桥隧病害非接触检测系统及检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种桥隧病害非接触检测系统及检测方法，解决传统人工接触式挠度测量效率低，裂缝跟踪测量无有效手段等方面的弊端，为桥梁结构检测技术智能化提供支持，其技术方案要点是包括非接触检测仪、激光投射子系统、以及用于处理测量数据并呈现数据处理结果的数据处理器，采用图像获取以及图像处理的方式，对桥隧裂缝及挠度进行检测。

【技术实现步骤摘要】
桥隧病害非接触检测系统及检测方法
本专利技术涉及土木工程利用摄影测量技术，应用到工程实体维护的检测
，特别涉及桥隧病害非接触检测系统及检测方法。
技术介绍
我国是一个多山的国家，为了提高公路、铁路运输的经济时速，在山地等区域建设公路通常会采取桥梁、隧道的形式。截止到2013年末，我国桥梁隧道等已经超过73万座，总长度居世界第一，我国也成为世界上隧道和地下工程最多、最复杂、发展最快的国家。然而随着交通运输业的快速发展，尤其是超限(超重、超高、超宽、超长)车辆的激增，严重威胁到桥梁与隧道的安全，随之而来的坍塌事故近年来时有发生，造成人民财产和生命的严重损失。当前桥梁常见病害分别有以下几个方面：不同部位出现裂缝；混凝土强度不均匀；混凝土渗水；露钢筋及锈蚀；梁的拱度过大、过小(预应力过大、过小)；预应力孔道压浆不饱满，钢丝锈蚀；梁体冻裂等。如不及时检测和发现将会带来严重后果。目前，国内对隧道的病害检测大多采取人工检测，利用桥梁检测车等平台将检测人员输送到桥梁结构表面，由人工肉眼对桥梁表观的裂缝、空洞与锈蚀等进行观测与识别，并借助便携式仪器进行裂缝宽度、长度等测量。靠人工目测观察方法，把隧道关闭，然后开一台带升降机的车，把人升到6～7米高的隧道顶上，拿锤子一点一点地敲，听声音或者打孔，看里面有没有空洞，大约1公里的隧道，要20人耗时4小时才能完成检测。传统检测技术存在缺陷：1、人工长时间高空作业，客观性差，长时间高空、仰视作业人员易疲劳；2、检测平台占用行车通道，影响交通；3、高耸结构与隐蔽部位难到达，适应性差。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供桥隧病害检测系统及检测方法，解决传统人工接触式挠度测量效率低，裂缝跟踪测量无有效手段等方面的弊端，为桥梁结构检测技术智能化提供支持。本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种桥隧病害非接触检测系统，包括非接触检测仪、激光投射子系统、以及用于处理测量数据并呈现数据处理结果的数据处理器，非接触检测仪包括高清数码相机、长焦数码相机、无棱镜激光测距仪、数控云台与支架；其中，长焦数码相机与高清数码相机相连接，用于获取远距离结构表观图像；数控云台安装在高清数码相机下方，用于供高清数码相机获取桥隧的不同部位的图像以及空间角度信息；无棱镜激光测距仪用于测量被检测对象物理距离；激光投射子系统包括激光指示器阵列、高精度控制云台与高稳定性支架；其中，激光指示器阵列用于在桥梁表面投射若干空间位置固定的激光指示点，通过高精度控制云台的水平与竖向旋转动态调整激光点位置，高稳定性支架用于支撑激光指示器阵列。通过上述设置，在桥隧荷载试验中，在无需搭设施工平台、无需到达桥梁表面进行棱镜与应变传感器安装的情况下进行桥梁多点变形与裂缝宽度、长度跟踪测量，可提高荷载试验的工作效率。作为本专利技术的具体方案可以优选为：还包括无人机系统，无人机系统包括四旋翼遥控机、增稳云台、无线图传通信模块以及高清相机；高清相机通过增稳云台安装于四旋翼遥控机上，高清相机电连接无线图传通信模块，无线图传通信模块与数据处理器进行图像数据传输。通过上述设置，采用无人机系统，可以近距离拍摄桥隧图像，可以远程遥控，避免拍摄死角，使得桥隧图像的获取更加全面。一种桥隧病害非接触检测方法，采用上述的桥隧病害非接触检测系统进行操作，包括如下步骤：对扰度或裂缝两者同时或者分别进行检测包括如下步骤：A扰度检测步骤步骤A1：通过激光投射子系统形成激光指示点，于每一个预设区域采用激光指示的方式确定一个固定的“参考点”；步骤A2：加载前采用长焦数码相机与高清数码相机，获取远距离结构表观图像，选取表面参考点，通过无棱镜激光测距仪获取被检测对象物理距离；通过采用数控云台调整图像以及空间角度，摄像机通过云台运动对多个预设区域的检测；步骤A3：加载后利用步骤A2的方法对不同点位进行检测；步骤A4：通过加载前后参考点与梁底的垂直距离位移变化作为相应点挠度变化。B裂缝测量步骤步骤B1：采用长焦数码相机与高清数码相机，获取远距离结构表观图像，选取表面特征点，通过无棱镜激光测距仪获取被检测对象物理距离；通过采用数控云台调整图像以及空间角度，摄像机通过云台运动对桥隧表面检测；步骤B2：通过结构表观图像获取裂缝图像。通过上述设置，将长焦数码相机和高清数码相机相互结合，获取远距离的桥隧的结构表观图像，同时采用数控云台，可以增大图像获取的范围，通过激光定点的方式，以提高图像获取的精度，然后通过图像分析，得出裂缝的信息。作为本专利技术的具体方案可以优选为：步骤A2或B1可以替换为：采用无人机系统获取被检测对象物理距离、结构表观图像。通过上述设置，对于图像的获取，可以由无人机系统进一步辅助。作为本专利技术的具体方案可以优选为：在步骤A2或B1中，对于无棱镜激光测距仪获取的数据处理，包括：获取裂缝图形在图像中所占像素数与实际物理宽度之间的坐标转换公式，CCD的面积为a×b，图像分辨率为s1×s2，代入相机成像CCD的相关参数计算裂缝实际宽度，横向长度为：L=[（u-f）/f]·(am1/s1)；纵向长度为：L=[（u-f）/f]·(bm2/s2)；其中，a为相机成像CCD的长边尺寸，b为相机成像CCD的短边尺寸，s1为长边像素，s2为短边像素，u为物距，f为焦距，m1为裂缝宽度在图像中所占的像素数，m2为裂缝长度在图像中所占的像素数；l1=am1/s1，l2=bm2/s2。通过上述设置，可以获取裂缝的实际宽度。作为本专利技术的具体方案可以优选为：通过数控云台获取三个方位的相对偏转角度：αX、αY、αZ，对l1，l2进行修正：l1=cosαX、Y、Z·（am1/s1），l2=αX、Y、Z·（bm2/s2）。通过上述设置，可以修正偏转角度的改变发生的裂缝实际宽度的偏差，提高精确程度。作为本专利技术的具体方案可以优选为：对焦距f误差进行修正，f=（mbu）/（mb+s2L），b和s2已知，L通过实际测量获得。通过上述设置，通过对焦距f误差的修正，可以进一步提高精确程度。作为本专利技术的具体方案可以优选为：在图像中利用测距技术测量两幅图像中激光点到下缘距离I前与=I后，则梁体在测量点的垂直变位为：Δu=I后-I前；在桥梁不同特征点位分别拍摄施加荷载前后两幅包含相应激光点与外轮廓的图像，同样利用测距技术测出其垂直位移Δui，则最终梁体挠度计算公式f=∑（Δui/n）。综上所述，本专利技术具有以下有益效果：（1）将变形测量、外观检测及应变观测功能集于一体，使用一种设备即可完成多项工作，避免检测现场携带多种专业设备，大大提升工作效率。（2）采用图像测量的方式获取结构变形信息，无需在结构上安装反光棱镜等外附设备，设备使用简便，携带方便，大大减少了变形测量的工作量，而且可随时对结构进行测量，无需前期准备工作。（3）通过使用长焦镜头来提升设备远距离获取图像的能力，相比于非接触检测仪，可进行自动对焦，且体积远远小于天文望远镜镜筒。（4）通过结构表观图像即可测量应变，无需人工在结构表面安装传感器，避免了繁琐的线缆排布工作及昂贵的采集设备，可对结构任意部位进行观测。附图说明图1为实施例1的设备连接的结构示意图；图2为实施例2的成像关系的原理示意图；图3为实施例2的CCD成像原理示意图；图4为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种桥隧病害非接触检测系统，包括非接触检测仪(1)、激光投射子系统(2)、以及用于处理测量数据并呈现数据处理结果的数据处理器(3)，其特征在于：非接触检测仪(1)包括高清数码相机(11)、长焦数码相机(12)、无棱镜激光测距仪(13)、数控云台(14)与支架（15）；其中，长焦数码相机(12)与高清数码相机(11)相连接，用于获取远距离结构表观图像；数控云台(14)安装在高清数码相机(11)下方，用于供高清数码相机(11)获取桥隧的不同部位的图像以及空间角度信息；无棱镜激光测距仪(13)用于测量被检测对象物理距离；激光投射子系统(2)包括激光指示器阵列(21)、高精度控制云台(22)与高稳定性支架(23)；其中，激光指示器阵列(21)用于在桥隧表面投射若干空间位置固定的激光指示点，通过高精度控制云台(22)的水平与竖向旋转动态调整激光点位置，高稳定性支架(23)用于支撑激光指示器阵列(21)。

【技术特征摘要】
1.一种桥隧病害非接触检测系统，包括非接触检测仪(1)、激光投射子系统(2)、以及用于处理测量数据并呈现数据处理结果的数据处理器(3)，其特征在于：非接触检测仪(1)包括高清数码相机(11)、长焦数码相机(12)、无棱镜激光测距仪(13)、数控云台(14)与支架（15）；其中，长焦数码相机(12)与高清数码相机(11)相连接，用于获取远距离结构表观图像；数控云台(14)安装在高清数码相机(11)下方，用于供高清数码相机(11)获取桥隧的不同部位的图像以及空间角度信息；无棱镜激光测距仪(13)用于测量被检测对象物理距离；激光投射子系统(2)包括激光指示器阵列(21)、高精度控制云台(22)与高稳定性支架(23)；其中，激光指示器阵列(21)用于在桥隧表面投射若干空间位置固定的激光指示点，通过高精度控制云台(22)的水平与竖向旋转动态调整激光点位置，高稳定性支架(23)用于支撑激光指示器阵列(21)。2.根据权利要求1所述的桥隧病害非接触检测系统，其特征在于：还包括无人机系统(4)，无人机系统(4)包括四旋翼遥控机(41)、增稳云台(42)、无线图传通信模块(43)以及高清相机(44)；高清相机(44)通过增稳云台(42)安装于四旋翼遥控机(41)上，高清相机(44)电连接无线图传通信模块(43)，无线图传通信模块(43)与数据处理器(3)进行图像数据传输。3.一种桥隧病害非接触检测方法，采用如权利要求1-2任一所述的桥隧病害非接触检测系统进行操作，对扰度或裂缝两者同时或者分别进行检测包括如下步骤：A扰度检测步骤步骤A1：通过激光投射子系统(2)形成激光指示点，于每一个预设区域采用激光指示的方式确定一个固定的“参考点”；步骤A2：加载前采用长焦数码相机(12)与高清数码相机(11)，获取远距离结构表观图像，选取表面参考点，通过无棱镜激光测距仪(13)获取被检测对象物理距离；通过采用数控云台(14)调整图像以及空间角度，摄像机通过云台运动对多个预设区域的检测；步骤A3：加载后利用步骤A2的方法对不同点位进行检测；步骤A4：通过加载前后参考点与梁底的垂直距...

【专利技术属性】
技术研发人员：项庆明，许友山，苏佳轩，陈步区，赵启林，芮挺，王国军，范宇鑫，
申请(专利权)人：温州市交通工程试验检测有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33