一种基于模态分析的索力光学测量方法及其测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于模态分析的索力光学测量方法及其测量系统，该方法首先基于直线检测算法进行多个测点的图像定位以及放大系数标定；进而在测点附近选取兴趣计算区域，利用数字图像相关（DIC）方法提取各测点的位移响应；最后通过对拉索进行模态振型分析，结合拉索设计参数推算拉索索力大小。本发明专利技术致力于该方法的实桥应用，利用图像的非接触全场测量优势，可以提取拉索多个测点的振动响应。此外，本方法有效解决了带有中间弹性支撑等复杂未知边界拉索索力求解的难题，只需利用某阶振动频率和相应振型的五个振幅即可进行索力测量，具有更强的工程适用性。

An optical measurement method and system of cable force based on modal analysis

【技术实现步骤摘要】
一种基于模态分析的索力光学测量方法及其测量系统
本专利技术涉及一种基于模态分析的索力光学测量方法及其测量系统，可实现大跨桥梁未知边界条件下的大批量拉索同步快速测量，属于结构健康监测

技术介绍
作为斜拉桥、悬索桥、吊杆拱桥等重要受力构件的拉索，常由于较小的应力和应变变化，就会产生较大的位移，并导致其松弛和应力损失，正是由于这些特点，拉桥的索力检测在结构施工和使用阶段都具有较重要的意义。目前，在拉索索力测试中常用的方法有千斤顶压力表测定法、压力传感器测定法、磁通量测定法和振动频率法等。传统振动频率法测量索力由于其设备可重复使用，而且其使用的仪器体积较小，便于携带，测定结果也较为准确，所以成为了应用最为广泛的索力测试方法。频率法一般运用经典弦振动理论，即不考虑拉索的自重和弯曲刚度，将其视作一根张紧的弦，具体的公式为：此方法适用于较细长的拉索，但是对于较复杂的工况，频率法无法满足工程精度的要求，存在着一些缺陷，主要有：1)实际情况下拉索都具有一定的抗弯刚度，特别是对于短索的索力计算，刚度对索力计算结果的影响将不可忽略，如悬索桥和系杆拱桥的吊杆等刚度均不可忽略；2)现阶段拉索的索力计算公式所采用的边界条件不是固支就是简支，但是拉索实际的边界条件比较复杂，不是单纯的简支或固支，而是介于简支和固支之间的复合边界；3)现在绝大部分拉索均会带有中间弹性支承，比如拉索的减振器、阻尼器、系杆拱桥系杆支承架、吊索的减振架等，会使拉索的振动频率大幅提高，频率法测得的索力误差太大。基于拉索模态分析的索力测量方法提供了一种新的思路，其捕捉拉索多个控制点的动力响应并进行模态分析，仅利用某阶振动频率和相应振型多个控制点的振幅即可对拉索索力进行测量，可以有效解决不可忽视抗弯刚度的短索或复杂边界下拉索索力测量的难题。然而模态法测量索力目前还局限于实验室，在实际桥梁工程推广中遇到一些障碍，因为在一根拉索上的多个控制截面位置安装加速度传感器不仅成本巨大，而且人为安装十分困难，是不具有实际工程应用价值的。针对以上问题，本专利技术提出了一种采用非接触式的图像传感器捕捉拉索的多个控制点的动力响应，通过模态分析从而识别索力的方法。其中基于图像测量的索力识别方法是非接触的方法中较为前沿的技术之一，也是未来索力测量方法的重要补充，该技术具有非接触、无设备损耗、全场测量、经济性强、设备门槛低等优势。但图像法也依然遇到两个挑战。一是，为了实现真正的非接触式测量，需要做到在图像中对多个控制点进行定位，而不是通过人为设置目标靶；二是，为了得到拉索的模态，各控制点的动力响应单位要统一，由于相机靶面不能与拉索平行，也就是各测点到相机光心的距离不一致，所以必须将像素位移换算成实际位移，那么这些控制点的比例系数标定就成了一个难题，而问题二的解决更是基于问题一的良好解决。本专利技术针对以上诸多难题提出了一种基于模态分析的索力光学测量方法及其测量系统，首先采用直线检测提取拉索边界上的直线，以及相应的数学表达式，通过某一个测点的像素坐标推算其他所有测点的像素坐标，由此完成图像定位；随后，采用类似裂缝宽度求解的概念，对求解拉索直径所占的像素个数，结合直径实际数值，完成测点标定。本专利技术采用经典的数字图像相关方法(DIC)，在测点附近选取兴趣计算区域，进行该区域的位移响应计算，最后提取任意需要的测点响应信息。基于换算成实际位移的拉索振动数据，通过模态分析，得到拉索振型曲线，从振型曲线均匀有序选取多个测试点处的振型幅值，最终结合相关已知参数测量出拉索索力大小。
技术实现思路
本专利技术需要解决的技术问题是针对现有桥梁拉索索力测量技术存在的不足，而提供一种基于模态分析的索力光学测量方法及其测量系统。为解决上述技术，本专利技术的技术方案如下：一种基于模态分析的索力光学测量方法，所述测量方法包括如下步骤：(1)图像采集：将相机架设于桥面或桥下测点位置，调整相机镜头聚焦至目标拉索，继而拍摄拉索在环境振动下的运动图像序列并保存。(2)多点定位与标定：基于直线检测算法提取拉索的图像边界，以及相应的数学表达式，通过某一个测点的像素坐标推算其他所有测点的像素坐标，由此完成图像定位；基于拉索两条边界直线的数学表达式，可以得到测点位置附近的拉索宽度所占据的像素数量，结合直径实际尺寸，计算各测点的放大系数，s＝Q/qi(mm/pixel)，其中Q为拉索直径实际值(mm)，qi为第i测点位置对应的像素直径(pixel)。(3)多点位移提取：采用经典的数字图像相关方法(DIC)，在测点附近选取兴趣计算区域，进行该区域的位移响应计算，最后提取任意需要的测点响应信息。(4)换算实际位移：基于测点的放大系数，各个测点像素位移(pixel)响应数据换算成实际位移(mm)。(5)基于实际振动响应数据，通过模态分析，得到拉索各阶的频率和相应的振型曲线，并从振型曲线有序均匀提取多个测试点处的振型幅值。(6)通过绘制|S|与相关变量的关系曲线图，并结合单位长度质量m、抗弯刚度EI、各个测点相对间距等已知参数求解拉索索力。优选地，所述步骤(2)致力于实桥应用，完全依赖于图像信息进行目标的定位和标定，实现了真正的非接触式测量。区别于传统的加速计，也区别于已有的在试验前预先在结构上人为设置特殊目标靶以及其它测距工具进行测点的定位和标定的图像方法，这在大跨桥梁的拉索测量中是不切实际的。因而，本专利技术具有更强的工程适用性。优选地，所述步骤(3)中的数字图像相关方法(DIC)直接追踪拉索表面的自然纹理，不需要人为粘贴特殊目标，仅需用单个固定的CCD摄像机拍摄被测物体变形前后的数字图像，实验设备便携、易操作，实验过程简单。优选地，所述步骤(5)中通过图像法获得多个测点的位移响应数据，测试速度快，效率高，成本低，避免了加速计安装困难的局限性。甚至基于图像法的优越性，图像选点可以选取远超最终用来提取振型幅值计算索力测点的数量，这样尽可能地拟合真实的振型曲线，避免了选取测点较少时少数测点偏差较大导致振型曲线偏差较大，以致索力测量不精的问题。本专利技术还公开了一种基于模态分析的索力光学测量系统，其特征在于，所述系统包括图像采集系统、定位与标定系统、基于图像的位移计算系统、索力求解系统；图像采集系统用来采集桥梁拉索在环境振动下的运动图像序列；定位与标定系统包括基于直线检测算法推算测点的像素坐标和基于拉索两条边界直线的数学表达式推算测点的放大系数两部分；位移计算系统用于将图片导入、选取计算区域、进行位移响应计算、基于测点放大系数最终换算成实际位移；索力求解系统基于实际位移响应数据，通过模态分析，得到拉索各阶的频率和相应的振型曲线，并通过程序结合已知参数求解拉索索力。有益效果所提出的一种基于模态分析的索力光学测量方法与现有的频率法索力测量方法有很大的不同，可以更加有效地对桥梁进行安全评估和维护管理，提高桥梁检测效率，是一种很有潜力的索力测量新方法，主要优势有：(1)本专利技术成功回避了建立带有中间弹性支撑(如拉索的减振器、阻尼器、系杆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模态分析的索力光学测量方法，其特征在于，步骤为：/n(1)图像采集：将相机架设于桥面或桥下测点位置，调整相机镜头聚焦至目标拉索，继而拍摄拉索在环境振动下的运动图像序列并保存；/n(2)多点定位与标定：基于直线检测算法提取拉索的图像边界，以及数学表达式，通过某一个测点的像素坐标推算其他所有测点的像素坐标，由此完成图像定位；基于拉索两条边界直线的数学表达式，得到测点位置附近的拉索宽度所占据的像素数量，计算各测点的放大系数，s＝Q/qi，其中Q为拉索直径实际值，qi为第i测点位置对应的像素直径；/n(3)多点位移提取：采用经典的数字图像相关方法，在测点附近选取兴趣计算区域，进行该区域的位移响应计算，最后提取任意需要的测点响应信息；/n(4)换算实际位移：基于测点的放大系数，各个测点像素位移响应数据换算成实际位移；/n(5)基于实际振动响应数据，通过模态分析，得到拉索各阶的频率和相应的振型曲线，并从振型曲线有序均匀提取多个测试点处的振型幅值；/n(6)通过绘制|S|与相关变量的关系曲线图，并结合单位长度质量m、抗弯刚度EI、各个测点相对间距已知参数求解拉索索力。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于模态分析的索力光学测量方法，其特征在于，步骤为：
(1)图像采集：将相机架设于桥面或桥下测点位置，调整相机镜头聚焦至目标拉索，继而拍摄拉索在环境振动下的运动图像序列并保存；
(2)多点定位与标定：基于直线检测算法提取拉索的图像边界，以及数学表达式，通过某一个测点的像素坐标推算其他所有测点的像素坐标，由此完成图像定位；基于拉索两条边界直线的数学表达式，得到测点位置附近的拉索宽度所占据的像素数量，计算各测点的放大系数，s＝Q/qi，其中Q为拉索直径实际值，qi为第i测点位置对应的像素直径；
(3)多点位移提取：采用经典的数字图像相关方法，在测点附近选取兴趣计算区域，进行该区域的位移响应计算，最后提取任意需要的测点响应信息；
(4)换算实际位移：基于测点的放大系数，各个测点像素位移响应数据换算成实际位移；
(5)基于实际振动响应数据，通过模态分析，得到拉索各阶的频率和相应的振型曲线，并从振型曲线有序均匀提取多个测试点处的振型幅值；
(6)通过绘制|S|与相关变量的关系曲线图，并结合单位长度质量m、抗弯刚度EI、各个测点相对间距已知参数求解拉索索力。


2.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建，苏子阳，于姗姗，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32