基于图像的螺栓松动检测技术在钢螺栓连接桥的应用

来源：核心期刊咨询网时间：12

摘要：摘要：为保证钢桥结构间的稳定性，需要能够准确地识别出螺栓松动情况。文章基于图像处理提出一种钢桥螺栓连接松动的检测技术，并采用拼接板和8组24阵列螺栓螺母组成的螺栓连接模型，对该技术进行测试试验分析。结果表明，该技术估算的角度与测角仪测量的角度误差为2，

　　摘要：为保证钢桥结构间的稳定性，需要能够准确地识别出螺栓松动情况。文章基于图像处理提出一种钢桥螺栓连接松动的检测技术，并采用拼接板和8组2×4阵列螺栓螺母组成的螺栓连接模型，对该技术进行测试试验分析。结果表明，该技术估算的角度与测角仪测量的角度误差为±2°，证明了该技术的适用性与准确性，为进一步研究提供了参考依据。

　　关键词：图像处理;螺栓松动;螺栓连接

　　0 引言

　　螺栓是连接钢结构构件的重要元件之一，在大多数钢桥中，构件通过螺栓接头实现相互连接[1][3]。螺栓松动导致预紧力不足，使螺栓连接失效，降低桥梁承载能力。根据钢桥结构缺陷报告显示，33.3%的桥梁会出现螺栓缺陷，如图1所示。产生缺陷的主要原因有预载荷或震动不足导致螺栓松动。由于螺栓失效可能导致结构失效，因此螺栓松动检测对保持钢桥的结构性能非常重要[4-5]。

　　截至目前，可以将检测钢桥螺栓松动技术分为以下两组：(1)现场检测技术，包括目视检查、锤击法和扭矩扳手技术;(2)基于传感器的监测技术，包括弹性波、导波、机电阻抗、无线传感器检测螺母旋转角度和电位降变化等方法。现场检查技术非常简单，但早期不能及时发现螺栓松动，且测量误差较大。基于传感器的监测技术是目前较有效的螺栓松动监测方法，但监测系统成本略高，还需要固定每个传感器。

　　同时，图像处理技术已被广泛应用于医学图像、物体、图案、字符等的识别，许多研究人员试图将该技术应用于土木结构的检测和监控。土木结构中图像处理技术可用于识别混凝土和路面上的裂缝，检测斜拉索表面的损伤，诊断钢桥涂层，以及测量桥梁的位移等。[=XQS(]基于图像的螺栓松动检测技术在钢螺栓连接桥的应用/刘炎钊[=JP2]应用图像处理技术有如下好处：(1)可以为维护桥梁提供科学而直观的信息;(2)可以利用成本较低的设备，如非接触传感器的照相机。

　　本文基于图像处理技术研发了一种钢桥螺栓连接松动检测算法，主要由3个步骤组成：(1)为螺栓接头拍照;(2)分割图像识别拼接板和每个螺母;(3)识别每个螺母的旋转角度并检测螺栓松动情况，其中应用霍夫变换来识别螺母的旋转角度，并通过拼接板和8组2×4阵列螺栓螺母组成的螺栓连接模型对该技术进行相关测试。

　　1 螺栓松动检测技术

　　1.1 现场检查技术

　　现场检查技术通过目视检查或使用机械装置(如锤子和扭矩扳手)来检测螺栓松动情况。其中目视检查是最简单的方法，可为螺栓松动检测提供直观的信息，但直到螺栓完全松动时才能检测到螺栓松动。根据结构安全法，需要每2年或3年使用锤击法检查钢桥中螺栓的连接情况。应用该方法时，需要检查人员用手指触摸螺栓，然后用锤子敲击螺栓头。该方法比较简单，且准确性取决于检查员的经验和感觉。目前扭矩扳手技术是检测螺栓松动和测量螺栓轴向预载荷的最佳方法。但是由于螺栓螺纹和螺母之间存在摩擦，因此在螺栓张力测量中使用扭矩扳手将产生高达50%的誤差。此外，在有数千个螺栓的大型结构中，特别是钢桥，因为螺栓松动需要逐个检查，该方法将耗费大量时间和成本。

　　1.2 基于传感器的检测技术

　　基于传感器的检测技术是通过分析连接在螺栓周围传感器的响应来检测螺栓松动情况，可分为以下5种方法：声弹性法、导波法、阻抗法、磁场法和电位降法。

　　声弹性法类似于锤击技术，但前者是通过测量安装在螺栓上的传感器发出的超声波和振动情况，从而得出螺栓松动的检测结果。

　　导波法是使用螺栓预载荷改变拼接板的动态特性，并且影响拼接板的超声波，通过监测和分析超声波信号，可以检测出螺栓松动情况。由于这种方法可以调查拼接板上所有的螺栓，因此在螺栓松动检测方面有很大潜力。

　　阻抗法对局部结构损伤有很高的灵敏度和很大的频带宽度，适用于现场监测高频动力学特性主导的螺栓连接。但是它的范围较小，因此需要很多传感器和阻抗分析仪才可以覆盖钢桥中所有的螺栓，且其受温度和环境噪声的影响较大。

　　磁场法是一个简单的现象，即旋转螺母造成螺栓松动，并改变螺母周围的磁场。其由一个带磁铁的螺帽和一个簧片开关组成，当螺母在螺母帽中旋转时，磁场会发生改变，此时打开簧片开关，检测到螺栓松动情况。这种方法比较简单，但只能使用一个螺栓，与声弹性法类似。

　　电位降法则是利用电阻与钢板厚度之间的变化关系，松开螺栓，拼接板的横截面积增加，电阻减小。当恒定电流流过拼接板时，螺栓松动电压降低，即可检测到螺栓松动情况。

　　2 基于图像处理的螺栓松动检测技术

　　本研究针对现有技术的不足，基于图像处理提出了一种螺栓松动检测技术。与现有技术相比，该技术只需要通过数码相机拍摄出螺栓接头的图像，即可经济迅速地检测数十个螺栓的松动情况。如图2所示，该技术包括3个步骤：(1)拍摄螺栓接头的图像;(2)分割每个螺母图像;(3)通过识别每个螺母的旋转角度来检测螺栓松动情况。

　　第一步，从数码相机中获取钢桥中螺栓接头的数字图像。钢桥的螺栓接头由一对拼接板、螺栓、螺母和垫圈组成。数字图像必须在包括螺母和相应拼接板的区域内进行拍摄，因为螺栓松动可以通过螺母旋转来检测。图像可以通过使用电荷耦合器件(CCD)的各种相机获得，例如数码相机、摄像机和嵌入智能手机的相机。

　　第二步，将图像分割并标记每个螺母。该步骤由以下5个程序进行处理：(1)将图片图像转换成灰度图像;(2)利用Canny边缘检测器从灰度图像中提取边缘图像;(3)利用霍夫变换(HT)检测拼接板的四条边缘线，然后从边缘线的交叉点检测拼接板4个角的坐标;(4)通过投影变换校正由照相机成像角度引起的透视失真;(5)通过圆形霍夫变换(CHT)检测形成圆形的螺栓端部，然后将图像分割成N个螺母图像，其中N是螺母的数量。对于分段，螺栓的中心坐标和半径用CHT确定，并使用螺母R中心到角的距离。

转载请注明来自：http://www.qikan2017.com/lunwen/lig/22513.html