專利名稱：一種混凝土表面微小裂縫的定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及混凝土構(gòu)件表面裂縫的檢測(cè)定位儀器，尤其是涉及一種對(duì)于混凝土構(gòu)件表面肉眼無法識(shí)別的微小裂縫的檢測(cè)定位裝置。
背景技術(shù)：
混凝土材料的開裂破壞是導(dǎo)致建筑物結(jié)構(gòu)破壞的根本原因之一，而混凝土裂縫的萌生和擴(kuò)展一般發(fā)生在結(jié)構(gòu)表面，體現(xiàn)為表面材料出現(xiàn)局部的不連續(xù)性。如果可以通過一些措施與技術(shù)，提前預(yù)測(cè)出混凝土開裂的位置，并及時(shí)采取相應(yīng)的修補(bǔ)或防護(hù)措施對(duì)裂縫進(jìn)行處理，將使得國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)得到更有效的保障。目前對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)裂縫檢測(cè)的手段非常有限，最常見的手段是超聲探測(cè)技術(shù)，該技術(shù)一般用來檢測(cè)肉眼已經(jīng)分辨出的裂縫，利用超聲波的傳輸特性測(cè)量裂縫的深度和寬度來判斷裂縫的危害性。這種方法測(cè)量精度有限，難以識(shí)別小裂紋，更不能自動(dòng)去識(shí)別裂縫存在的區(qū)域。當(dāng)然，理論上是可以通過讀數(shù)顯微鏡去檢測(cè)肉眼無法識(shí)別的微小裂縫并量測(cè)其寬度，但是如果不知道裂縫產(chǎn)生的位置，這種方法使用起來是非常困難的。因?yàn)榱芽p位置的不確定性，傳統(tǒng)的單點(diǎn)應(yīng)變測(cè)量方法(如應(yīng)變片，應(yīng)變傳感器)是難以實(shí)現(xiàn)微小裂縫大范圍的測(cè)量定位。通過前期研究發(fā)現(xiàn)，存在表面裂縫和不存在表面裂縫的混凝土結(jié)構(gòu)，在受到外部荷載(未達(dá)到破壞水平)作用時(shí)，其應(yīng)變場(chǎng)會(huì)呈現(xiàn)出顯著區(qū)別 沒有裂縫的混凝土結(jié)構(gòu)，其表面應(yīng)變場(chǎng)是連續(xù)的，并且應(yīng)變量水平不高；對(duì)于存在表面裂縫的混凝土結(jié)構(gòu)，其裂縫所在的局部區(qū)域，會(huì)因?yàn)榱芽p在外部荷載作用下的張開(或閉合)，而產(chǎn)生非常大的虛擬應(yīng)變(即包含裂縫變形的局部應(yīng)變)。因此，通過對(duì)應(yīng)變場(chǎng)的測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)表面裂縫的檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)傳統(tǒng)混凝土裂縫定位測(cè)量精度有限，難以識(shí)別小裂紋，不能大范圍測(cè)量，更不能自動(dòng)去識(shí)別裂縫存在的區(qū)域等缺陷，提供一種混凝土表面微小裂縫的定位系統(tǒng)，采用現(xiàn)代光測(cè)力學(xué)技術(shù)并結(jié)合相關(guān)計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)微小裂縫大范圍的精確測(cè)量定位。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案
一種混凝土表面微小裂縫的定位系統(tǒng)，包括圖像采集裝置、計(jì)算機(jī)DSP系統(tǒng)、顯示器； 其中
所述圖像采集裝置用來采集混凝土樣品表面的實(shí)時(shí)應(yīng)變圖像，依次將應(yīng)變前、應(yīng)變后的數(shù)字圖片信號(hào)輸出至計(jì)算機(jī)DSP系統(tǒng)；
計(jì)算機(jī)DSP系統(tǒng)對(duì)接收的應(yīng)變前、應(yīng)變后的數(shù)字圖片信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性分析，采用三次曲面擬合法計(jì)算出應(yīng)變后圖像中的各子區(qū)域相對(duì)于應(yīng)變前圖像的位移，然后采用局部最小二乘法計(jì)算得到應(yīng)變場(chǎng)，獲得帶有定位微小裂縫位置的數(shù)字圖像信號(hào)；
顯示器包括一數(shù)模轉(zhuǎn)換器，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器將接收到的帶有定位微小裂縫位置的數(shù)字圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬圖像信號(hào)，并實(shí)時(shí)顯示出裂縫所在的準(zhǔn)確位置。進(jìn)一步的，本發(fā)明的一種混凝土表面微小裂縫的定位系統(tǒng)，還包括與計(jì)算機(jī)DSP 系統(tǒng)相連接的外圍電路，所述外圍電路包括復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)電路、按鍵電路以及電源轉(zhuǎn)換電路；其中
所述復(fù)位電路用于提供復(fù)位信號(hào)；
所述時(shí)鐘電路用于控制圖像采集裝置采集圖像的時(shí)間間隔；
所述存儲(chǔ)電路由SDRAM以及FLASH ROM閃存組成，SDRAM用于存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH ROM 閃存用于存放系統(tǒng)程序；
所述按鍵電路用于向計(jì)算機(jī)DSP系統(tǒng)輸入控制命令及設(shè)置時(shí)鐘電路的參數(shù)； 所述電源轉(zhuǎn)換電路用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為工作電壓。進(jìn)一步的，本發(fā)明的一種混凝土表面微小裂縫的定位系統(tǒng)，所述圖像采集裝置包括支撐架、CCD相機(jī)，通過調(diào)節(jié)支撐架的高度和角度確定CCD相機(jī)的圖像采集范圍。進(jìn)一步的，本發(fā)明的一種混凝土表面微小裂縫的定位系統(tǒng)，還包括補(bǔ)充光源，所述補(bǔ)充光源采用現(xiàn)場(chǎng)照明裝置。
本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果 首先，與傳統(tǒng)超聲波探測(cè)技術(shù)只能檢測(cè)定位肉眼可識(shí)別裂縫的裝置相比，本發(fā)明可以檢測(cè)定位肉眼無法識(shí)別的微小裂縫。其次，與傳統(tǒng)技術(shù)逐條檢測(cè)相比，本發(fā)明可以通過一次測(cè)量，就可以識(shí)別出三維最大尺寸為10米范圍的樣品表面所有寬度大于10微米的小裂縫。最后，與傳統(tǒng)技術(shù)相比，本發(fā)明具有與樣品非接觸、對(duì)樣品無損傷等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的工作原理圖。圖2為本發(fā)明的DSP系統(tǒng)與外圍電路連接的示意圖。圖3是本發(fā)明的定位系統(tǒng)的工作流程圖。圖中標(biāo)號(hào)解釋1一CXD相機(jī)，2—支撐架，3—補(bǔ)充光源，4一計(jì)算機(jī)DSP系統(tǒng)，5—顯示器，6—外圍電路，7—圖像采集范圍，8—復(fù)位電路，9一時(shí)鐘電路，10—存儲(chǔ)電路，11 一按鍵電路，12—電源轉(zhuǎn)換電路。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明
如圖ι所示，一種混凝土表面微小裂縫的檢測(cè)定位系統(tǒng)，它包括CCD相機(jī)1、支撐架2、 補(bǔ)充光源3、DSP系統(tǒng)4、顯示器5以及外圍電路6。支撐架2用來放置CXD相機(jī)1，通過調(diào)節(jié)支撐架2的高度和角度確定CXD相機(jī)的圖像采集范圍7。CCD相機(jī)1用來采集帶有散斑(隨機(jī)密布的微小標(biāo)記點(diǎn))的混凝土表面的實(shí)時(shí)應(yīng)變圖像，輸出數(shù)字圖片信號(hào)。若待測(cè)混凝土樣品表面近似平面，所述圖像采集系統(tǒng)為一臺(tái)分辨率大于500萬像素的CCD相機(jī)；若待測(cè)混凝土樣品表面不為近似平面，圖像采集系統(tǒng)為兩臺(tái)分辨率大于500萬像素的CCD相機(jī)，將兩臺(tái)CCD相機(jī)采集的圖像通過視覺圖像算法獲得三維曲面圖像，然后輸入計(jì)算機(jī)DSP系統(tǒng)。補(bǔ)充光源3打到混凝土構(gòu)件上，使得攝像頭采集的圖像效果達(dá)到最優(yōu)。計(jì)算機(jī)DSP系統(tǒng)4獲得攝像機(jī)輸出的應(yīng)變前、后混凝土樣品表面的數(shù)字圖像信號(hào)， 對(duì)數(shù)字圖片進(jìn)行處理，通過將應(yīng)變后與應(yīng)變前的數(shù)字圖像相關(guān)匹配來分析混凝土樣品表面變形前后的圖像，通過變形前后的相關(guān)性分析得到變形場(chǎng)，再在此基礎(chǔ)上通過局部最小二乘法計(jì)算得到應(yīng)變場(chǎng)，通過對(duì)應(yīng)變場(chǎng)的處理分析，進(jìn)而確定微小裂縫所在的位置，然后將帶有定位微小裂縫位置的數(shù)字圖像信號(hào)傳給顯示器5，具體處理過程在下文中具體舉例說明。顯示器5將接收到的帶有定位微小裂縫位置的數(shù)字圖像信號(hào)，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器得到模擬圖像信號(hào)，并在在顯示器5上實(shí)時(shí)顯示裂縫所在的準(zhǔn)確位置。 外圍電路6對(duì)整個(gè)裝置起到控制作用，并配合DSP系統(tǒng)4完成數(shù)據(jù)的采集和處理。如圖2所示，外圍電路6包括復(fù)位電路8、時(shí)鐘電路9、存儲(chǔ)電路10、按鍵電路11 以及電源轉(zhuǎn)換電路12。復(fù)位電路8提供復(fù)位信號(hào)，當(dāng)按下復(fù)位按鍵時(shí)整個(gè)定位裝置進(jìn)行初始化；時(shí)鐘電路9用于控制裝置圖像采集的時(shí)間間隔；存儲(chǔ)器電路10由SDRAM以及FLASH ROM閃存組成，SDRAM用于存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH ROM閃存用于存放系統(tǒng)程序，其數(shù)據(jù)的讀入和寫出受 DSP系統(tǒng)控制；按鍵電路11用于接收人為命令，使儀器強(qiáng)制執(zhí)行相應(yīng)的人為命令；電源轉(zhuǎn)換電路12用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為工作電壓。在使用時(shí)，先接通所有電路，通過控制按鍵電路11啟動(dòng)電源轉(zhuǎn)換電路12獲取工作電壓，并載入存儲(chǔ)器電路10內(nèi)FLASH ROM閃存存放的系統(tǒng)程序，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行開機(jī)初始化， 若操作過程中啟動(dòng)了復(fù)位電路8并按下復(fù)位按鍵時(shí)整個(gè)定位裝置進(jìn)行操作中的初始化過程。時(shí)鐘電路9根據(jù)按鍵電路11設(shè)定的裝置圖像采集的時(shí)間間隔向DSP系統(tǒng)4定時(shí)發(fā)送指令，DSP系統(tǒng)4接收到命令后通過攝像頭1獲取數(shù)字圖像信號(hào)，并進(jìn)行分析處理，最終輸出顯示器5帶有裂縫位置的數(shù)字圖像信號(hào)，顯示器5對(duì)帶有裂縫位置的數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，最終在顯示器上呈現(xiàn)。計(jì)算機(jī)DSP系統(tǒng)的工作原理
本發(fā)明的計(jì)算機(jī)DSP系統(tǒng)的主要原理是根據(jù)對(duì)于存在表面裂縫的混凝土結(jié)構(gòu)，其裂縫所在的局部區(qū)域，會(huì)因?yàn)榱芽p在外部荷載作用下的張開(或閉合)，而產(chǎn)生非常大的虛擬應(yīng)變，即應(yīng)變場(chǎng)的奇異性來定位裂縫所在位置。如圖3所示，具體實(shí)施步驟舉例如下
步驟A 對(duì)待測(cè)混凝土樣品進(jìn)行表面處理，去除非結(jié)構(gòu)附著物，使得待測(cè)混凝土樣品的表面簡(jiǎn)單平整；
步驟B 當(dāng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)光線不足時(shí)，在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置現(xiàn)場(chǎng)照明裝置； 步驟C 通過圖像采集裝置采集待測(cè)混凝土樣品表面參考圖像； 步驟D 采用加載裝置對(duì)待測(cè)混凝土樣品施加平行于其表面的、不小于混凝土材料破壞強(qiáng)度10%的載荷，并且保持到步驟E完成；
步驟E 通過圖像采集裝置采集施加載荷后的混凝土樣品表面目標(biāo)圖像； 步驟F 對(duì)步驟C采集到的混凝土樣品表面參考圖像、步驟E采集到的混凝土樣品目標(biāo)圖像發(fā)送到計(jì)算機(jī)DSP系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)性分析，獲得目標(biāo)圖像中的各子區(qū)域相對(duì)于參考圖像的位移；步驟G 根據(jù)步驟F得到的目標(biāo)圖像中各子區(qū)域的相對(duì)位移，用局部最小二乘方法分別計(jì)算出目標(biāo)圖像中各子區(qū)域的局部應(yīng)變值，局部應(yīng)變值超過800-1200微應(yīng)變的區(qū)域，即為微小裂縫的位置。 步驟F中所述的相關(guān)性分析方法是基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，通過對(duì)兩幅數(shù)字圖像進(jìn)行相關(guān)匹配。匹配原理是通過以下公式分別計(jì)算目標(biāo)圖像中某個(gè)子區(qū)域與參考圖像中所有子區(qū)域的相關(guān)系數(shù)
權(quán)利要求
1.一種混凝土表面微小裂縫的定位系統(tǒng)，其特征在于包括圖像采集裝置、計(jì)算機(jī)DSP 系統(tǒng)、顯示器；其中所述圖像采集裝置用來采集混凝土樣品表面的實(shí)時(shí)應(yīng)變圖像，依次將應(yīng)變前、應(yīng)變后的數(shù)字圖片信號(hào)輸出至計(jì)算機(jī)DSP系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)DSP系統(tǒng)對(duì)接收的應(yīng)變前、應(yīng)變后的數(shù)字圖片信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性分析，采用三次曲面擬合法計(jì)算出應(yīng)變后圖像中的各子區(qū)域相對(duì)于應(yīng)變前圖像的位移，然后采用局部最小二乘法計(jì)算得到應(yīng)變場(chǎng)，獲得帶有定位微小裂縫位置的數(shù)字圖像信號(hào)；顯示器包括一數(shù)模轉(zhuǎn)換器，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器將接收到的帶有定位微小裂縫位置的數(shù)字圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬圖像信號(hào)，并實(shí)時(shí)顯示出裂縫所在的準(zhǔn)確位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種混凝土表面微小裂縫的定位系統(tǒng)，其特征在于還包括與計(jì)算機(jī)DSP系統(tǒng)相連接的外圍電路，所述外圍電路包括復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)電路、 按鍵電路以及電源轉(zhuǎn)換電路；其中所述復(fù)位電路用于提供復(fù)位信號(hào)；所述時(shí)鐘電路用于控制圖像采集裝置采集圖像的時(shí)間間隔；所述存儲(chǔ)電路由SDRAM以及FLASH ROM閃存組成，SDRAM用于存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH ROM 閃存用于存放系統(tǒng)程序；所述按鍵電路用于向計(jì)算機(jī)DSP系統(tǒng)輸入控制命令及設(shè)置時(shí)鐘電路的參數(shù)；所述電源轉(zhuǎn)換電路用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為工作電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種混凝土表面微小裂縫的定位系統(tǒng)，其特征在于所述圖像采集裝置包括支撐架、CCD相機(jī)，通過調(diào)節(jié)支撐架的高度和角度確定CCD相機(jī)的圖像采集范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種混凝土表面微小裂縫的定位系統(tǒng)，其特征在于還包括補(bǔ)充光源，所述補(bǔ)充光源采用現(xiàn)場(chǎng)照明裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種混凝土表面微小裂縫的定位系統(tǒng)，包括圖像采集裝置、計(jì)算機(jī)DSP系統(tǒng)、顯示器；其中圖像采集裝置用來采集混凝土樣品表面的實(shí)時(shí)應(yīng)變圖像，依次將應(yīng)變前、應(yīng)變后的數(shù)字圖片信號(hào)輸出至計(jì)算機(jī)DSP系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)DSP系統(tǒng)對(duì)接收的應(yīng)變前、應(yīng)變后的數(shù)字圖片信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性分析，計(jì)算出應(yīng)變后圖像中的各像素點(diǎn)相對(duì)于應(yīng)變前圖像的位移，獲得帶有定位微小裂縫位置的數(shù)字圖像信號(hào)；顯示器包括一數(shù)模轉(zhuǎn)換器，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器將接收到的帶有定位微小裂縫位置的數(shù)字圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬圖像信號(hào)，并實(shí)時(shí)顯示出裂縫所在的準(zhǔn)確位置。本發(fā)明可識(shí)別出混凝土表面的微小裂縫，并且與樣品非接觸、對(duì)樣品無損傷，具有精度高、操作簡(jiǎn)單、高效率等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/88GK102359966SQ20111021449
公開日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者喬丕忠, 王克峰, 薛榮軍, 雷冬 申請(qǐng)人:河海大學(xué)