一种基于数字图像处理技术的裂缝动态变化传感器论文和设计-屈战辉

全文摘要

本实用新型公开了一种基于数字图像处理技术的裂缝动态变化传感器，包括传感器本体和设置在待测量结构体表面的两只靶标，所述的两只靶标分别固定在待测量裂缝的两侧；所述的传感器本体包括机壳和设置在机壳内部的光学镜头、图像传感器、核心控制单元和处理存储单元；光学镜头瞄准靶标，核心控制单元控制图像传感器采集获取包含所有靶标在内的裂缝的图像，并将采集的数据存储至处理存储单元内进行处理。本实用新型采用图像传感器获取裂缝两侧设置的靶标的图像，通过图像处理计算得到靶标中心点之间的距离变化，即代表安装位置处的裂缝相对变化参数，具有结构紧凑、易于安装、稳定性好、测量精度高、时间响应快，适用于结构物表面裂缝的实时在线测量。

主设计要求

1.一种基于数字图像处理技术的裂缝动态变化传感器，其特征在于：包括传感器本体(9)和设置在待测量结构体表面(11)的两只靶标(8)，所述的两只靶标(8)分别固定在待测量裂缝(10)的两侧且两只靶标(8)之间的连线垂直于裂缝的走向；所述的传感器本体包括机壳(7)和设置在机壳(7)内部的光学镜头(1)、图像传感器(2)、核心控制单元(3)、处理存储单元(4)和远程通讯单元(6)；光学镜头(1)瞄准靶标(8)，核心控制单元(3)控制图像传感器(2)采集获取包含所有靶标(8)在内的裂缝的图像，并将采集的数据存储至处理存储单元(4)内进行处理。

设计方案

2.根据权利要求1所述的基于数字图像处理技术的裂缝动态变化传感器，其特征在于：所述的传感器本体还包括远程通讯单元(6)，远程通讯单元(6)在核心控制单元(3)的控制下，将处理结果传输至远端的数据中心。

3.根据权利要求1或2所述的基于数字图像处理技术的裂缝动态变化传感器，其特征在于：所述的传感器本体还包括电源管理单元(5)，用于图像传感器(2)、核心控制单元(3)、处理存储单元(4)和远程通讯单元(6)的供电控制。

4.根据权利要求1所述的基于数字图像处理技术的裂缝动态变化传感器，其特征在于：光学镜头(1)为变焦镜头。

5.根据权利要求1所述的基于数字图像处理技术的裂缝动态变化传感器，其特征在于：机壳(7)固定在裂缝(10)的前方正对靶标(8)的位置。

6.根据权利要求1所述的基于数字图像处理技术的裂缝动态变化传感器，其特征在于：图像传感器(2)为CMOS传感器。

7.根据权利要求1所述的基于数字图像处理技术的裂缝动态变化传感器，其特征在于：远程通讯单元配置4G无线网络传输模块和有线传输模块。

8.根据权利要求1所述的基于数字图像处理技术的裂缝动态变化传感器，其特征在于：靶标(8)为LED灯或发光二极管。

9.根据权利要求8所述的基于数字图像处理技术的裂缝动态变化传感器，其特征在于：LED灯或发光二极管的发光谱段为近红外波段。

10.根据权利要求1所述的基于数字图像处理技术的裂缝动态变化传感器，其特征在于：机壳(7)通过固定支架(13)固定在狭缝一侧的结构体表面(11)上。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于结构测量领域，具体涉及一种用于大型结构物裂缝测量的图像识别非接触式传感器。

背景技术

在桥梁、隧道、大坝等大型基础设施中，受到环境侵蚀、材料老化和荷载的长期作用下出现裂缝，是最为严重的病害之一。由于长时间的作用，裂缝可能进一步发展，以致引起灾难性的突发事故。实时、长期、精确测量裂缝的变化过程，对于大型设施的安全评估、健康运行和预防加固具有十分重要的意义。

目前，裂缝测量采用的方法主要包括：人工定期测量、监测仪器巡检、安装传统裂缝计长期监测。这些监测方法存在不同的缺点，人工检测效率较低，人员安全存在隐患。仪器巡检获取只能获取当时数据，且测量精度较低。安装传统裂缝计需要在裂缝两端与结构物主体连接固定，当结构体受到外力，如桥梁受车辆、大坝受到水压时，结构体就会发生形变，固定在结构体上的传感器也会变形，造成测量精度下降。在野外环境中，温湿度变化是不可避免的因素，传统的传感器由于材料本身的热不稳定性发生形变，也会造成测量精度的下降。裂缝的发展和变化与实时条件相关，传统的传感器响应速度较慢，难以获取动态的监测数据，不能反映特殊条件下裂缝的变化情况。

随着CCD成像技术和图像处理技术的发展，基于图像识别的各种传感器在位移测量、结构尺寸检测等领域得到了广泛的应用。申请号为201010240543.2的中国专利“一种隧道衬砌裂缝宽度的测量方法及装置”公开了一种隧道衬砌裂缝宽度的测量方法及装置，包括数码相机采集裂缝图像、图像灰度转换、边缘提取、最小距离计算等，这些利用图像识别测量结构物表面裂缝，可提高测量精度、响应速度、实现非接触测量、减小外部环境的影响，是解决目前测量方法存在问题的有效手段。然而，以上所研究的方法主要是针对通过接触式扫描或近距离拍摄所采集的裂缝放大图像。而隧道中，对于不能触及的高位裂缝图像，手持接触采集过程繁琐。而远距离拍摄的图像对噪声、光线敏感，严重影响图像成像质量，使后续的图像预处理变得困难复杂，有很多图像测量方法需要对裂缝处采用外置光源补光才能得到图像，此外裂缝在远距离拍摄图像中的面积占有比例比在接触式采集的图片中的比例要小得多，余留大面积复杂多变的背景图像，再加上一些边缘检测方法的缺陷，使得近照中宽大裂缝的边缘提取方法不适用，需寻找一种合适的新方法。因此，研究一种在隧道中能便捷、定量、快速、准确地测量裂缝特征值的图像检测方法以及检测系统已成为隧道工程结构无损检测领域的迫切需要之一。

实用新型内容

本实用新型提出了一种基于图像识别的高精度裂缝动态变化传感器，获取结构物表面裂缝处靶标点的光学图像，通过图像处理算法，计算得到靶标之间的距离变化来代替裂缝的宽度变化的测量，具有测量精度高、时间响应快、环境适应性强、结构紧凑、安装简便，适用于大型结构体表面裂缝的实时、长期及远程测量。

本实用新型的技术方案如下：

一种基于数字图像处理技术的裂缝动态变化传感器，包括传感器本体和设置在待测量结构体表面的两只靶标，所述的两只靶标分别固定在待测量裂缝的两侧；所述的传感器本体包括机壳和设置在机壳内部的光学镜头、图像传感器、核心控制单元和处理存储单元；光学镜头瞄准靶标，核心控制单元控制图像传感器采集获取包含所有靶标在内的裂缝的图像，并将采集的数据存储至处理存储单元内进行处理。

上述基于数字图像处理技术的裂缝动态变化传感器中，两只靶标之间的连线垂直于裂缝的走向。

上述基于数字图像处理技术的裂缝动态变化传感器中，所述的传感器本体还包括远程通讯单元，远程通讯单元在核心控制单元的控制下，将处理结果传输至远端的数据中心。

上述基于数字图像处理技术的裂缝动态变化传感器中，所述的传感器本体还包括电源管理单元，用于图像传感器、核心控制单元、处理存储单元和远程通讯单元的供电控制。

上述基于数字图像处理技术的裂缝动态变化传感器中，光学镜头为变焦镜头。

上述基于数字图像处理技术的裂缝动态变化传感器中，机壳固定在裂缝的前方正对靶标的位置。

上述基于数字图像处理技术的裂缝动态变化传感器中，图像传感器为CMOS传感器。

上述基于数字图像处理技术的裂缝动态变化传感器中，远程通讯单元配置4G无线网络传输模块和有线传输模块。

上述基于数字图像处理技术的裂缝动态变化传感器中，靶标为LED灯或发光二极管，发光谱段为近红外波段。

上述基于数字图像处理技术的裂缝动态变化传感器中，机壳通过固定支架固定在狭缝一侧的结构体表面上。

本实用新型具有的技术效果如下：

1、本实用新型在裂缝的两侧分别设置了两只靶标，采用图像传感器获取裂缝两侧设置的靶标的图像，通过图像处理计算得到靶标中心点之间的距离变化，即代表安装位置处的裂缝动态变化参数，具有结构紧凑、易于安装、稳定性好、测量精度高、时间响应快，适用于结构物表面裂缝的实时在线测量。

2、本实用新型的靶标一方面起到裂缝标识的作用，同时还用于图像传感器的照明，在黑暗的背景环境下实现CCD像机的照明补光，克服了传统图像传感器需要独立光源进行照明的缺陷，由于靶标的功耗很少，传感器可长时间应用在野外无人值守的环境下。同时靶标还可以采用发光谱段为近红外波段的LED灯或发光二极管，满足白天、黑夜等不同背景光强下的工作要求，不妨碍被测目标的日常运行。

3、本实用新型采用变焦光学镜头获取裂缝及靶标的图像，可根据安装位置来调节镜头使图像传感器获取清晰的靶标图像及成像区域，具有良好的现场适用性。

4、本实用新型采用远程通讯单元模块，可实现传感器的远程控制，数据通过4G无线网络或宽带有限网络传至数据中心，在野外环境无人值守的情况下可全天候工作，实现远程系统化管理；同时基于DSP和ARM系统开发核心控制单元和存储处理单元，使得整个系统结构紧凑，性能稳定可靠，运行效率高。

附图说明

图1本实用新型基于数字图像技术的裂缝传感器组成示意图；

图2本实用新型裂缝传感器的靶标布局示意图；

图3本实用新型传感器本体组成原理示意图；

图4为本实用新型靶标图像处理流程图；

附图标记如下：1—光学镜头、2—图像传感器、3—核心控制单元、4—处理存储单元、5—电源管理单元、6—远程通讯单元、7—机壳、8—靶标、9—传感器本体、10—裂缝；11—结构体表面；12—靶标基座；13—固定支架；15—成像区域。

具体实施方式

如图1-3所示，本实用新型的裂缝动态变化传感器，包括传感器本体9和两只等效代替狭缝变形和位移的靶标8。传感器本体9包括机壳7和设置在机壳8内部的光学镜头1、图像传感器2、核心控制单元3、处理存储单元4、电源管理单元5和远程通讯单元6。

光学镜头1瞄准裂缝两边设置的靶标8，根据测量精度和测量要求调节变焦镜头和传感器与靶标的距离获得清晰靶标图像。采用这种调节方式，提高传感器在裂缝测量中的适用性。图像传感器2采用CMOS传感器获取，其像素分辨率根据测量目标选取，传感器具有较大测量范围和较高测量精度。核心控制单元3控制图像传感器2采集靶标及裂缝的图像，并将数据存储至处理存储单元4内，处理存储单元4处理得到两只靶标8之间的距离变化值，并等效为裂缝10的动态变化参数，进行本地显示或者将处理结果通过远程通讯单元6传输至远端的数据中心直接显示裂缝参数；也可以根据现场实施状况，由核心控制单元3将采集的图像数据直接通过远程通讯单元6传输至远端的数据中心后进行图像处理、校准和裂缝动态参数的计算和显示。

如图3所示，核心控制单元3是图像识别裂缝传感器的核心单元，由DSP+ARM处理器构建，包括传感器触发和定时控制模块、图像数据的采集模块，用于控制图像的存储处理、远程指令的实施以及数据的传输，其集成度高、结构紧凑、运算效率高、稳定可靠，使得传感器具有时间响应快的特点。

处理存储单元4在核心控制单元3的控制下，将图像传感器2获取的图像存储在Flash存储器中，通过32位ARM处理器，读取存储器中的每帧光斑图像数据，并对图像灰度化处理后识别出靶标的中心位置，最后计算给出靶标位置的变化值，再等效给出裂缝宽度的动态变化参数。

远程通讯单元6用于图像、数据的传输和远程控制指令的接收。远程通讯单元6通过4G移动网络或有线宽带网接收远程控制指令，将处理完成的数据发送至远端的数据中心，实现野外环境无人值守下的远程测量。

电源管理单元5，用于图像传感器2、核心控制单元3、处理存储单元4和远程通讯单元6的供电控制。电源管理单元6由远程通讯单元6指令控制，按照测量时间要求设置和分配各加电单元的供电，降低传感器功耗。

如图2所示，两只靶标8设置在待测量结构体表面，靶标8根据裂缝特征布置在结构物指定位置，优选两只靶标之间的连线垂直于裂缝的走向，由于大型结构体上裂缝的变化表现为裂缝的扩张和收缩，故垂直于裂缝走向的靶标距离变化可等效为裂缝的宽度变化值。通常两只靶标8通过独立的靶标基座12分别设置在待测量裂缝10的两侧；靶标8为发光二极管或红外LED，发光谱段为近红外波段，满足白天、黑夜等不同光强下工作要求，不妨碍被测目标的日常运行，适用于桥梁、隧道、大型建筑等结构体在不同环境下的裂缝测量。

靶标8安装完成后，将固定支架13安装在裂缝10的一侧，在固定支架13上安装裂缝传感器本体9，固定支架13并不影响裂缝自身的变化。通过调节光学镜头焦距，确保将裂缝10和两只靶标8均包含在成像区域15内，并获得清晰图像，接入电源和远程通讯线缆，传感器进入工作状态，将裂缝测量数据发送到数据终端。传感器机壳7为铝材质，用于封装图像传感器、电源管理单元、核心控制单元、处理存储单元和远程通讯单元，同时机壳7上固定光学镜头和通讯单元接口。

如图4所示，裂缝参数的测量步骤包括参数预置、图像数据读取、图像灰度化处理、靶标光斑中心计算、裂缝等效宽度计算等，按照上述的步骤逐帧对图像传感器采集的每一帧的图像进行连续处理计算后，就得到裂缝参数的动态变化值，并将数据传送至远端的处理终端，实现无人值守测量。

参数预置主要是实现图像传感器及靶标参数的设置；参数预置完成后，ARM处理器读取存储器中的第1帧光斑图像数据，并对图像灰度化处理后识别出靶标光斑的中心位置，最后计算给出两只靶标位置参数。然后依次读取2-n帧的光斑图像数据，计算得到该帧光斑对应的两只靶标位置参数，直到完成全部光斑的图像，最后等效给出裂缝宽度的动态变化参数。

本实用新型已在隧道、桥梁表面裂缝实时在线测量中得到应用，测量精度达到0.01mm，响应频率10Hz，结构紧凑(70mm×40mm×40mm)，对于大型结构物的安全监测具有重要的意义。

设计图

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主设计要求

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设计说明书

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