分类：建筑论文 时间：2021-10-11 热度：187
摘 要：设计了基于激光投射式位移监测方法的桥梁挠度检测实验系统，介绍了该系统的基本原理和光斑中心位移算法。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。实验测试表明，该系统可以实现对桥梁模型竖向挠度的检测，能够满足实验教学的需要。基 于 该实验系统可以开发多项开放式、创新性 实 验 项 目，有助于学生对结构健康监测技术的理解，提 高 学 生 的 创 新思维和实践能力。
关键词：挠度检测;实验系统;激光投射
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0.1mm。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。
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。
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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
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。
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。
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3.3V 电 源 单 独 供 电，使 用 串 口 1 实 现 串 口 传 输，US-ART1_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0.1mm 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。
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1.0～5.0kg，测量点挠度变化为0.2～0.6mm，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。——论文作者：李星星，梁宗保，席源江，黄居华
文章名称：桥梁挠度检测实验系统设计
