混凝土表面裂缝实时监测系统与开裂风险的动态评估方法技术方案
【技术实现步骤摘要】
混凝土表面裂缝实时监测系统与开裂风险的动态评估方法
本专利技术属于建筑材料与结构的监测
，具体涉及一种基于数字图像技术的混凝土裂缝图形化实时监测系统以及混凝土材料与结构开裂风险的动态评估方法。
技术介绍
混凝土的开裂破坏一直是工程界难以克服和控制的难题。由于混凝土的水化放热、收缩变形、荷载作用、环境侵蚀以及钢筋锈蚀的影响，钢筋混凝土结构普遍存在着开裂现象。混凝土裂缝对钢筋混凝土结构的安全性与耐久性都产生了严重的影响。因此，有必要对混凝土结构的裂缝开展状况进行实时监测，采集裂缝的长度、宽度、位置等信息，并根据混凝土裂缝的定量化表征参数对混凝土结构开裂风险进行评估。在对混凝土结构的开裂风险进行评价时，如何定量化测量和描述混凝土开裂状态成为问题的焦点。当前采用的混凝土裂缝测量方法主要有三种。一种是直接法，就是采用钢尺、裂缝观测仪等仪器设备直接测量混凝土裂缝的长度和宽度，并定义权重值，评价混凝土裂缝的危害性。直接法的主观因素影响较大、工作量大，且精度和效率都比较低，不适于大型混凝土结构工程开裂风险的评价。第二种是应变片(应变计)法，即在混凝土内部和表面埋设应变片(应变计)，实时测量混凝土内部与表面的应变变化情况，根据混凝土应变测试数据评价混凝土结构的开裂风险。但是由于混凝土结构体量较大，而应变片(应变计)的测量范围有限，为了获得混凝土结构的裂缝扩展情况，需要在混凝土结构内部与表面埋设大量的应变片(与应变计)，测量的成本较高。虽然目前已经开发出了光纤应变计以及应变传感器，可以大幅减少应变片(应变计)的埋设数量，但是测量的结果及准确性与光纤的埋设位置有关，成本仍...
【技术保护点】
一种混凝土表面裂缝实时监测系统，包括数字图像采集系统，其特征在于，还包括数字图像存储系统、数字图像处理分析系统和裂缝参数识别系统；所述数字图像采集系统包括CCD镜头和数码相机；所述数字图像存储系统包括计算机和存储硬盘，并通过数据连接线与数字图像采集系统相连；所述数字图像处理分析系统是安装于计算机上的软件功能模块，能够通过数字图像匹配方法对采集及存储的数字图像进行处理分析，通过对比分析混凝土变形前后图像的灰度，计算数字图像的相关系数；然后通过相关系数，判断混凝土的变形与位移，获得混凝土的广义主应变场分布；所述裂缝参数识别系统是安装于计算机上的软件功能模块，能够基于混凝土表面的广义主应变场分布，识别混凝土表面裂缝边界，通过参数识别算法，获得混凝土表面裂缝的实时信息。
【技术特征摘要】
1.一种混凝土开裂风险的动态评估方法，其特征在于，是利用CCD镜头或数码相机拍摄混凝土材料待测试件表面的图像，通过数字图像匹配方法对采集及存储的数字图像进行处理分析，通过对比分析混凝土变形前后图像的灰度，计算数字图像的相关系数；据此判断混凝土的变形与位移，获得混凝土的应变值；通过混凝土表面的主应变场分布图判别混凝土裂缝位置，利用数字图像处理技术识别混凝土裂缝的位置、面积、长度与宽度的特征参数；基于预先设定的混凝土裂缝位置、裂缝宽度、裂缝长度、裂缝面积的安全性指标进行权重分级，定量化地形成混凝土开裂风险分级评价标准，然后对比采集到的混凝土裂缝特征参数，实现混凝土开裂风险的动态评估。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：(1)混凝土材料待测试件表面处理在混凝土材料待测试件表面均匀涂上石膏或油漆的涂层，然后在涂层上制作散斑；散斑的颜色应与涂层的颜色具有显著区别，且散斑的外形与尺寸大小具有随机性以保证每个散斑都能相互区分；每个散斑的直径大小与测量区域边长的比例关系在1/1000～1/10之间；(2)测定前的准备通过CCD镜头和相机进行对待测混凝土试件进行拍摄，在拍摄之前使用圆点标靶对CCD镜头和相机的内外参数进行标定；标靶采用与背景颜色不同的圆点作为特征标记，通过重心提取来获得标记圆点的精确位置，实现标记点位置的自动提取；同时获取数字图像像素点的边长l；(3)数字图像采集与存储根据测试精度的要求设定CCD镜头与相机的拍照频率；拍摄的照片通过数据连接线传输至计算机并存储至存储硬盘；在数字图像采集过程中，CCD镜头、相机及混凝土试件均不能移动；(4)数字图像处理分析以混凝土试件变形前的图片为基准参考图片，在数值图像中首先以坐标为(x,y)的参考点为中心选取边长为(2M+1)个像素点的矩形区域为参考图子区，M为区域边长特征值；将混凝土材料待测试件变形后的图片为目标图片，通过亚像素搜索的方法，以坐标为(x’,y’)的参考点为中心选取边长为(2M+1)个像素点的矩形区域为目标图子区；采用与图像灰度有关的相关系数C分析此参考图子区域与目标图子区的相关性；当相关系数C高于一个阈值时，认为混凝土试件变形前后的区域具有相关性，即认为变形后目标图中坐标点(x’,y’)对应于为变形时参考图中坐标点(x,y)；所述相关系数C的阈值的取值范围为0.9～1.0；本发明中的相关系数C为：式中：C为相关系数；f(x,y)为参考图上坐标(x,y)点的灰度；为参考图子区域的平均灰度；g(x’,y’)为目标图上坐标为(x’,y’)点的灰度；为目标图子区域的平均灰度；确定变形前后坐标点后，计算参考图中参考点坐标的位移分量(u,v)；其中x方向的位移分量u＝x’-x；y方向的位移分量v＝y’-y；对变形前后两幅图像计算区域内的所有点进行相关匹配后，就能获得这些点在变形前后空间几何位置的变化，即获得测量区域的位移场分布，并采用局部最小二乘法对亚像素区域位移场求导获得广义主应变场；混凝土试件表面的广义主应变εp为：式中：εx为x方向的横向广义应变；εy为y方向的纵向广义应变；γxy为广义剪应变；具体表达式为：(5)混凝土裂缝信息的识别A、基于数组图像相关技术绘制不同时刻混凝土表面广义主应变场分布图；B、在某一时刻，当混凝土表面广义主应变场的主应变值达到某一阈值时，得到广义主应变达到某阈值的像素点P1，其坐标为(x1，y1)；根据混凝土表面广义主应变场分布的连续性，得到P1点相邻的像素点中广义主应变值达到阈值点的像素点P2，记录其坐标值(x2，y2)；依次在已经获得的像素点周围提取混凝土表面广义主应变达到阈值的像素点，直到提取混凝土表面所有广义主应变达到阈值的像素点；假设混凝土表面上广义主应变达到阈值的像素点共有N个，根据混凝土表面广义主应变的分布特性，此N个像素点将连接为m条闭合曲线，m≥1；当此阈值为混凝土表面裂缝的开裂应变时，由混凝土表面广义主应变的分布特征，每条闭合曲线都代表了一条混凝土表面裂缝的边界点，m即为混凝土表面裂缝的数量；C、选取第n条闭合曲线所代表的混凝土裂缝；假设此闭合曲线及内部共包含了kn个像素点，此kn个像素点构成的集合为{Cn}，则此裂缝的位置能够由集合{Cn}中所有像素点(xi，yi)所代表，即：(xi,yi)∈{Cn}i＝1,2,……，kn已知单个像素点边长为l，则第n条混凝土裂缝的面积An为：An＝kn·l2假设此闭合曲线上共有Qn个像素点，Qn≤N，此闭合曲线代表了相应混凝土裂缝的边界，也即表明了混凝土裂缝的位置与走向；根据混凝土裂缝边界的走向，能够识别混凝土裂缝的两个端点Sn(xs，ys)与En(xe，ye)；由于端点Sn与En位于此闭合曲线上，因此由端点Sn出发，沿着混凝土裂缝边界上的各个像素点，共有2条路径能达到端点En，分别命名此2条路径为Run与Rbn；根据数字图像的分析理论，从端点Sn出发沿着路径Run达到端点En，遍历所有Ru路径上所有像素点得到的混凝土裂缝长度Lun为：式中：(xi，yi)为路径Run上某个像素点的坐标；(xi+1，yi+1)为路径Run上与(xi，yi)相邻的像素点的坐标；Qun为路径Run上所有像素点的数量；同理，从端点Sn出发沿着路径Rbn得达到端点En，遍历路径Rbn上所有像素点得到的混凝土裂缝长度Lbn为：式中：(xi，yi)为路径Rbn上某个像素点的坐标；(xi+1，yi+1)为路径Rbn上与(xi，yi)相邻的像素点的坐标；Qbn为路径Rbn上所有像素点的数量；则第n条混凝土裂缝的长度Ln为Lun与Lbn的较大值，即：Ln＝max(Lun,Lbn)根据最小距离法，第n条混凝土裂缝的路径Run上某一像素点(xi，yi)到路径Rbn上所有像素点距离中的最小值就是像素点(xi，yi)对应裂缝宽度Wi，即：
【专利技术属性】
技术研发人员：田野，金南国，金贤玉，余蔚，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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