桥梁挠度检测实验系统设计

李星星, 梁宗保, 席源江, 黄居华

(重庆交通大学 信息科学与工程学院, 重庆 400074)

科研成果蕴含着创新的思想,是非常宝贵的潜在实验教学资源。如果将之转化为实验教学内容,让学生有机会接触到学科的前沿知识,体会创新的过程,培养创新的思维,这是培养创新型人才的必要手段[1-2]。

挠度监测是结构健康监测的一项重要内容。激光投射式位移监测方法应用于桥梁挠度监测,具有对结构体不产生损害、施工安装方便、测量精度高、后期维护成本低等特点。该方法涵盖多学科的知识,综合运用了传感技术、点激光汇聚投射技术、光斑图像识别技术、远距离通信技术等[3]。

传统的人工测量方法,如精密水准仪测量法[4]、全站仪测量法[5-6]等,由于设备体积较大,无法在实验室桥梁模型上安装操作,也不能体现自动化、信息化的现代测量手段。课题组采用我校国家重点实验室培育基地的科研成果,结合实验教学的具体要求,对硬件和算法等进行调整并优化,设计了一套基于激光投射式位移监测方法的桥梁挠度检测实验系统,主要用于土木工程类专业和电子信息类专业本科生的实验教学。该系统由激光发射模块、激光接收模块、图像采集与处理模块、无线传输模块以及数据显示模块等组成,测量精度达到0.1 mm。除具备实验教学的功能外,基于该实验系统还能开发出多项开放式、创新性实验项目[7]。学生在完成实验项目的过程中,需要共同或独立解决多项关键技术,达到培养创新思维的目的,从而提高自主学习与实践的能力。

1 实验系统原理

1.1 激光投射式位移监测方法

激光发射器固定于被测结构的测量点位置,准直激光束投射在固定的半透射标靶上,形成一个圆形激光光斑,如图1所示。视频采集设备安装于标靶正后方,从视频采集设备输出的模拟视频信号经图像采集卡采集,通过专门的软件处理后得到标靶上光斑中心的坐标位置。任一时刻,被测结构在荷载作用下沿竖向移动ΔY距离,由于激光器固定在被测结构上,因而激光器也会相应移动,使得投射在标靶上的激光光斑也产生相同的位移。计算出光斑在标靶上中心位置的竖向位移ΔY,即是测量点的竖向挠度[8]。实际工程应用中,可以在被测结构上同时安装多个激光发射器,从而实现挠度多点测量。

图1 实验系统原理示意图

1.2 光斑中心位移算法

光斑中心定位及位移计算的原理和算法较为复杂[9-12],在该实验系统设计中采用调整并优化后的算法,便于学生理解和编程实现。特制的成像标靶使用暗淡的蓝色,与摄像头实际采集到的光斑颜色区别明显,将采集的光斑特征数据取平均值达到识别光斑位置的目的。选用数字摄像头,单片机无需存储每一帧光斑图像。

具体实现方法:图2中,将光斑特征数据所在坐标列数之和求平均值,得到光斑中心点所在列数为

图2 光斑中心位移分析示意图

(1)

同时,将光斑所在的坐标行数之和求平均值,得到光斑中心点所在行数:

(2)

由此,可确定图像中光斑中心所在位置(xj,yj)。

计算位移时,首先根据(1)式和(2)式得到初始坐标点(x0,y0)；当测量点发生变形时,光斑坐标点发生变化,得到次态坐标点(x1,y1),从而得出前后两幅图像中光斑中心的竖向位移(y1-y0)。

由于只考虑测量竖向挠度值,需要确定两行像素点之间的距离d。d由下式计算:

d=N/p

(3)

其中,N代表摄像范围内的竖向宽度,p代表图像数据的行数。

最后,得到竖向挠度ΔY为:

ΔY=(y1-y0)×d

(4)

2 实验系统设计及实施

挠度检测系统主要包括激光发射模块、激光接收模块、图像信息采集模块、图像信息处理模块、无线传输模块和数据显示模块,总体结构框图如图3所示。图像识别与处理采用数字摄像头和32位单片机芯片,无线传输采用蓝牙技术,测量数据通过上位机软件界面和液晶显示器同时显示。图4为桥梁模型挠度检测装置。

图3 系统总体结构框图

2.1 激光发射模块

考虑到实验室环境不受污浊空气、强烈光线的影响,加之安装在桥梁模型上的激光器投射距离较短,无需使用特制的弱衍射准直激光器,因此采用了成本低廉的激光笔作为激光光源,安装情况如图4所示。由于桥梁模型在荷载作用下挠度变化很小,而且对测量的精度要求很高,激光笔必须紧贴桥模跨中固定,不能受其他外力干扰。激光笔由按钮控制开关。

2.2 激光接收模块

激光接收模块采用特制的成像标靶。标靶为半透明亚克力板,在保证激光束能够透射到标靶的另一侧形成稳定光斑的同时,可以有效地过滤干扰光线。另外，通过打磨标靶表面使其呈漫反射特性,避免了激光束的二次汇聚反射产生的干扰。标靶固定于桥梁模型墩台上方,处于摄像头测量范围内。激光接收标靶的架设见图4。

图4 桥梁模型挠度检测实验装置

2.3 图像信息采集模块

图像信息采集模块由摄像头OV7670[13]和数据缓冲器AL422B组成。采用数字摄像头作为图像信息采集设备,简化了图片处理过程。摄像头与标靶的距离调整适当,避免光线的干扰以及标靶外的图像进入摄像范围内。

2.4 图像信息处理模块

图像信息处理模块选用STM32f407VET6单片机,主要对激光光斑进行中心定位并计算位移。该单片机基于高性能ARM 32位RISC内核,工作频率168 MHz,具有浮点单元(FPU)单精度,支持所有ARM单精度数据处理指令和数据类型,实现了一整套DSP指令和内存保护单元(MPU)。单片机由3.3 V电源单独供电,使用串口1实现串口传输,USART1_RX接蓝牙的TX,USART2_TX接蓝牙的RX。

2.5 无线传输模块

考虑到桥梁模型主跨较短,因此将工程上利用线缆传输的方式改为无线传输的方式。本次设计采用了蓝牙传输方式,将单片机中的测量数据传输到PC机,大大降低了材料成本和设备安装的复杂度。

2.6 数据显示模块

测量数据通过两种形式显示，一是可通过固定在桥梁模型上的液晶显示器直接读取挠度测量数据；二是上位机显示界面可以实时显示测量数据,还可以对数据进行保存和分析。

3 实验测试

实验过程中,通过有规律地增加砝码给桥梁模型施加荷载,使得测量点产生竖向挠度变化。挠度检测系统的上位机显示界面实时显示测量数据,可以精确检测到桥梁模型0.1 mm的竖向挠度变化。通过两种不同的方式增加荷载,得到了测量结果,实验数据及挠度变化趋势见图5。

图5 挠度变化情况

测试结果表明，桥梁等结构体在荷载作用下相应产生变形；在桥梁承载能力范围内,结构测量点的竖向挠度变化随着荷载增加而变大；在不同荷载方式的作用下,桥梁结构产生竖向挠度的大小不同,具体表现为系统对该桥梁模型挠度检测过程中,荷载增加1.0～5.0 kg,测量点挠度变化为0.2～0.6 mm,呈现非线性关系。

4 结论

将应用较为成熟、得到工程验证的科研成果转化为实验教学内容,为学生提供开放式、创新性的实验项目,有助于提升实验教学质量。

本文设计的基于激光投射式位移监测方法的挠度检测实验系统,满足了结构健康监测技术课程实验教学的装置需要。设计过程中,采用数字摄像头、单片机等元件材料大大降低了原技术的实现成本,采用无线传输的方式降低了装置安装的复杂度。该挠度检测系统能够实时、直观地显示桥梁模型在荷载作用下的变形情况,便于学生理解掌握关于结构监测的知识。该系统设计涉及多学科的知识和综合应用,学生可以根据自身专业背景着力解决不同的关键技术,完成对应的实验项目，这有利于激发学生参与科研的热情和兴趣,培养学生的创新思维和实践能力。