專利名稱：一種雙顯微數(shù)字散斑應(yīng)變測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變的測量方法，尤其是應(yīng)用光電子技術(shù)的應(yīng) 變測量方法。
背景技術(shù)：
在我國眾多公路網(wǎng)中，存在成千上萬大大小小的在役橋梁需要進(jìn)行安全檢
測。同時每年都有大量新建橋梁需要通過質(zhì)量安全驗(yàn)收。目前，雖然已經(jīng)有X 射線、CT、超聲波探測及在構(gòu)件內(nèi)埋設(shè)光纖等檢測手段對建筑物關(guān)鍵部位的應(yīng) 力、應(yīng)變進(jìn)行檢。然而，由于測試量大，測試成本高，許多技術(shù)在工程現(xiàn)場難 于實(shí)現(xiàn)，以至于目前仍然大量采用貼應(yīng)變片一類傳統(tǒng)電測檢測手段對橋梁的承 載能力進(jìn)行測試。由于該方法需要在大型橋梁上布置成百上千的測試點(diǎn)進(jìn)行維 護(hù)調(diào)試測量,從而使得檢測周期長，檢測費(fèi)用高，需要浪費(fèi)大量的財(cái)力、人力、 物力，對于在役橋梁的安全檢測更是無法展開。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種雙顯微數(shù)字散斑應(yīng)變測量方法，其 檢測周期短，資源耗費(fèi)量少；檢測費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)效益可觀；實(shí)施方便，便于廣 泛應(yīng)用。
解決本發(fā)明的技術(shù)問題所釆用的方案是將兩個為一組的帶顯微鏡頭的 CCD裝于固定平臺上，測量時在被測物表面制作散斑場，由雙CCD同步釆集 被測物兩點(diǎn)間標(biāo)距內(nèi)的受載前、后的散斑圖像，傳輸入PC機(jī)中由相關(guān)處理軟件 進(jìn)行運(yùn)算，得到被測物的力學(xué)參量。
本發(fā)明的技術(shù)方案還包括顯微鏡的鏡簡上帶有調(diào)焦裝置，它由鏡簡上組 裝的調(diào)焦導(dǎo)軌和調(diào)焦手輪連接而成，可方便地調(diào)整焦距，在CCD上獲取被測點(diǎn) 的最佳圖象；當(dāng)對建筑構(gòu)件進(jìn)行測量時，CCD的固定平臺須與待測構(gòu)件成一個 統(tǒng)一體，可以消除震動對測量精度的影響。
本發(fā)明雙顯微數(shù)字散斑應(yīng)變測量方法中所涉及的數(shù)字散斑相關(guān)運(yùn)算的基本 思想是由CCD攝像機(jī)記錄被測物體變形前后的兩幅散斑圖，經(jīng)計(jì)算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換 得到兩個灰度場，在變形前物體表面某點(diǎn)尸的灰度場為P(x，力，在變形后物體 表面的灰度場為P0c + ",y + v)，其中"、v為變形位移量?，F(xiàn)在的問題將變形測 量問題轉(zhuǎn)化為兩個灰度場的相關(guān)搜索和相關(guān)識別的數(shù)值計(jì)算過程來實(shí)現(xiàn)物 體變形中位移量"和v的測量。在作相關(guān)運(yùn)算時，首先在變形前的散斑場中選 定一個子集區(qū)A作為測量的參考子區(qū)域。然后，在變形后的散斑場中搜索與參
考子區(qū)域相對應(yīng)的子集B，子集大小為mxm像素。根據(jù)概率與統(tǒng)計(jì)理論，兩子 集相關(guān)系數(shù)定義為
若兩子集完全相關(guān)，^笑系、為c-l，若m相關(guān)系數(shù)會有所下降，測 量中通過相關(guān)搜索找到相關(guān)系數(shù)C最大值時對應(yīng)的變形量即為要求的實(shí)際變形 位移量。按照上述數(shù)字散斑相關(guān)方法的基本思想完成散斑相關(guān)處理軟件的編寫， 測量中只需將橋梁受載前后所釆集到的兩幅散斑圖通過軟件計(jì)算，便可得出橋 梁因受載變形而產(chǎn)生的位移量。
由材料力學(xué)可知材料因受力而產(chǎn)生的應(yīng)變量5 =，，其中丄為材料的 原長，M為材料在受力過程中材料的伸長或壓縮量。本發(fā)明中假設(shè)材料受
力前材料上某點(diǎn)P的標(biāo)為&，材料上距離P點(diǎn)長度為丄的另一點(diǎn)0點(diǎn)的坐為 A,顯然有丄=^_^。材料受力變形后尸點(diǎn)坐標(biāo)移至:co ,位移變化量
Ax0 = x'o - x。 ； 0點(diǎn)坐標(biāo)移至X'i，位移變化量Aj^ = x、 - ^ 。則在標(biāo)距為 丄的長度范圍內(nèi)材料因受力而伸長或壓縮量為A丄=Ax, - A;c。，材料長度丄
內(nèi)的平均應(yīng)變量^ = ^^。本發(fā)明一種雙顯微數(shù)字散斑應(yīng)變測量方法中
兩CCD之間的距離是固定的，其標(biāo)距為丄。因此，只要通過數(shù)字散斑測量軟件 計(jì)算出每個CCD受載前后因變形而產(chǎn)生的位移量Ax ，便可通過相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算 對橋梁構(gòu)件的應(yīng)變、應(yīng)力、彈性模量相關(guān)力學(xué)量進(jìn)行測量，從而對橋梁結(jié)構(gòu)的 安全性能做出快速評估。
本發(fā)明的有益效果是
① 檢測周期短，資源耗費(fèi)量少。該方法只需在檢測橋梁的關(guān)鍵部位架設(shè)雙 CCD圖像釆集裝置在橋梁受載前后釆集相應(yīng)的散斑圖像即可實(shí)現(xiàn)檢測，因此檢 測周期短，只需短短幾天即可完成檢測任務(wù)。而傳統(tǒng)電測法則需在橋梁剛開設(shè) 架設(shè)時就要進(jìn)行應(yīng)變片的貼放及線路的布置，直到橋梁架設(shè)完畢，因此其檢測 周期往往需要花費(fèi)幾個月甚至更長的時間，耗費(fèi)的人力、物力較大。
② 檢測費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)效益可觀。傳統(tǒng)電測法對于一座中型橋梁的檢測費(fèi)用 大概在50 60萬左右，而對于大型、特大型橋梁的檢測費(fèi)用則需要上百萬。本 發(fā)明對于一座中型橋梁的檢測費(fèi)用大概只需要10萬元左右，而對于大型、特大 型橋梁其檢測費(fèi)用不會超過50萬。因此，該方法所帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益 不可估量。
③ 實(shí)施方便，便于廣泛應(yīng)用。該方法不僅能對新建橋梁進(jìn)行檢測，還能廣 泛用于在役橋梁的安全檢測，這是目前傳統(tǒng)檢測手段所力所不及的地方。
④測量精度和靈敏度較高。在測量形變位移量時，其測量精度可以達(dá)到0.4 個微應(yīng),即微米數(shù)量級。
綜上所述，本發(fā)明所采用的方法有效地克服了目前橋梁檢測中釆用的電測 法所帶來的檢測周期長、耗費(fèi)資金量大，以及對于在役橋梁的檢測無從開展等 不利因素的影響，同時也克服了近幾年來所出現(xiàn)的一些較為先進(jìn)的檢測手段不 能在橋梁檢測中得以廣泛應(yīng)用這一尷尬局面。本發(fā)明為橋梁建筑安全檢測部門 提供一種高效檢測方法，在為橋梁檢測部門節(jié)省大量財(cái)力、人力和物力的同時 還可以大大提高橋梁檢測部門對于新建和在役橋梁的安全檢測效率。


圖1是本發(fā)明的CCD顯微鏡測量裝置示意圖； 圖2是大型建筑構(gòu)件現(xiàn)場實(shí)測裝置布置圖； 圖3是普通構(gòu)件的實(shí)測示意圖； 圖4是金屬絲實(shí)測示意圖。
圖中各標(biāo)號依次表示CCD固定平臺1、 CCD2、調(diào)焦導(dǎo)軌3、調(diào)焦手輪4、 鏡簡5、顯微鏡頭6、橋面固定螺拴7、測量橋面8、多通道圖像釆集卡9、 PC 機(jī)IO、數(shù)據(jù)采集信號線ll、電源線12、力學(xué)實(shí)驗(yàn)加載架13、有機(jī)玻璃試件14、 金屬絲15、砝碼16。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施l:對大型橋梁構(gòu)件微應(yīng)變的測量。如附圖2所示，將兩個為一組的 帶顯微鏡頭6的CCD2裝于固定平臺l上，根據(jù)測量的需要設(shè)置多組這樣的雙 顯微CCD數(shù)字檢測裝置，再把CCD 2的固定平臺1與測量橋面8用橋面固定 螺拴7連接成一個統(tǒng)一體。在測量橋面8上噴油漆制斑構(gòu)成相關(guān)性能較好的散 斑場，調(diào)整鏡簡5的調(diào)焦手輪4，達(dá)到最佳圖象效果，由雙CCD2同步釆集被 測物兩點(diǎn)間標(biāo)距內(nèi)的受載前、后的散斑圖像，通過多通道圖像釆集卡9將數(shù)據(jù) 傳輸入PC機(jī)10中，由相關(guān)處理軟件進(jìn)行運(yùn)算，就可得到被測物的力學(xué)參量。
實(shí)施2:對有機(jī)玻璃試件微應(yīng)變的測量。如附圖3，有機(jī)玻璃加工成標(biāo)準(zhǔn)試 件，有機(jī)玻璃試件14噴油漆制斑構(gòu)成相關(guān)性能較好的散斑場；試件另一端貼應(yīng) 變片。試件、雙顯微數(shù)字散斑應(yīng)變裝置同置于力學(xué)實(shí)驗(yàn)加載架13上作拉伸實(shí)驗(yàn)， 實(shí)驗(yàn)中用雙顯微數(shù)字散斑應(yīng)變測量方法和電測法對試件拉伸過程中微應(yīng)變進(jìn)行 比較測量，其測量結(jié)果完全趨于一致。
實(shí)施3:對有機(jī)玻璃試件微應(yīng)變的測量。如附圖4所示，與上述實(shí)例方法 相同，將本發(fā)明雙顯微數(shù)字散斑應(yīng)變測量方法和光杠桿測量方法在每次增加載 荷0.5kg砝碼的載荷下同步測量金屬絲彈性模量,所測金屬絲彈性模量相對誤差 小于3%。。
權(quán)利要求
1、一種雙顯微數(shù)字散斑應(yīng)變測量方法，其特征是將兩個為一組的帶顯微鏡頭的CCD裝于固定平臺上，測量時在被測物表面制作散斑場，由雙CCD同步采集被測物兩點(diǎn)間標(biāo)距內(nèi)的受載前、后的散斑圖像，傳輸入PC機(jī)中由相關(guān)處理軟件進(jìn)行運(yùn)算，得到被測物的力學(xué)參量。
2、 按權(quán)利要求l所述的雙顯微數(shù)字散斑應(yīng)變測量方法，其特征是顯微鏡的鏡簡上帶有調(diào)焦裝置。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的雙顯微數(shù)字散斑應(yīng)變測量方法，其特征是 對建筑構(gòu)件測量時，CCD的固定平臺須與待測構(gòu)件成一個統(tǒng)一體。
全文摘要
一種雙顯微數(shù)字散斑應(yīng)變測量方法。本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變的測量方法，尤其是應(yīng)用光電子技術(shù)的應(yīng)變測量方法。本發(fā)明是將兩個為一組的帶顯微鏡頭的CCD裝于固定平臺上，測量時在被測物表面制作散斑場，由雙CCD同步采集被測物兩點(diǎn)間標(biāo)距內(nèi)的受載前、后的散斑圖像，傳輸入PC機(jī)中由相關(guān)處理軟件進(jìn)行運(yùn)算，得到被測物的力學(xué)參量。本發(fā)明檢測周期短，資源耗費(fèi)量少；檢測費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)效益可觀；實(shí)施方便，便于廣泛應(yīng)用。同時，該方法還可用于其它大型建筑諸如房屋、大壩等安全性能的檢測和評估。
文檔編號G01B9/04GK101182989SQ20071006597
公開日2008年5月21日 申請日期2007年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月19日
發(fā)明者吳加權(quán), 琨 馬 申請人:昆明理工大學(xué)