[发明专利]一种高精度远程位移传感器

说明书

技术领域

本发明属于力学测量技术领域，涉及一种可用于桥梁、大坝、结构件等目标的位移和形变测量装置，特别是一种远程测量的位移传感器。

背景技术

桥梁、大坝、结构件等目标的变形主要包括静态变形和动态变形，静态变形是指地基下陷、倾斜和应力松弛等变化很慢的变形，动态变形是指由于风、温度、地震及交通负载引起的短期变形，其参数监测对于目标的安全评估分析具有重要的作用。世界上很多国家都投入了很大的人力物力，进行桥梁变形测量技术的研究。

传统的桥梁变形检测的仪器有百分表、千分表、加速计、水准仪、经纬仪等。目前，这些仪器在桥梁验收、定期检测中仍然广泛使用，但是需要专业技术人员，费时、费力，人为误差大，远远不能实现在线、实时、自动、智能测量。近年来，信息技术的蓬勃发展大大带动了桥梁变形测量技术的发展，涌现了许多新技术和新方法，比如激光挠度法和GPS(Global Position System)定位测量法。激光挠度仪能实现亚毫米的位移测量，但是量程仅能达到数十厘米，不能满足跨距较大的用于桥梁大变形的测量，其垂直位移可达米级；GPS定位测量法可实现实时在线测量桥梁的大变形，但是其精度智能达到厘米级，且费用高昂，限制了其推广应用。

自从70年代末期固体图像传感器出现以来，国内外有不少学者以CCD等图像传感器为媒介，将图像处理技术用于桥梁、混凝土梁变形测量的研究。申请号为200820241096.0的中国专利“一种基于机器视觉的桥梁动位移测量装置”公开了一种通过激光源和CCD结合测量大桥动态变形的测量装置，通过在桥梁远端用CCD记录大桥变形过程中激光光束的位置变化，计算得到大桥的变形参数。目前这类位移传感器存在的主要问题是：CCD图像传感器需要与准直激光器联合使用，增加了系统的复杂性。

发明内容

本发明提出了基于图像传感器的高精度远程位移传感器，通过光学成像的方法，监测桥梁等目标上的靶标点位置随时间变化参数，并经过分析计算得到目标的位移，具有二维实时测量、精度高、测量范围大，很适合长期、在线、多点和自动测量。

本发明的技术内容如下：

一种高精度远程位移传感器，包括光学镜头、图像传感器、核心控制功能单元、处理存储单元、触发控制单元和远程通讯单元；

光学镜头瞄准被测量目标上设置的靶标；

图像传感器为CCD或CMOS传感器，用于获取被测量目标的图像；

触发控制单元用于提供远程位移传感器所需的触发信号；

远程通讯单元与处理存储单元联接，用于图像数据的远程发送；

处理存储单元与核心控制功能单元相联，用于图像数据的存储和处理；

核心控制功能单元包括触发信号检测模块、目标靶模板加载及规格化模块、图像数据采集模块、图像灰度化及缩放模块和目标图像匹配检测模块；

目标靶模板加载及规格化模块事先根据靶标的特征建立目标靶模板，并对目标靶模板进行缩放和旋转处理，获得匹配模板组数据，并将其存储在处理存储单元的Flash存储器内；当触发信号检测模块接收到触发信号后，图像采集模块获取图像传感器数据，经过图像灰度化及缩放模块运行处理后，得到与靶标图像相适应的数据格式；在目标图像匹配检测模块内将靶标特征模板组数据与处理后的图像传感器数据进行匹配检测，并根据检测结果计算出位移参数，最后由远程通讯单元传出。

上述高精度远程位移传感器中，目标图像匹配检测模块包括目标图像粗略匹配单元、目标图像精确匹配单元和结果判定单元，其中：

目标图像粗略匹配单元将图像灰度化及缩放模块处理后的图像划分为若干个区域，并将靶标模板组数据与图像的各个子区域数据进行相关性计算，粗略判断得到靶标图像存在的热点区域；

目标图像精确匹配单元将热点区域内图像数据与靶标特征模板数据逐像素进行相关性计算，判断得到靶标所在的图像位置；

结果判定单元处理得到靶标的坐标信息，并计算得到靶标的位移值。

上述高精度远程位移传感器中，靶标为目标对象上的一个特定图案或连续工作的加电靶标。

上述高精度远程位移传感器中，加电靶标为排成一定形状的LED或LD灯带。

上述高精度远程位移传感器中，处理存储单元包括Flash存储器和32位ARM处理器。

上述高精度远程位移传感器中，远程通讯单元为无线GPRS系统或3G无线网络传输模块。

上述高精度远程位移传感器中，光学镜头为变焦距镜头。

上述高精度远程位移传感器中，核心控制功能单元由DSP构建。