[发明专利]一种基于计算机视觉的拉索分布应力在线监测方法

说明书

一种基于计算机视觉的拉索分布应力在线监测方法，具体实施步骤如下：A.架设两个高速摄像头并进行摄像参数调试；B.测区三维构建、系统标定及系统初始化设定；C.三维目标特征点抽取和三维空间模型形变计算；D.拉索测区位置应力自动在线监测与实时存储。

技术领域

本发明涉及到使用视觉传感器和数字图像处理方法对各种荷载作用下拉索的应力状态进行在线监测。

背景技术

钢拉索是大跨桥梁(如斜拉桥、悬索桥和拱桥等)结构的重要承力构件，其受力状态直接影响到整个桥梁结构的适用性和安全性。拉索结构在其张拉施工及桥梁运营过程中，由于材料性能、施工状况和环境条件因素等影响，会发生应力损失或应力过大，从而导致拉索预应力水平超出预设安全范围，整个桥梁结构的安全性受到威胁。由拉索应力状态异常导致的桥梁结构性损伤容易引发安全事故，这在桥梁施工和运营阶段是不允许的。对钢拉索的索力进行监测已经成为结构健康监测领域中的一项重要任务。但是，到目前为止钢拉索的索力精确监测还是一项极具挑战性的任务。

对于拉索的应力状态监测，传统的测量方法主要包括接触式应力测量方法和非接触式应力测量方法两种，以下针对其分类进行相关评述。

1、接触式拉索应力测量方法：

(1)基于应变式压力环的拉索索力监测方法·。应变式压力环是利用结构及材料力学相关原理将压力环产生的变形换生成其受到的压力进而评估拉索所受拉力的传感器。实际应用当中需要将压力环安装在拉索锚固端的锚具和锚垫板之间，拉索在受拉过程中会带动锚具，使得压力环被紧夹在锚具和锚垫板之间。由力的平衡与传递关系可以得出压力环所受的压力就是拉索在端部的受力状态。这种拉索应力监测方法只针对拉索端部的应力状态，而对于超长斜拉索来讲，由于在重力作用下拉索因为垂度效应其应力分布不均匀，所以这种方法不能对拉索的整体应力状态进行全面评估。由于压力环一般是通过电压信号的形式进行传输和存储，其传输距离受到限制。并且应变式传感器容易受到噪声干扰，导致索力监测产生较大误差。另外，由于拉索索力的不断变化会导致受压状态下的压力环容易发生破坏和失效，压力环本身的寿命会受到很大的影响，而对压力环进行更换又相当麻烦。

(2)基于振动频率的拉索索力监测方法。这种方法是目前桥梁拉索检测当中应用最为广泛的一种方法。通过在拉索上安装加速度传感器，对拉索在人工激励或环境激励下的振动状态进行测量，采用频谱分析方法可以得到拉索的振动频率。利用拉索索力与其振动频率的关系就可以对拉索的索力进行识别。但这个关系对于拉索的边界条件和其自身刚度非常敏感，对拉索边界条件和其自身刚度的简化不准确容易导致索力测量失准。另外，由于频谱分析需要取一段时间的加速度时程信号进行频域分析，所以不能对拉索索力进行实时在线监测。

(3)基于光纤光栅应变传感器的拉索索力监测方法。这种方法需要将光纤光栅传感器粘贴在拉索钢丝表面或者钢丝内部孔道当中。拉索受到拉力后会发生变形，由于光纤光栅与钢丝紧密接触，可以通过光纤光栅产生的应变对拉索的应变状态进行评估。通过材料力学中应力应变关系可以计算拉索的应力状态。这种拉索应力监测方法对于工艺水平要求较高，光纤需要进行特殊保护且光纤与钢丝之间需要紧密接触。光纤与钢丝之间的粘结紧密程度直接影响到拉索与光纤的之间的应变传递，从而影响拉索的应力监测。

2、非接触式拉索应力测量方法：

(1)基于磁通量传感器的拉索应力监测方法。这种方法是利用铁磁材料的逆磁致伸缩效应，通过监测拉索在受力作用下的磁场参数变化来反推拉索的应力状态。磁通量传感器在进行索力监测的过程中，传感器容易受到电磁环境的干扰，导致测量出现较大的噪声和误差。另外传感器易受温度变化影响，目前的温度补偿技术并没有很好的解决由于温度变化带来的误差。

(2)基于超声导波的拉索应力监测方法。这种方法是在拉索一端发射超声导波，另一端对导波进行收集，通过导波变化分析可以对拉索的应力进行识别。但是目前这种监测方法正处于研究阶段，其易受电磁干扰的特点以及导波与应力、材料几何形状等之间的复杂非线性问题直接影响了该方法的推广应用。