本實用新型提供的便攜式動態(tài)撓度位移測量方法的流程圖。1一激光投影單元、2—激光功率控制電路、3—激光發(fā)射器、4一電池、5—光信號采集 處理單元、6—光信號成像屏、7—鏡頭、8—CCD傳感器、9一主板、10—顯示觸控屏、11一電池。
具體實施方式
下面以具體實施例結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明[0027]本實用新型提供的便攜式動態(tài)撓度位移測量裝置，包括激光投影單元1、光信號采 集處理單元5，其中激光投影單元1由激光功率控制電路2、激光發(fā)射器3和第一電池4組 成，激光功率控制電路2、第一電池4分別與激光發(fā)射器3電連接；激光功率控制電路2由 80C51單片機控制激光管功率輸出，可滿足數(shù)百米到數(shù)十厘米范圍激光光斑的清晰成像，并 保證理想的光斑尺度和照度；激光功率控制電路2由直流電源逆變器將直流電源逆變?yōu)榻涣麟妷狠敵觯?jīng)電源 變壓器調(diào)整輸出交流電壓大小，再通過倍壓電路整流，得到直流高壓激勵激光管，電位器調(diào) 節(jié)電阻大小輸入80C51單片機實現(xiàn)連續(xù)信號調(diào)節(jié)，單片機根據(jù)電位器分壓大小，控制激勵 電路分壓值，以控制電路輸出給激光管的電流大小，從而實現(xiàn)對激光器輸出功率的控制，滿 足不同測量范圍的需求。激光投影單元1由激光功率控制電路2上的調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)激光發(fā)射器3的輸出功 率，旋鈕刻度用測量范圍表示，最大范圍對應(yīng)激光發(fā)射器3的最大輸出功率，距離可達300 米；功率調(diào)節(jié)采用旋鈕連續(xù)調(diào)節(jié)，刻度用測量范圍(到采集部分距離)表示，順時針方向旋 轉(zhuǎn)為增大，逆時針旋轉(zhuǎn)為減??；旋轉(zhuǎn)到最小刻度后彈簧開關(guān)將切斷激光器電源，停止光信號 輸出；激光投影單元1固定在支架上，通過云臺調(diào)節(jié)使激光在光信號采集處理單元5的成像 屏的中央成像，電池向激光投影單元1提供電能。光信號采集處理單元5由光信號成像屏6、鏡頭7、(XD傳感器8、主板9、顯示觸控 屏10、第二電池11組成，光信號成像屏6面對激光發(fā)射器3，并與激光發(fā)射器3同軸設(shè)置， 光信號成像屏6與CCD傳感器8平面平行并與鏡頭7、CCD傳感器8中心軸同軸，光信號成 像屏6內(nèi)面有激光刻度線，刻線間距2mm，光信號成像屏6屏幕為半透明低形變有機材料； 光信號成像屏6的尺寸即為撓度/位移測量量程，其寬度與位移量程對應(yīng)，高度與撓度量程 對應(yīng)。光信號成像屏6的尺寸可根據(jù)量程大小更換，典型的尺寸為H300mm*W240mm ；CXD傳 感器集成在Inte 1嵌入式平臺架構(gòu)的ATOM主板9上，主板包括ATOM無風(fēng)扇CPU、板載內(nèi)存、 內(nèi)存顯示芯片組、接口處理芯片組(南北橋)、顯示接口、電子盤接口等。激光光斑在成像屏6成實像后，通過鏡頭7在CXD傳感器8上成像，并轉(zhuǎn)化為電信 號以形成數(shù)字圖像；第二電池直接連接到主板的電源輸入接口，為該部分供電。CXD傳感器8在選用130萬像素時，成像分辨率可達0. 2mm,采樣速率可達30幀/ 秒，能滿足頻率高達15HZ的撓度/位移測量需求，鏡頭采用1/2”的C接圈鏡頭，以上數(shù)為 非限制性參數(shù)，可根據(jù)實際測量需求選擇；顯示觸控屏10為液晶顯示屏和尺寸匹配的四線電阻式觸控屏重疊安裝而成，液 晶屏通過LVDS數(shù)字視頻接口與主板10的顯示接口連接，四線觸控屏用USB接口連接至主 板；觸控屏通過觸控屏或手指對顯示屏上的功能菜單和按鈕進行操作，選擇成像屏的尺寸、 CCD參數(shù)、測量時間、分辨率要求等參數(shù)，供程序處理，還可實現(xiàn)圖像、數(shù)據(jù)的存儲和查閱功 能；光信號采集處理單元5為一體化設(shè)計，光信號成像屏6、鏡頭7、CXD傳感器8、主板 9、顯示觸控屏10、第二電池11統(tǒng)一安置在機箱內(nèi)，光信號成像屏6安裝在機箱的前面，為可 插拔緊固機構(gòu)(可根據(jù)測量量程更換成像屏和機箱對應(yīng)尺寸)，顯示觸控屏10固定在機箱 背面。光信號采集處理單元5運行的撓度/位移測量程序，包括以下步驟[0036]通過識別程序?qū)Τ上衿良す饪叹€的邊界位置進行標定，分別求得上線邊距和左右 邊距對應(yīng)的像素值A(chǔ)h和W，然后計算出縱向分辨率和橫向分辨率W/Aw，并根據(jù)邊界實 際位置進行畸變矯正；測試時獲取tl時刻光斑的質(zhì)心位置像素值(wl，hi)和t2時刻的 質(zhì)心位置像素值(w2，h2)，即可求得At= (t2-tl)實際的撓度物理值和位移的物理值= (w2-wl)*ff/Aw ；依據(jù)時間t和W、Δ H的對應(yīng)關(guān)系繪制動態(tài)時間一撓度/位移曲線，并在顯 示觸控屏上輸出。下面描述本實用新型提供的便攜式動態(tài)撓度位移測量裝置的工作過程測量時啟動測量程序，用戶通過顯示觸控屏上的圖形化功能按鈕操作界面，選擇 測量參數(shù)，包括測量范圍、成像屏尺寸、采樣頻率、測量時間等；設(shè)置完成后進入校驗過程， 傳感器捕獲成像屏圖像，提取成像屏輪廓，根據(jù)成像屏尺寸計算像素值和實際物理尺度的 對應(yīng)關(guān)系，以1280*1024像素的130萬像素C⑶傳感器為例，當300mm*240mm成像屏的成像 大小為1000*800像素時，每像素對應(yīng)物理尺度為0. 3mm，程序根據(jù)縱橫向刻線的成像位置 計算出畸變，并計算校正參數(shù)；校驗過程完成進入測量過程，傳感器實時捕獲成像屏上光斑 的圖像，通過圖像處理獲取光斑的質(zhì)心位置，例如(500，600)，依據(jù)采樣頻率的設(shè)定測量下 一時刻質(zhì)心的位置，例如(550，800)，即可計算出該時間間隔的撓度為60mm，位移為15mm ； 根據(jù)時間和對應(yīng)的撓度/位移參數(shù)即可繪制對應(yīng)的撓度——時間和位移——時間曲線；所 述的裝置在130萬CCD參數(shù)條件下最大采樣速度為每秒30幀，對應(yīng)的有效動態(tài)撓度/位移 測量頻率可達15hz，所繪曲線的最小有效間隔為33mS。本實用新型提供的便攜式動態(tài)撓度/位移測量裝置各部分由電池供電，可獨立工 作6小時，供電部分集成了智能電源管理和充電電路，可通過220V交流電源對電池充電，亦 可提供220V交流電源在線工作，滿足連續(xù)監(jiān)測需求(大于6小時)。圖2所示為本實用新型提供的便攜式動態(tài)撓度位移測量方法的流程圖，其具體步 驟如下1、選定撓度/位移測量基準點和撓度/位移測點，將激光發(fā)射和控制部分通過支 架固定在基準點；將光信號采集與處理部分放置在測試點；選擇合適量程的成像屏安裝在 機箱上，面對激光投射方向；2、開啟激光器，根據(jù)測量范圍調(diào)節(jié)輸出功率，使光斑在成像屏中央成像；3、啟動光信號采集處理部分，運行軟件，通過顯示觸控屏設(shè)置，測量范圍、成像屏 尺寸等參數(shù)、采樣頻率指標、測量精度指標等(僅第一次需要，參數(shù)固定條件下不需設(shè)定)， 開啟系統(tǒng)自適應(yīng)預(yù)處理過程；4、軟件通過捕獲的成像屏圖像，對激光刻度線進行識別，得到像素值和實際間距 的對應(yīng)關(guān)系，并進行畸變矯正，獲取矯正參數(shù)，并進入撓度/位移測量過程；5、測量軟件計算每幀圖像光斑的像素坐標并轉(zhuǎn)換為物理坐標，同時記錄時間，計 算和上一時刻位移的改變量，依據(jù)時間一位置的對應(yīng)關(guān)系分布繪制動態(tài)撓度一時間、位 移一時間運動曲線，并在顯示觸控屏上顯示；6、儲存各測量和計算結(jié)果，重復(fù)E步驟直到測量過程結(jié)束。本實用新型可以高效、準確地獲得橋梁、建筑物、地面、公路的動態(tài)位移和撓度，應(yīng) 用于橋梁的靜態(tài)、動態(tài)撓度/位移測量和監(jiān)測、建筑物沉降、變形測量和監(jiān)測、公路沉降監(jiān) 測、動態(tài)振動測量、無交流電供電，需要實時獲取撓度/位移測量結(jié)果的野外測試環(huán)境。
權(quán)利要求一種便攜式動態(tài)撓度位移測量裝置，其特征在于，包括激光投影單元、光信號采集處理單元，其中激光投影單元由激光功率控制電路、激光發(fā)射器和第一電池組成，激光功率控制電路、第一電池分別與激光發(fā)射器電連接；光信號采集處理單元由光信號成像屏、鏡頭、CCD傳感器、主板、顯示觸控屏、第二電池組成，光信號成像屏面對激光發(fā)射器，并與激光發(fā)射器同軸設(shè)置，光信號成像屏與CCD傳感器平面平行并與鏡頭、傳感器中心軸同軸，光信號成像屏內(nèi)面有激光刻度線，刻線間距2mm，成像屏屏幕由半透明低形變有機材料構(gòu)成；顯示觸控屏采用液晶顯示屏和尺寸匹配的四線電阻式觸控屏重疊安裝而成，液晶顯示屏通過LVDS數(shù)字視頻接口與主板的顯示接口連接，四線電阻式觸控屏用USB接口連接至主板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式動態(tài)撓度位移測量裝置，其特征在于所述光信號成像屏的尺寸為撓度位移測量量程，光信號成像屏的尺寸為高300mm、寬 240mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式動態(tài)撓度位移測量裝置，其特征在于光信號成像屏、鏡頭、C⑶傳感器、主板、顯示觸控屏、第二電池統(tǒng)一安置在機箱內(nèi)，光信 號成像屏安裝在機箱的前面，為可插拔緊固機構(gòu)，顯示觸控屏固定在機箱背面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3任一項所述的便攜式動態(tài)撓度位移測量裝置，其特征在于 所述主板為Intel嵌入式平臺架構(gòu)的ATOM主板，包括ATOM無風(fēng)扇CPU、板載內(nèi)存、內(nèi)存顯示芯片組、接口處理芯片組、顯示接口、電子盤接口。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3任一項所述的便攜式動態(tài)撓度位移測量裝置，其特征在于 所述激光功率控制電路由80C51單片機構(gòu)成。
專利摘要本實用新型涉及智能信息測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種便攜式動態(tài)撓度位移測量裝置。本實用新型包括激光投影單元、光信號采集處理單元，其中激光投影單元由激光功率控制電路、激光發(fā)射器和第一電池組成，激光功率控制電路、第一電池分別與激光發(fā)射器電連接；光信號采集處理單元由光信號成像屏、鏡頭、CCD傳感器、主板、顯示觸控屏、第二電池組成，光信號成像屏面對激光發(fā)射器，并與激光發(fā)射器同軸設(shè)置，光信號成像屏與CCD傳感器平面平行并與鏡頭、傳感器中心軸同軸。本實用新型采用便攜式設(shè)計，不需外接計算機，獨立電池供電，方便野外測量和攜帶，可裝卸、自刻度成像屏，方便量程選擇和形變校驗，一體化設(shè)計，不需外接鍵盤鼠標即可實現(xiàn)測量全部功能。
文檔編號G01B11/02GK201653381SQ201020202620
公開日2010年11月24日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者李立, 鄭宏 申請人:武漢大學(xué)