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1、中国地震局工程力学研究所 硕士学位论文 基于数字图象处理技术的光学位移测量方法的研究 姓名：张涛 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术及仪器 指导教师：杨学山 2011-05 摘 要 I 摘 摘 要要 振动位移测量是工程建筑结构健康监测的重要手段之一，尤其对于多自 由度地震模拟试验和长、大、高、柔结构的相对位移测量更具有特殊意义。 现有的工程测振传感器，多属于惯性式结构，接触式测量。振动位移一般通 过速度的一次积分或加速度的二次积分获得，难免存在一定误差；此外，这 类传感器对于小型模型试验，易带来质量效应；对多自由度振动测量，转动 影响严重。据此现状，本文提出设计了一种基于数字图像处理技术的
2、光学相 对位移测量方法和系统。克服了一般惯性式振动传感器存在的缺点。本文的 研究工作和主要成果包括以下几个方面： 1.通过资料查询和文献整理，深入了解和分析了现有工程测振领域的研 究现状；列举了主要的测量方法以及所使用的相关传感器的工作特性；指出 了位移测量中，现有惯性式、接触式传感器存在的一些问题。 2.对光学测量方法的进行了深入研究，提出了一种基于数字图像处理技 术的光学位移测量方法；依据该测量方法，设计并实现了一套适用于振动台 以及大型结构位移测量的光学测量系统。 3.验证了该光学系统的工程实用性和测量精度。先后进行了计算机模拟 仿真试验；在小型振动台进行了该系统与 941B 拾振器的振
3、动比测，取得了 理想结果。 4.该光学位移测量系统在大型桥墩静力试验的位移测量中得到应用，测 量结果与拉线式位移计测得的数据一致。 5.对测量数据和波形进行了仔细研究，给出了该测量系统的技术指标和 一些亟待解决的问题；结合这些问题，为未来实现大型结构的多摄像头、多 维度测量系统奠定了一定基础。 本文设计的基于数字图像处理技术的光学位移测量系统具有结构简单、 成本低、 测量精度高等特点。 该测量系统将有效的改进现有的位移测量方式， 为工程振动测量提供了一种新仪器。 关键词：关键词：数字图象处理；光学测量；位移测量；振动测量 ABSTRACT II ABSTRACT Vibration displ
4、acement measurement is an important aspect of engineering and construction health monitoring, Especially, it is significant for multidimensional simulation tests of earthquake and long, big, high, soft structures. Most of existing engineering vibration sensors are designed by inertia theory, and the
5、y only could used in contact measurement. The vibration displacement was figured out by general by integration of the speed or double integration of acceleration, but there is some inevitable error, In addition, these sensors are easy to bring mass effect in small-scale model test; and they take ser
6、iously affected in multidimensional of random vibration measurement. Accordingly these situations, this paper propose a design about a optical relative displacement measurement methods and system, which are base on digital image processing technology. And it overcome the shortcomings of general iner
7、tia vibration sensors. In this paper, the main research work and results as following: 1. After researching the literature, we have analysed existing research situation of engineering vibration measurement, and we have summarized the work characteristics of main measurement methods and sensors, than
8、 we have pointed out some problems of the contact- inertial- type sensor. 2. Advance an optical displacement measurement method which is based on digital image processing technology. And this optical displacement measurement System of fit the scale of vibration table and large-scale structure. 3. We
9、 have made a computer simulation test for this measurement system. Then we have had a compare experiment whit 941B sensor in the vibration table measurement and achieved satisfactory results. 4. This optical displacement measuring system have had an application in the displacement measuring of large
10、 pier static test, The measurement results was similar with the displacement meter. 5. After careful studied of waveforms and measurement data, we have given the technical specifications of the measurement system and have pointed out some problems which will be research in the future. By doing this,
11、 we have established some foundation about the realization of large-scale structure measure using multi-camera or multi-dimensional measurement system using a single camera. This optical displacement measurement in this paper, which is based on digital image processing is simple, low cost and accura
12、cy. It will effectively improve the existing displacement measurement. And our design will provide a new instrument for engineering vibration measurement. Key words: digital image processing, optical measurement, displacement measurement, vibration measurement 独 创 性 声 明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立
13、进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果， 也不包含为获得中国地震局工程 力学研究所或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示谢意。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 签字日期： 学位论文版权使用授权书 本人完全了解中国地震局工程力学研究所有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权中国地震局工程力学研究所可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数
14、据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文，允许被查阅和借阅。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书) 论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 签字日期： 第一章 绪 论 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 选题目的及意义选题目的及意义 振动是自然界中一种普遍存在的物理现象。小到分子原子，大到整个地 壳，每时每刻都在不断地振动。在工程领域，振动可以定义为一切运动机械 以及承受动态载荷的工程结构所具有的运动现象。振动信号中包含着机械及 结构的内在特性和运行状况的信息 1。但是振动对于结构体大多是有害的， 剧烈的振动往往会使结构体产生裂纹等不良现象，长时间或能量巨大
15、的振 动，会导致整个结构的疲劳破坏甚至毁灭 2。因此，振动测量已成为了目前 工程测量的主要研究和应用方向之一。如车辆、飞机等交通工具的振动；车 床、电机等生产设备的振动；以及厂房、桥梁等土木结构的振动等，都是工 程振动测量的目标。尤其是随着社会的快速发展，高、大、柔型建筑成为城 市建筑发展的主要趋势 3，如高层建筑、大型桥梁、水库大坝等。不良振动 对于此类建筑的影响更为严重，其损失也更为巨大，如 1940 年风振动引起 美国 Tacoma 大桥垮塌等事故 4，都造成重大生命和财产损失。因此，这就 要求我们要建立和加强对此类建筑物的长期和实时的监控测量系统，确保该 类建筑物的正常工作。 图1-1
16、 桥梁垮塌现场 现有的结构振动测量方法根据测量的物理对象不同，可以分为加速度测 量、速度测量和位移测量三种。测量时，所采用的测量传感器对应的分为加 速度传感器、速度传感器以及位移计。在工程测振中，我们通常将它们统称 为拾振器。拾振器为传感原件，一般采用换能原理，即将速度、加速度、位 移等物理量的变化转化为电信号的变化，然后通过 AD 转化为数字信号，最 后通过计算机进行相关的信号处理和分析，如数字滤波、相干函数、谱分析 中国地震局工程力学研究所硕士学位论文 2 等。图 1-2 为工程振动测量系统框图，图 1-3 为拾振器实物图。 图1-2 工程振动测量系统系统框图 图1-3 工程振动测量实物图 目前成熟的拾振器种类有很多，如电动式、压电式、电阻式、电容式、 电涡流式、伺服式、光纤式等 5。但是，其中大部分拾振器在进行位移测量 时，通常不是直接获得位移数据，而
