一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统及其数据分析方法技术方案

本发明专利技术涉及一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统及其数据分析方法，属于结构健康监测工程技术领域。包括激光传感器和激光接收器，激光传感器内置激光器可以发射激光，其所发射激光由激光接收器进行接收。大型结构监测点的位移和转动响应带动激光传感器所产生激光的位移和指向方向产生变化，该变化由激光接收器内部测量系统接收。利用激光接收器内部测量数据，再按照本发明专利技术给出的大型结构多点位移和转动响应同步监测系统数据分析方法，反算得出大型结构监测点处的位移和转动响应。通过本发明专利技术的大型结构多点位移和转动响应同步监测系统，可以实现桥梁、隧道、高层建筑等大型土木工程结构多点位移长期实时监测。

【技术实现步骤摘要】
一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统及其数据分析方法
本专利技术涉及一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统及其数据分析方法，属于结构健康监测工程

技术介绍
桥梁、隧道、高层建筑等大型土木工程基础设施是现代社会正常运转的基础。然而，这些土木工程结构在长期使用过程中，由于材料老化、环境侵蚀、极端荷载等多种因素耦合作用，造成结构损伤不断积累、结构承载力下降，影响到结构的安全使用。为了更为准确地了解在服役过程中的结构安全状态，大量土木工程结构中安装了结构健康监测系统。结构健康监测系统通过在结构上布设传感器，测量结构位移、变形、倾斜、转动、振动等多种结构响应，通过深入的监测数据分析，评估结构的运营状态。在结构健康监测系统所监测的结构各类响应中，结构位移响应对于评估整体结构的安全性至关重要。为了准确测量桥梁、隧道、高层等大型土木工程结构的位移响应，国内外众多学者提出了许多基于不同监测原理的结构位移响应监测方法，主要包括：压力连通器、基于测量加速度或速度响应积分方法、基于全站仪的测量方法、基于计算机视觉的结构位移监测方法和基于激光投射光斑的监测方法。压力连通器是利用连通管中液体的压力平衡原理，因此仅可以监测结构竖向位移响应，并且压力连通器动力响应频率差，难以对结构高频振动进行准确监测。基于测量加速度或速度响应积分方法，用于长期结构位移监测时，容易产生积分结果漂移，无法得到正确的结构位移响应。基于全站仪的测量方法主要用于结构监测点位移的定期检测，且每一时刻只能测量结构一个监测点位移，无法满足结构多点位移响应连续监测的要求。基于计算机视觉的结构位移监测方法，是利用工业相机照射结构位移监测点，通过图像中监测点像素的移动来计算结构位移响应。但是，基于计算机视觉的结构位移监测方法对相机和镜头的要求很高，并且测试精度还收到照射光线的影响，很难实现全天候24小时监测。基于激光投射光斑的监测方法是通过在结构上安装激光器，激光器发射激光投射在远处的靶标上形成光斑，结构位移导致光斑在靶标上产生移动，安装在靶标上的照相机通过计算机视觉技术对于光斑位移的进行识别，从而获得结构位移响应。但是，靶标上激光光斑的移动不仅与安装激光器处结构位移有关，还与结构的转动响应相关，因此，当结构同时具有转动响应时，无法简单地从光斑位移直接获得对应的结构位移响应。由此可见，研发能够高效地同时监测大型结构多点位移的技术，具有重要的实用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统及其数据分析方法，以解决现有的结构位移监测技术复杂、成本高，难以实现大型结构多点位移和转角响应同时监测的问题。一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统，所述系统包括安装在大型结构监测点的激光传感器和安装在固定位置的激光接收器，所述激光传感器内置有激光器，所述激光接收器设置在所述激光传感器的光路上。进一步的，所述激光传感器安装在所述大型结构的每个监测点上，每个激光接收器接收至少一个激光传感器发射的激光，且每个激光接收器可以接收多个激光传感器发射的激光。进一步的，激光传感器外壳与待测结构紧密连接，保证激光传感器的位移和转动响应与结构的位移和转动响应相同。进一步的，通过激光传感器的水平调节螺母调节激光器水平指向，通过激光传感器的垂直调节螺母调节激光器垂直指向，在进行结构位移与转动响应测量前，使激光器发射的激光指向所述激光接收器的激光接收窗口。进一步的，所述激光接收器包括：用于接收所述激光传感器所发射激光的激光接收窗口、可调节角度的倾斜平板、可反射激光的倾斜靶标、拍摄所述倾斜靶标的前摄像头、平面反射镜、平面发射镜、非反射靶标、拍摄所述非反射靶标的后摄像头，所述激光接收窗口设置于所述激光接收器的前端，所述倾斜平板设置于所述激光接收器的前底部，所述倾斜靶标铺设在所述倾斜平板的表面，所述摄像头安装在所述激光接收器的前顶部，所述前摄像头的镜头正对所述倾斜靶标，所述平面反射镜设置在所述激光接收器的顶部，所述平面发射镜设置在所述激光接收器的中底部，所述非反射靶标设置在所述激光接收器的后底部，所述后摄像头安装在所述激光接收器的后顶部，所述后摄像头的镜头正对所述非反射靶标。进一步的，所述激光接收器还包括可自由转动的转轴和可改变长度的支杆，所述倾斜平板的前部通过所述转轴与所述激光接收器的底板转动连接，所述倾斜平板的后部通过所述支杆与所述激光接收器的底板连接。通过改变支杆的长度，可以改变倾斜靶标的倾角。进一步的，所述平面反射镜与平面发射镜互相平行。进一步的，所述倾斜靶标和非反射靶标上标有刻度。进一步的，在进行结构位移与转动响应测量前，调整所述激光接收器的激光窗口指向和倾斜靶标的倾角，使得激光传感器发射的激光可以分别照射在可反射激光的倾斜靶标和非反射靶标上。一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统数据分析方法，基于上述的一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统，所述对于单个激光传感器监测结构位移与转动响应数据的分析方法包括以下步骤：步骤一、确定激光接收器内部三维空间坐标系，其中，x轴和z轴平行于激光接收激光接收器的底面，y轴垂直于激光接收激光接收器底面；步骤二、选取某一时刻的结构位移和转动响应作为监测基准值，其它时刻的结构位移和转动响应表示为相对于基准值的偏移量，采用步骤三至步骤十中的操作，建立结构位移和转动响应监测基准值对应的测量平面；步骤三、采用前摄像头拍摄激光传感器所发射激光投射在倾斜靶标上的光斑照片，结合照片中倾斜靶标上刻度坐标，采用图像识别技术识别交汇点处激光光斑中心点在倾斜靶标平面内的位置坐标；步骤四、采用后摄像头拍摄激光传感器所发射激光投射在非反射靶标上的光斑照片，结合照片中非反射靶标上刻度坐标，采用图像识别技术识别交汇点处激光光斑中心点在非反射靶标平面内的位置坐标；步骤五、根据激光接收器的内部构件尺寸、倾斜靶标上激光光斑中心的平面坐标、非反射靶标上激光光斑中心的平面坐标、倾斜靶标与激光接收器底板夹角信息，按照几何关系换算求得光斑中心和在激光接收器内部坐标系内的三维空间坐标。步骤六、在激光接收器上方，建立一个非反射靶标的虚像靶标，虚像靶标平行于非反射靶标，与非反射靶标的垂直距离为(n+1)H，其中，H为平面反射镜与平面发射镜之间的垂直距离，n为激光在平面反射镜与平面发射镜之间的反射次数，将非反射靶标上的光斑中心B1垂直投射到虚像靶标上，形成交点C1，由于交点C1与光斑中心B1在激光接收器坐标系内具有相同x轴和z轴坐标，可以计算求得交点C1在激光接收器坐标系内的空间坐标；步骤七、由几何反射关系可知，交点C1处于倾斜靶标反射激光的延长线上，根据交点C1和光斑中心A1两点在激光接收器坐标系内的坐标，建立穿过交点C1与光斑中心A1两点的空间直线方程。步骤八、根据倾斜靶标反射激光时，入射激光与平面镜法线夹角和反射光与平面镜法线夹角相等的原理，求得通过倾斜靶标上光斑中心A1点的入射激光所在空间直线方程；步骤九，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统，其特征在于，所述系统包括安装在大型结构监测点的激光传感器(1)和安装在固定位置的激光接收器(2)，所述激光传感器(1)内置有激光器，所述激光接收器(2)设置在所述激光传感器(1)的光路上。/n

【技术特征摘要】
1.一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统，其特征在于，所述系统包括安装在大型结构监测点的激光传感器(1)和安装在固定位置的激光接收器(2)，所述激光传感器(1)内置有激光器，所述激光接收器(2)设置在所述激光传感器(1)的光路上。


2.根据权利要求1所述的一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统，其特征在于，所述激光传感器(1)安装在所述大型结构的每个监测点上，每个激光接收器(2)接收至少一个激光传感器(1)发射的激光。


3.根据权利要求2所述的一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统，其特征在于，所述激光传感器(1)包括：激光传感器外壳(1-1)，用于发射激光的激光器(1-2)，用于调节激光器(1-2)水平指向的水平滑块(1-3)和水平丝杠(1-4)，用于调节激光器(1-2)垂直指向的垂直滑块(1-5)和垂直丝杠(1-6)，水平丝杠(1-4)和垂直丝杠(1-6)都与激光传感器外壳(1-1)连接，并通过水平调节螺母(1-7)和竖向调节螺母(1-8)进行转动，激光器(1-2)前部与水平滑块(1-3)连接；激光器(1-2)后部与垂直滑块(1-5)连接。


4.根据权利要求2所述的一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统，其特征在于，所述激光接收器(2)包括：用于接收所述激光传感器(1)所发射激光的激光接收窗口(2-1)、可调节角度的倾斜平板(2-2)、可反射激光的倾斜靶标(2-5)、拍摄所述倾斜靶标(2-5)的前摄像头(2-6)、平面反射镜(2-7)、平面发射镜(2-8)、非反射靶标(2-9)、拍摄所述非反射靶标(2-9)的后摄像头(2-10)，所述激光接收窗口(2-1)设置于所述激光接收器(2)的前端，所述倾斜平板(2-2)设置于所述激光接收器(2)的前底部，所述倾斜靶标(2-5)铺设在所述倾斜平板(2-2)的表面，所述摄像头(2-6)安装在所述激光接收器(2)的前顶部，所述前摄像头(2-6)的镜头正对所述倾斜靶标(2-5)，所述平面反射镜(2-7)设置在所述激光接收器(2)的顶部，所述平面发射镜(2-8)设置在所述激光接收器(2)的中底部，所述非反射靶标(2-9)设置在所述激光接收器(2)的后底部，所述后摄像头(2-6)安装在所述激光接收器(2)的后顶部，所述后摄像头(2-10)的镜头正对所述非反射靶标(2-9)。


5.根据权利要求4所述的一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统，其特征在于，所述激光接收器(2)还包括可自由转动的转轴(2-3)和可改变长度的支杆(2-4)，所述倾斜平板(2-2)的前部通过所述转轴(2-3)与所述激光接收器(2)的底板转动连接，所述倾斜平板(2-2)的后部通过所述支杆(2-4)与所述激光接收器(2)的底板连接。


6.根据权利要求4所述的一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统，其特征在于，所述平面反射镜(2-7)与平面发射镜(2-8)互相平行。


7.根据权利要求4所述的一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统，其特征在于，所述倾斜靶标(2-5)和非反射靶标(2-9)上标有刻度。


8.一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统数据分析方法，基于权利要求1-10任一项所述的一种大型结构多点位移和转动响应同步监测系统，其特征在于，所述对于单个激光传感器监测结构位移与转动响应数据的分析方法包括以下步骤：
步骤一、确定激光接收激光接收器(2)内部三维空间坐标系，其中，x轴和z轴平行于激光接收激光接收器(2)的底面，y轴垂直于激光接收激光接收器(2)底面；
步骤二、选取某一时刻的结构位移和转动响应作为监测基准值，其它时刻的结构位移和转动响应表示为相对于基准值的偏移量，采用步骤三至步骤十中的操作，建立结构位移和转动响应监测基准值对应的测量平面(2-12)；
步骤三、采用前摄像头(2-6)拍摄激光传感器(1)所发射激光投射在倾斜靶标(2-5)上的光斑照片，结合照片中倾斜靶标(2-5)上刻度坐标，采用图像识别技术识别交汇点处激光光斑中心点A1在倾斜靶标平面内的位置坐标；
步骤四、采用后摄像头(2-9)拍摄激光传感器(1)所发射激光投射在非反射靶标(2-9)上的光斑照片，结合照片中非反射靶标(2-9)上刻度坐标，采用图像识别技术识别交汇点处激光光斑中心点B1在非反射靶标平面内的位置坐标；
步骤五、根据激光接收器(2)的内部构件尺寸、倾斜靶标(2-5)上激光光斑中心A1的平面坐标、非反射靶标(2-9)上激光光斑中心B1的平面坐标、倾斜靶标(2-5)与激光接收器底板夹角信息，按照几何关系换算求得光斑中心A1和B1在激光接收器(2)内部坐标系内的三维空间坐标；
步骤六、在激光接收器上方，建立一个非反射靶标(2-9)的虚像靶标(2-11)，虚像靶标(2-11)平行于非反射靶标(2-9)，与非反射靶标(2-9)的垂直距离为(n+1)H，其中，H为平面反射镜(2-7)与平面发射镜(2-8)之间的垂直距离，n为激光在平面反射镜(2-7)与平面发射镜(2-8)之间的反射次数，将非反射靶标上的光斑中心B1垂直投射到虚像靶标(2-11)上，形成交点C1，由于交点C1与光斑中心B1在激光接收器(2)坐标系内具有相同x轴和z轴坐标，获得...

【专利技术属性】
技术研发人员：张东昱，倪莉，
申请(专利权)人：张东昱，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23