本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的，尤其涉及一種分體式、雙模式、多尺度數(shù)字圖像全場(chǎng)變形測(cè)量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在土木工程領(lǐng)域，測(cè)量結(jié)構(gòu)的變形（位移和應(yīng)變）對(duì)于了解結(jié)構(gòu)的安全性能以及結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)具有重要意義。對(duì)于在役結(jié)構(gòu)，由于長(zhǎng)期受荷載和環(huán)境作用，材料老化，構(gòu)件損傷，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全度下降，甚至出現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系失效，所以需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步完成對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性的評(píng)估；對(duì)于施工過程中的結(jié)構(gòu)，也屢有因施工過程控制不當(dāng)、結(jié)構(gòu)損傷失效導(dǎo)致的安全事故。因此對(duì)于橋梁、房建、基坑支護(hù)等重要結(jié)構(gòu)的施工過程，國(guó)家及地方均有相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定必須采取施工監(jiān)控監(jiān)測(cè)。對(duì)一些大型結(jié)構(gòu)，位移因其直觀表現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能成為了健康監(jiān)測(cè)重要的研究部分；而對(duì)一些小的構(gòu)件，往往需要知道其在受荷狀態(tài)下的變形情況，常通過位移場(chǎng)或應(yīng)變場(chǎng)來進(jìn)行分析。

2、傳統(tǒng)的變形測(cè)量手段主要包括應(yīng)變片、位移計(jì)和光纖光柵傳感器等，這些均屬于接觸式測(cè)量手段，存在以下局限：準(zhǔn)備工作復(fù)雜、前期工作量大，操作過程繁瑣且易受環(huán)境干擾，只能進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量或者線測(cè)量，難以實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)位移和全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量，也無法做到實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、高精度測(cè)量。

3、數(shù)字圖像相關(guān)方法(digital?image?correlation,?dic)具有非接觸、全場(chǎng)、精度高的優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)用廣泛的測(cè)量方法，也是與工程實(shí)際密切聯(lián)系的方法。數(shù)字圖像相關(guān)方法通過比對(duì)被測(cè)目標(biāo)表面變形前后的不同狀態(tài)而計(jì)算出每個(gè)像素點(diǎn)的位移向量，完成二維變形場(chǎng)測(cè)量。進(jìn)一步，通過采集被測(cè)目標(biāo)兩個(gè)不同角度的圖像，獲取不同視角下的圖像，通過分析被測(cè)目標(biāo)在兩幅圖像中的位置來確定事物的三維坐標(biāo)，從而得到每一特征點(diǎn)或像素點(diǎn)的位移，完成被測(cè)目標(biāo)的三維變形場(chǎng)測(cè)量。

4、目前，基于數(shù)字圖像相關(guān)方法的變形測(cè)量主要存在以下兩個(gè)問題：1、現(xiàn)有的3d-dic一體式測(cè)量設(shè)備主要針對(duì)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量視場(chǎng)和尺度固定，測(cè)量單元間距離和采集角度均不可調(diào)，不具備遠(yuǎn)距離、大尺度測(cè)量能力；2、現(xiàn)有的變形測(cè)量設(shè)備功能單一，只能針對(duì)2d或3d變形場(chǎng)測(cè)測(cè)量中的一種。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種分體式、雙模式、多尺度數(shù)字圖像全場(chǎng)變形測(cè)量系統(tǒng)，創(chuàng)新性的將dic圖像采集系統(tǒng)分體式設(shè)計(jì)到兩臺(tái)裝置中，單獨(dú)一臺(tái)裝置可以完成2d變形場(chǎng)測(cè)量，兩臺(tái)裝置共同使用時(shí)可以完成3d變形場(chǎng)測(cè)量。此外，在dic圖像采集系統(tǒng)中包含了多組不同測(cè)量范圍的測(cè)量單元，配合萬向調(diào)節(jié)支架，從而實(shí)現(xiàn)了測(cè)量視場(chǎng)和尺度的調(diào)節(jié)。本發(fā)明是一種經(jīng)過單目或雙目成像模型計(jì)算后，視場(chǎng)可調(diào)和布置靈活的分體式、雙模式、多尺度的數(shù)字圖像全場(chǎng)變形測(cè)量系統(tǒng)，以應(yīng)用于建筑主體、橋梁主梁、地基沉降等遠(yuǎn)距離、大視場(chǎng)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件等近距離、小視場(chǎng)變形前后二維或三維變形場(chǎng)的測(cè)量。

2、本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用以下技術(shù)方案：

3、一種分體式、雙模式、多尺度數(shù)字圖像全場(chǎng)變形測(cè)量系統(tǒng)，由兩臺(tái)相同的測(cè)量裝置和一臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，每臺(tái)測(cè)量裝置均包括支撐結(jié)構(gòu)、dic圖像采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理計(jì)算單元和遠(yuǎn)程通訊傳輸單元；

4、支撐結(jié)構(gòu)包括萬向調(diào)節(jié)支架、下蓋板、上蓋板、連接板和擋板，下蓋板安裝在萬向調(diào)節(jié)支架頂部，上蓋板安裝在下蓋板頂部，連接板安裝在下蓋板、上蓋板形成的空腔內(nèi)中間位置，下蓋板一側(cè)壁上開設(shè)有擋板安裝孔且擋板安裝在擋板安裝孔內(nèi)，擋板上嵌裝有濾光片；

5、dic圖像采集系統(tǒng)包括三個(gè)測(cè)量單元，用于采集被測(cè)目標(biāo)的表面散斑圖像，并將測(cè)量過程中采集的圖像傳遞給數(shù)據(jù)處理計(jì)算單元，每個(gè)測(cè)量單元均包括相機(jī)、定焦鏡頭和轉(zhuǎn)接板，轉(zhuǎn)接板固定在連接板上，定焦鏡頭安裝在轉(zhuǎn)接板上，相機(jī)設(shè)置在定焦鏡頭一側(cè)，三個(gè)測(cè)量單元的相機(jī)分別對(duì)應(yīng)三個(gè)濾光片設(shè)置，三個(gè)測(cè)量單元的定焦鏡頭的測(cè)量范圍不同；

6、數(shù)據(jù)處理計(jì)算單元為微型嵌入式工控機(jī)，微型嵌入式工控機(jī)用于分析和處理相機(jī)采集的圖像，計(jì)算被測(cè)目標(biāo)的位移和應(yīng)變數(shù)據(jù)，微型嵌入式工控機(jī)布置在連接板的頂部；

7、遠(yuǎn)程通訊傳輸單元為poe交換機(jī)，通過4g/5g或wifi網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)處理計(jì)算單元的分析結(jié)果傳輸回計(jì)算機(jī)，將傳輸內(nèi)容從相機(jī)采集的圖像序列轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰坪蛻?yīng)變數(shù)據(jù)值；poe交換機(jī)布置在連接板的底部；

8、計(jì)算機(jī)使用遠(yuǎn)程通訊傳輸單元，采用數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)姆绞剑邮誨ic圖像采集系統(tǒng)采集到的圖像、數(shù)據(jù)處理計(jì)算單元分析后的結(jié)果，實(shí)時(shí)生成被測(cè)目標(biāo)的二維或三維變形場(chǎng)的位移圖和應(yīng)變圖。

9、其中兩個(gè)測(cè)量單元安裝在連接板頂部且另外一個(gè)測(cè)量單元安裝在連接板底部。

10、萬向調(diào)節(jié)支架包括下水平板、中水平板、上水平板，下水平板上表面前后兩側(cè)設(shè)有第一豎直板，中水平板下表面前后兩側(cè)設(shè)有第二豎直板且上表面左右兩側(cè)設(shè)有第三豎直板，上水平板下表面左右兩側(cè)設(shè)有第四豎直板，對(duì)應(yīng)的第一豎直板、第二豎直板通過銷軸鉸接設(shè)置，第一豎直板上開設(shè)有第一弧形調(diào)節(jié)槽、第二豎直板上設(shè)有兩個(gè)第一擰緊螺絲且兩個(gè)第一擰緊螺絲穿設(shè)在第一弧形調(diào)節(jié)槽內(nèi)，對(duì)應(yīng)的第三豎直板、第四豎直板通過銷軸鉸接設(shè)置，第三豎直板上開設(shè)有第二弧形調(diào)節(jié)槽、第四豎直板上設(shè)有兩個(gè)第二擰緊螺絲且兩個(gè)第二擰緊螺絲穿設(shè)在第二弧形調(diào)節(jié)槽內(nèi)。

11、下蓋板通過螺栓安裝在萬向調(diào)節(jié)支架的上水平板上。

12、下蓋板、上蓋板采用緊固件連接。

13、dic圖像采集系統(tǒng)三個(gè)測(cè)量單元的轉(zhuǎn)接板、數(shù)據(jù)處理計(jì)算單元的微型嵌入式工控機(jī)、遠(yuǎn)程通訊傳輸單元的poe交換機(jī)均通過螺栓固定在支撐結(jié)構(gòu)的連接板上。

14、擋板與下蓋板的擋板安裝孔采用鍵槽連接。

15、下蓋板底部預(yù)留設(shè)置有連接外部電源的接口。

16、在使用2d-dic軟件時(shí)，需使用一臺(tái)測(cè)量裝置，根據(jù)與被測(cè)目標(biāo)的距離和位置，選擇測(cè)量裝置中的一個(gè)測(cè)量單元并通過萬向調(diào)節(jié)支架調(diào)整裝置角度，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理計(jì)算單元分析和遠(yuǎn)程通訊傳輸單元傳遞后，繪制被測(cè)目標(biāo)二維場(chǎng)變形的位移圖和應(yīng)變圖，自行選擇是否進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)傳輸。

17、在使用3d-dic軟件時(shí)，需同時(shí)使用兩臺(tái)測(cè)量裝置并分別進(jìn)行布置，根據(jù)裝置與被測(cè)目標(biāo)之間的距離，每臺(tái)測(cè)量裝置分別選擇一個(gè)測(cè)量單元并通過萬向調(diào)節(jié)支架調(diào)整裝置的視場(chǎng)，兩臺(tái)測(cè)量裝置之間的布置距離不受限制，保證被測(cè)目標(biāo)分別處在兩臺(tái)測(cè)量裝置中測(cè)量單元的有效測(cè)量視野內(nèi)即可，將采集得到的圖像數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程通訊傳輸單元進(jìn)行傳輸，計(jì)算獲得被測(cè)目標(biāo)三維場(chǎng)變形的位移圖和應(yīng)變圖。

18、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明同時(shí)具有2d-dic和3d-dic兩種測(cè)量變形模式，可根據(jù)實(shí)際測(cè)量需求選擇，無需更換設(shè)備；將圖像采集、數(shù)據(jù)計(jì)算、信號(hào)傳輸?shù)裙δ芗谝惑w后，進(jìn)行分體式獨(dú)立設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強(qiáng)，避免了遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)因技術(shù)要求造成的一體式設(shè)備體積龐大的問題，更方便攜帶；可滿足同時(shí)對(duì)全場(chǎng)的遠(yuǎn)、中、近距離的多尺度測(cè)量，并且視場(chǎng)可任意調(diào)節(jié)，更滿足工程中應(yīng)用的復(fù)雜場(chǎng)景；可實(shí)時(shí)處理圖像并計(jì)算位移和應(yīng)變數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)傳輸更加高效、輕量化。

技術(shù)特征：

1.一種分體式、雙模式、多尺度數(shù)字圖像全場(chǎng)變形測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，由兩臺(tái)相同的測(cè)量裝置和一臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，每臺(tái)測(cè)量裝置均包括支撐結(jié)構(gòu)（1）、dic圖像采集系統(tǒng)（2）、數(shù)據(jù)處理計(jì)算單元（3）和遠(yuǎn)程通訊傳輸單元（4）；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分體式、雙模式、多尺度數(shù)字圖像全場(chǎng)變形測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，其中兩個(gè)測(cè)量單元安裝在連接板（14）頂部且另外一個(gè)測(cè)量單元安裝在連接板（14）底部。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種分體式、雙模式、多尺度數(shù)字圖像全場(chǎng)變形測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，萬向調(diào)節(jié)支架（11）包括下水平板（111）、中水平板（112）、上水平板（113），下水平板（111）上表面前后兩側(cè)設(shè)有第一豎直板（114），中水平板（112）下表面前后兩側(cè)設(shè)有第二豎直板（115）且上表面左右兩側(cè)設(shè)有第三豎直板（116），上水平板（113）下表面左右兩側(cè)設(shè)有第四豎直板（117），對(duì)應(yīng)的第一豎直板（114）、第二豎直板（115）通過銷軸鉸接設(shè)置，第一豎直板（114）上開設(shè)有第一弧形調(diào)節(jié)槽（118）、第二豎直板（115）上設(shè)有兩個(gè)第一擰緊螺絲（119）且兩個(gè)第一擰緊螺絲（119）穿設(shè)在第一弧形調(diào)節(jié)槽（118）內(nèi)，對(duì)應(yīng)的第三豎直板（116）、第四豎直板（117）通過銷軸鉸接設(shè)置，第三豎直板（116）上開設(shè)有第二弧形調(diào)節(jié)槽（120）、第四豎直板（117）上設(shè)有兩個(gè)第二擰緊螺絲（121）且兩個(gè)第二擰緊螺絲（121）穿設(shè)在第二弧形調(diào)節(jié)槽（120）內(nèi)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種分體式、雙模式、多尺度數(shù)字圖像全場(chǎng)變形測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，下蓋板（12）通過螺栓安裝在萬向調(diào)節(jié)支架（11）的上水平板（113）上。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種分體式、雙模式、多尺度數(shù)字圖像全場(chǎng)變形測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，下蓋板（12）、上蓋板（13）采用緊固件連接。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種分體式、雙模式、多尺度數(shù)字圖像全場(chǎng)變形測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，dic圖像采集系統(tǒng)（2）三個(gè)測(cè)量單元的轉(zhuǎn)接板（23）、數(shù)據(jù)處理計(jì)算單元（3）的微型嵌入式工控機(jī)、遠(yuǎn)程通訊傳輸單元（4）的poe交換機(jī)均通過螺栓固定在支撐結(jié)構(gòu)（1）的連接板（14）上。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種分體式、雙模式、多尺度數(shù)字圖像全場(chǎng)變形測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，擋板（15）與下蓋板（12）的擋板安裝孔采用鍵槽連接。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種分體式、雙模式、多尺度數(shù)字圖像全場(chǎng)變形測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，下蓋板（12）底部預(yù)留設(shè)置有連接外部電源的接口。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種分體式、雙模式、多尺度數(shù)字圖像全場(chǎng)變形測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，在使用2d-dic軟件時(shí)，需使用一臺(tái)測(cè)量裝置，根據(jù)與被測(cè)目標(biāo)的距離和位置，選擇測(cè)量裝置中的一個(gè)測(cè)量單元并通過萬向調(diào)節(jié)支架（11）調(diào)整裝置角度，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理計(jì)算單元（3）分析和遠(yuǎn)程通訊傳輸單元（4）傳遞后，繪制被測(cè)目標(biāo)二維場(chǎng)變形的位移圖和應(yīng)變圖，自行選擇是否進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)傳輸。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種分體式、雙模式、多尺度數(shù)字圖像全場(chǎng)變形測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，在使用3d-dic軟件時(shí)，需同時(shí)使用兩臺(tái)測(cè)量裝置并分別進(jìn)行布置，根據(jù)裝置與被測(cè)目標(biāo)之間的距離，每臺(tái)測(cè)量裝置分別選擇一個(gè)測(cè)量單元并通過萬向調(diào)節(jié)支架（11）調(diào)整裝置的視場(chǎng)，兩臺(tái)測(cè)量裝置之間的布置距離不受限制，保證被測(cè)目標(biāo)分別處在兩臺(tái)測(cè)量裝置中測(cè)量單元的有效測(cè)量視野內(nèi)，將采集得到的圖像數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程通訊傳輸單元（4）進(jìn)行傳輸，計(jì)算獲得被測(cè)目標(biāo)三維場(chǎng)變形的位移圖和應(yīng)變圖。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明是一種分體式、雙模式、多尺度數(shù)字圖像全場(chǎng)變形測(cè)量系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)和兩臺(tái)測(cè)量裝置，測(cè)量裝置包括支撐結(jié)構(gòu)、DIC圖像采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理計(jì)算單元和遠(yuǎn)程通訊傳輸單元。與現(xiàn)有的測(cè)量模式單一、測(cè)量距離受限、視場(chǎng)角度固定的一體式數(shù)字圖像變形測(cè)量系統(tǒng)相比，本發(fā)明采用分體式測(cè)量裝置，提供了2D和3D測(cè)量模式，每個(gè)測(cè)量裝置都具備獨(dú)立的二維場(chǎng)變形測(cè)量功能，可單獨(dú)使用，兩臺(tái)測(cè)量裝置組合為一套測(cè)量系統(tǒng)使用時(shí)具備三維全場(chǎng)變形測(cè)量功能；測(cè)量裝置中涵蓋了三套測(cè)量尺度不同的DIC圖像采集單元，可根據(jù)不同工程應(yīng)用場(chǎng)景需求選擇合適的測(cè)量單元并調(diào)整裝置的測(cè)量位置和角度；功能豐富、結(jié)構(gòu)緊湊、布置靈活，應(yīng)用場(chǎng)景廣，易攜帶使用。

技術(shù)研發(fā)人員：白雨濛,周俊龍,李一康,胡澍東,姚德涵,李飛,白強(qiáng)強(qiáng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)建筑第六工程局有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/28