非接触光学方法测地震台三维位移

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地震台试验

设备方案

1、试验的目的和要求

试验的目的主要是：地震模拟振动台子结构试验方法与技术的研究，以及结构抗震混合试验方法与技术的研究，结构抗震试验方法、结构振动控制和结构智能健康监测等

振动台模型试验主要从宏观方面研究结构地震破坏机理、破坏模式和薄弱部位，评价结构整体抗震能力并衡量减震和隔震效果。

振动台模型试验是目前所有试验方法中最为直接的试验方法，在试验中能详细地了解结构在大地震的作用下的抗震性能，对构件的破坏机理有直观的了解。另外，振动台模型试验往往是评估新型结构、超限结构以及具有隔震、减震装置结构等抗震性能的重要手段。

结构振动台模型试验是研究结构地震破坏机理和破坏模式、评价结构整体抗震能力和衡量减震、隔震效果的重要手段和方法。然而，由于振动台本身承载能力、试验时间和经费等的限制，许多时候必须做缩尺模型试验，在坝工模型和高层、超高层建筑中更是如此。

一些新型结构形式，由于其超出了设计规范的要求，往往需要通过实验对其抗震性能做合理的评估。超高层建筑和超大跨度建筑，在理论分析还不完善的情况下试验，特别是振动台模型试验，是分析其抗震能力的一种有效手段。

一些劲性钢筋混凝土结构、钢管混凝土结构和其他一些新型结构的动态相似关系的研究是振动台试验较好地体现了模型的抗震性能的印证。

振动台试验是目前并可能在将来的一段时间内解决结构在地震作用下的非线性反应和倒塌机理比较有效的手段。

试验的要求是：对于日益增多的超限高层、超高层建筑，振动台试验是衡量其抗震能力的一种重要手段，提出了下列一些主要建议：为满足我国现阶段结构抗震设计所要求的——小震不坏，大震不倒的要求，混凝土结构抗震模型应考虑弹性阶段及极限状态的动力相似关系。对于高层建筑结构模型，由于模型缩尺较小，应重点考虑构件断面上弯矩、剪力和轴力的相似关系，从构件层次和层间层次上满足模型与原型的相似关系。对于不同介质组成的体系，例如流体-固体耦合体系、土结构相互作用体系，两种介质应满足一致的相似关系。模型的质量分布及刚度分布特性要与原型一致。

2、试验测量设备需求

    越来越多的结构抗震控制装置被安置到结构中，比如TMD系统,AMD系统等。对这些系统的试验验证和数字模拟显得越来越重要。在振动台试验的新方法方面进行了一些研究，指明了振动台试验和数值模拟相结合的杂交试验是未来的发展方向。杂交试验的核心是整个结构的一部分做振动台试验，其余部分做数值模拟试验，考虑了这两部分结构的相互作用。该试验方法最重要的是要保持质量比(试验部分质量/计算部分质量)尽可能的低。该方法在验证TMD,AMD等结构控制系统在模拟动态荷载条件下的性能方面具有明显的优点,在不更换硬件(AMD系统等)设置的情况下可以试验不同特性的主结构的性能。

在目前的振动台试验中,位移的测量往往采用接触式测量方法(各种位移计等)或由加速度积分得到。接触式位移测量方法在大位移、大变形或者断裂、倒塌试验中的应用受到限制,加速度积分法受传感器的位置和数量限制。

而采用三维光学动态变形与运动测量系统设备，在结构上布置一些发生器就可以测量。      

动态变形测量系统基于双目立体视觉技术，采用两个高速摄像机实时采集被测物体各个变形阶段的图像，利用准确识别的标志点（包括编码标志点和非编码标志点）实现立体匹配，重建出物体表面点的三维空间坐标，计算得到物体的变形量。该方法具有精度高、速度快、易于操作、非接触以及全场数据测量的特点。

2.1 系统主要技术指标为：

	指标名称	技术指标
1	核心技术	工业近景摄影测量
2	测量结果	参考点三维坐标、全场位移及轨迹姿态
3	测量相机	支持百万至千万像素相机，支持低速到高速相机，支持千兆网和Camera  Link等多种相机接口
4	相机标定	支持任意数目相机的同时标定，支持外部图像标定
5	位移测量精度	0.01pixel
6	测量模式	兼容二维及三维位移测量
7	实时测量	采集图像的同时，实时进行位移计算
8	多测头同步测量	支持多相机组同步测量
9	标志点类型	支持10、12、15位编码点，支持黑底白点、白底黑点，更多类型可定制
10	64位软件	软件采用64位计算，速度更快
11	系统兼容性	支持32位和64位Windows操作系统

系统技术指标表

2.2 主要硬件如下：

三维动态变形测量系统

系统主要由测量头、采集控制箱、移动支撑架、计算机、检测分析软件等组成

3、测量设备主要功能

    系统采用两个高速摄像机实时采集被测物体各个变形阶段的图像，利用准确识别的标志点（包括编码标志点和非编码标志点）实现立体匹配，重建出物体表面点的三维空间坐标，计算得到物体的变形量，测量结果三维彩色显示。

3.1 基本测量功能：

    （1）测量幅面：支持几十毫米到几米的测量幅面，根据需求可定制更  

     多测量幅面。

（2）测量相机：支持百万至千万像素相机，支持低速到高速相机，支持千

     兆网和Camera Link等多种相机接口。  

（3）相机标定：支持多个相机多种测量幅面的标定，支持外部拍摄图像

         标定。

    （4）测量模式：同时支持单相机二维测量和多相机三维测量。

（5）实时测量：采集图像的同时，可以实时进行三维全场计算，在线和

         离线两种处理模式。

（6）计算模式：具备自动计算和自定义计算两种模式。

（7）测量结果：全场三维坐标、位移等动态变形数据

    （8）多个检测工程：系统软件支持多个检测工程的计算、显示及分析。

（9）支持系统：支持32位、64位windows操作系统，具备64位计算和多

     线程加速计算功能。相机标定：软件具备相机自标定功能，支持多种

     相机镜头畸变模型。

    （10）计算模式：具备自动计算和自定义计算两种模式，方便用户灵活操作。

（11）标志点类型：支持10、12、15位编码点，支持黑底白点、白底黑点，

      更多类型可定制。

（12）显示设置：三维显示可灵活设置，包括颜色，尺寸等，可显示相机三

          维位置。

3.2 变形测量功能：

（1）参考模式：基准状态可任意设置，可以是首个状态或者中间状态。

（2）对齐模式：支持ID转换、相对关系转换、手动转换等多种状态对齐模

     式。

（3）搜索深度：支持任意指定标志点搜索半径及搜索深度，提高标志点追

     踪稳定性。

    （4）分析模式：支持多观察域分析，观察域自由选择。

    （5）测量结果：包含X，Y，Z三维位移分量及总位移E。

（6）结果显示：位移测量结果在三维视图和图像中以射线和色谱形式绘制，

    真实表达 三维点的变形与运动，显示效果可灵活设置。

3.3采集控制功能

（1）采集控制箱实现测量头的控制、多个相机的同步触发、多路模拟量和

     开关量数据采集、输入和输出信号控制。

（2）A/D采集：模拟量输入采集，A/D采集的量程由软件控制，可选量程：

     ±10V、±  5V、±2.5V、0～10V。

（3）多种外部触发信号类型选择：模拟信号、TTL电平、光电隔离、差分

      输入，模拟信号电平可选择：+10V、+5V、0V、-5V、-10V。

（4）激光器控制：控制激光器。

（5）相机同步控制：多相机外同步触发信号。

（6）光源控制：可选控制LED光源。

3.4 设备在土木工程中的应用范围

    （1）实时测量物体变形、运动和振动的三维信息

    （2）验证理论研究和数字仿真的结果

    （3）动力学测量，结构震动频率可达250Hz

    （4）载荷实验、蠕变实验和疲劳实验（复杂机构和弹性零件）

4、设备在地震台方面应用的典型案例

4.1 某知名大学地震试验

现场被测物体实物图

现场贴标志点图

现场标定板校准实物图

某知名大学地震试验数据处理

标志点在计算过程中显示的效果

选择标志点来计算数据

各个标志点计算得到的参数

根据计算得到的X位移数据

计算得出的Y位移数据

计算得出的Z位移数据

计算得出的E位移数据

4.2 某知名大学地震试验

真实房屋缩小模型

三维光学动态变形测量系统现场布置图

实验结果

软件界面图和实验数据

EL Centro波其中一个状态的计算结果（三维动态变形测量数据）

C11工况 Taft波整体与传感器结果对比图

C11工况 Taft波与传感器结果对比局部放大图

5、系统主要硬件参数（常规配置）

序号	项目	配置	数量	备注
1	测量头	2个工业相机（200万像素）；    2个相机镜头（12mm）；    2个集成LED光源（冷白6500K）；    2个集成激光指示器；    2个柔性万向轴臂；    1套标准型系统机架（500mm）；	1套
2	检测分析软件	三维光学动态变形与运动测量系统软件安装光盘1套；    软件使用手册1套；    软件加密狗一只	1套
3	采集控制系统	系统控制箱1套；    5m数据传输线1套；	1套
4	标定板	400mm×300mm编码型标定板1套；	1套
5	移动支撑	三维云台1套；    重型架1套；    或便携式三角架1套；	1套
6	计算机		1套
7	系统附件	系统专用工具1套	1套

苏州西博三维科技有限公司

吕红明   13812688974

frogfish

看着很牛