[发明专利]一种基于数字图像识别的结构振型测试系统及方法

说明书

本发明公开一种基于数字图像识别的结构振型测试系统及方法，包括相机、靶标、桥梁、竖向加速度传感器和横向加速度传感器；相机安装于桥梁靠近桥头处；桥梁的两侧在护栏内侧分别等距安装若干靶标；竖向加速度传感器和横向加速度传感器固定安装于相机上。本发明在桥梁振动检测中避免了大量传感器的布置以及复杂的接线，节约了时间和经济成本，并且操作方便，精度较高，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于桥梁工程领域，涉及一种基于数字图像识别的结构振型测试系统及方法。

背景技术

桥梁结构振动测试及其模态参数识别对于桥梁结构安全评估和健康监测至关重要。桥梁受风载、水流、车载甚至地震激励之后，会放大与之固有频率相近的成分。实桥环境随机振动试验正是利用这一原理，通过检测和分析桥梁不同测点位置的振动位移，以获得桥梁结构模态参数，随着现代桥梁跨度的增长，对于全尺度桥梁测试，随机激励法已成为唯一可能的方法。

随机激励法传统使用接触式测量，为全面掌握桥梁振动特征，需要在桥梁结构多个部位布置传感器，成本高、周期长、数据采集分析工作量大，且各传感器间同步性和安装一致性等问题需要解决，使接触式测量受到一定限制。因此，亟待探索开发新的非接触式、高精度、低成本、易操作、具有广泛适用性且对桥梁无损的实桥振动检测系统及方法。

发明内容

为克服现有接触式测量在桥梁振动测试中的不足，本发明提出了一种基于数字图像识别的结构振型测试系统及方法，在桥梁振动检测中避免了大量传感器的布置以及复杂的接线，节约了时间和经济成本，并且操作方便，精度较高，具有广阔的应用前景。

一种基于数字图像识别的结构振型测试系统，包括相机、靶标、桥梁、竖向加速度传感器和横向加速度传感器；相机安装于桥梁靠近桥头处；桥梁的两侧在护栏内侧分别等距安装若干靶标；竖向加速度传感器和横向加速度传感器固定安装于相机上。

优选的，相机安装于相机三脚架上，相机三脚架设置于桥梁靠近桥头处。

优选的，桥梁两侧的靶标在桥梁的横桥向对应对齐，靶标平面与相机视线垂直。

优选的，本发明的测试系统还包括数据采集系统和电脑，相机、竖向加速度传感器和横向加速度传感器均与数据采集系统连接，电脑与数据采集系统连接。

一种基于数字图像识别的结构振型测试方法，采用本发明上述的基于数字图像识别的结构振型测试系统进行，包括如下过程：

相机实时拍摄包含所有靶标的图像，竖向加速度传感器和横向加速度传感器实时监测相机自身振动；

当桥梁受到随机激励产生振动时，靶标和相机随着桥梁一起振动，通过包含靶标的图像以及相机振动信息计算得到桥梁的横向振动曲线、纵向振动曲线和扭转振动曲线，实现对桥梁振动的测试。

优选的，通过包含靶标的图像以及相机振动信息计算得到桥梁的横向振动曲线、纵向振动曲线和扭转振动曲线的过程包括：

从包含靶标的图像中捕获各个靶标的中心，获得靶标中心不同时刻的像素位移，并换算为长度单位，进而获得所有靶标所在测点的横向相对振动位移和纵向相对振动位移；

将各靶标的横向相对振动位移和纵向相对振动位移与相机的横向相对振动位移和纵向振动位移单位统一，以测点相对振动位移减去相机振动引起的反向位移，获得测点的绝对振动位移；

绘制出各靶标对应测点横向时程曲线和纵向时程曲线；

利用各靶标对应测点横向时程曲线和纵向时程曲线获得各阶固有频率，并获得桥梁的横向振动幅频特性和纵向振动幅频特性；

通过桥梁同纵桥向位置处横向两个靶标测点纵向绝对振动位移计算出该测点实时扭转角度并绘制时程曲线，利用所有测点实时扭转角度和时程曲线获得各测点扭转幅频特性曲线；