同济大学地震模拟振动台之高速摄影测量系统的应用

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应用需求背景

    同济大学土木工程防灾国家重点实验室是我国土木工程领域中的国家重点实验室，实验室内用于模拟地震效应的振动台是用于复杂建筑结构及城市基础设施，是模拟地震作用的反应规律及抗震研究的关键设备。同济大学地震模拟振动台于1983年7月建成，原为X、Y两向振动台，90代进行了多次改造升级至三向六自由度；模型重量由15t升级至25t等。该振动台已经完成试验项目数量超过500项。在世界上已经运行的大型振动台中，该振动台的运行效率名列前茅。

该振动台的主要技术参数

    台面尺寸：4m×4m；

    频率范围：0.1~50Hz；

    最大模型重量：25t;

    最大位移：X向：±100mm，Y向：±50mm，Z向：±50mm；

    最大速度： X向：1000 mm/s；Y向和Z向：600 mm/s；

    最大重心高度：台面以上3000 mm；

同济大学地震模拟振动台实物图

地震模拟振动实验测试中面临的问题

结构动力模型试验是研究结构非线性动力响应与地震破坏形态的一种重要手段，也是验证数值分析方法的一种有效方法。实验中，一般采用加速度计，应变传感器来量测模型结构的动力响应，加速度计有X、Y、Z三个方向。以振动台进行建筑抗震实验是现有条件下能获得最接近于真实数据的实验手段。但是，面临以下问题：

1、由于需要建造尽可能还原真实建筑物理特性的模型进行实验，单次振动实验的成本十分高昂，花费很大的人力、物力与时间,时间成本和经济成本都使多次的建筑模型振动实验是难以实现的。因此，在振动实验中获取尽可能多的数据成果是建筑模型振动实验的关键所在。

2、之前的实验都会在模型结构上设计安装很多个应力计、加速度计等传感器，这些附着设备本身对于模型来说是不应有的，在振动实验中可能会对实验目标产生直接的相互作用，造成物理影响，干扰数据精确度。

3、另外，随着模拟输入波的强度增加，模型结构会出现破损甚至倒塌。一般为保护成本高昂的传感器，当目标建筑模型处于濒临溃散的关键时刻，需要中断实验并取下附着的测量设备避免其被崩塌的建筑材料损毁，这样不但无法获取极为重要的溃散过程中目标模型的各部位各项参数，而且在濒临毁坏的模型上取下仪器的过程本身也是不安全的。

         振动实验测试系统示意图             测试结构上加载的传感器图

解决方案

高速摄影测量技术是近年来摄影测量学、计算机视觉、光学测量、数字图像处理等学科交叉融合形成的新兴交叉学科,可对各种运动、变化过程参数进行测量。高速摄像测量方法是一种全局化、非接触、高精度、自动化、动态测量、实时测量、环境适应性强的量测手段，在土木工程中被应用于许多领域。

振动台试验所采用的缩尺模型往往在振动测试中具有很高的振动频率，采用普通摄像机无法得到满足要求的测量结果，因此，我们采用多台的高速相机，从不同的角度同步记录振动试验过程，以非接触的测量方式全方位捕捉振动实验的细节特性，获取更多详细的高速图像序列数据，再利用数字图像处理技术，对获得的多序列高速图像进行处理分析，高精度的识别预先粘贴在动力模型结构上的多个标示点，从而获得振动过程中多个标示点的比较高精度的空间位置变化数据。

采用多路高速相机系统对振动实验中的目标进行观测以获取实验数据，不但可以明显扩充数据成果的数量与质量，可以完美解决接触式测量仪器的弊病。并且，每秒高达500帧的图像拍摄速率与同步的存储速率可以保证极为精确的振动过程完整记录。被测建筑模型何时产生浅裂纹，裂纹扩张蔓延情况，模型产生严重破损，模型濒临垮塌和整个垮塌过程这一系列实验进程阶段均以2毫秒为时间度量，0.1毫米为空间度量精准详细的记录于固态存储体中，替代以往基于经验和人眼反应速度的实验进程记录。通过与传统普通接触式传感器采集结果进行比较，该量测方法精度较高，效果较好，在高成本振动模拟实验次数限定的情况下，多路高速相机同步拍摄与存储系统可以显著的提高每次地震振动模拟实验的实验质量，为地质灾害防治研究与建筑防震抗震研究提供优质的数据源。

实验证明高速摄影测量应用简单，能同时捕获大量模型信息，且不接触被测物体，不会对被测物体产生干扰，是一种全局化、非接触、自动化程度高、环境适应性强接触、精度满足试验要求的量测手段，将在工程实践的多个领域取得了广泛的应用。

地震振动台的多高速相机同步动态位移测量系统布置如下图：

多高速相机同步动态位移测量系统相机安装布置图

                                 多高速相机同步动态位移测量系统相机安装现场图

    该系统采用8套科天健公司的AcutEye3.0的高速图像长时间记录系统，对最高700MB/S的高速图像序列数据记录最长达30分针。

采用多达8台高速相机来同步采集高速图像， 采用德国Optronis公司CL600X2相机，分辨率为1280*1024，最高500幀每秒。

系统功能介绍

1.  相机分布位置与拍摄角度可根据具体应用需求灵活调整，采集振动中最有效的数据。

2.  高速相机直接捕获高分辨率的数字图像，清晰还原振动过程中目标物的瞬态变化细节，在后续的高速图像处理算法配合标定技术从图像中实时获取更加详细的目标物空间坐标与时间轴等相关信息。

3.     同步图像数据高速存储于大容量存储体中，为后期处理与分析研究提供详细完整的海量数据源。

拍摄结果

现场拍摄图像序列图

优点介绍

1.  该系统采用非接触式的光学测量手段，不会对被测目标造成任何干扰与影响。

2.  远距离测量与灵活的相机分布设置，同时观测到不同面的情况。

3.  配合标定技术与快速处理算法，可以在单次试验中采集到更多的有价值数据。

4.     远程拍摄手段无须担心目标崩溃倒塌时会损坏测量设备，相比于需要在目标垮塌前取下的接触式测量设备，便利性、流畅性、可靠性与安全性均大大提高，试验成本也更低。

5.     适用于多种场合，应用试验环境十分灵活。

6.     数据存储用作事后分析处理，在教学、科研、宣传等方面具有极高的应用价值。

    湖南科天健光电技术有限公司提供的高性能振动台的多高速相机同步动态位移测量系统中，各路高速相机有不同的配置，可供用户根据自己的实际要求选择：

AcutEye-2000CXP-25M （5120 x 5120 分辨率，72幀每秒  10 bits CoaxPress接口）

AcutEye-2000CXP-12M （4096 x 3072分辨率，167幀每秒  8 bits CoaxPress接口）

AcutEye-2000CXP-4M  （2304x 1720分辨率，500幀每秒   8 bits CoaxPress接口）

AcutEye-2000CXP-3M  （1696x 1710分辨率，540幀每秒   8 bits CoaxPress接口）

AcutEye-700CL-4M    （2048 x 2048分辨率，180幀每秒  8 bits CamLink接口）

AcutEye-650CL-1.3M  （1280 x 1024分辨率，502幀每秒  8 bits CamLink接口）

AcutEye-240CL-1.4M  （1312 x 1082分辨率，170幀每秒  8 bits CamLink接口）

AcutEye-200GE-2M    （2048 x 1088分辨率，88幀每秒   8 bits GigE接口）

欢迎转载，转载请注明作者出处：科天健

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