Optické měření posunů pmocí SIR

Abstract

Vývoj technologií internetu věcí (IoT) otevřel cestu pro vzdálené hodnocení statického stavu konstrukcí. Takové posouzení může být provedeno monitorováním relativních posunů konstrukčních prvků, protože bezprostřední selhání stavebních konstrukcí se obvykle projevuje ztrátou tuhosti a tím i nadměrnými deformacemi při statickém namáhání nebo změnou vlastních frekvencí v důsledku dynamického buzení. Za tímto účelem byl vyvinut open-source nástroj pro měření relativních posunů v reálném čase na základě registrace obrazu. Použití diskrétní Fourierovy transformace a převzorkovanou maticí obrazu, omezené na předem vybrané body na konstrukci umožňuje vysoké vzorkovací frekvence s přesností menší, než jeden pixel. V rámci disertační práce byla posouzena přesnost systému s ohledem na fyzické měřítko a software byl úspěšně ověřen experimentálním testováním v laboratoři. Kromě laboratorního testování k ověření funkčnosti prototypu pomocí laboratorního vybavení byl navržen přenosný hardware plně benefitující z jednoduchosti používaných algoritmů. Tento hardware byl testován v reálných podmínkách, přičemž byla ověřována funkčnost dvou řešení: (i) zařízení určené pro měření v reálném čase se shromažďováním dat při vysokých frekvencích vzorkování a (ii) hardware zaměřený na spolehlivost pro dlouhodobá měření mimo dosah elektrického napájení. Obě řešení byla testována ve venkovním prostředí; první pro měření průhybů mostů v důsledku dopravního zatížení a druhý pro monitorování stability horninového masivu. Kromě měření v reálném čase byly algoritmy použity také pro měření v off-line režimu. Výpočtově efektivní algoritmy zde umožňovaly zpracování velkých obrazových sekvencí, např. z měření pomocí vysokorychlostních kamer.

Development of Internet-of-things (IoT) technologies opened the way for remote assessment of structural health. Such an assessment can be accomplished by monitoring relative displacements of structural elements since the imminent failure of civil engineering structures usually manifests through a loss of stiffness and hence excessive displacements under static loading or change in vibration frequencies due to dynamic excitation. With these facts in mind, an open-source tool for real-time measurement of relative displacements based on image registration was developed. The use of upsampled matrix-multiplication discrete Fourier transform and measurement limited to predefined points of interest by virtual extensometers allowed high sampling frequencies with subpixel accuracy. The accuracy of the system with respect to a physical length-scale was assessed, and the software was successfully verified through experimental testing in a laboratory. Besides the proof-of-concept laboratory testing using delicate equipment, the developed software was accommodated in portable hardware to fully benefit from the lightweight algorithms. Existence of such a measurement system enabled remote monitoring of displacements and deformations outdoors. Two types of hardware solutions were tested: (i) intended for real-time measurement with a collection of data at high sampling rates and (ii) reliability-focused hardware for off-grid long-term measurements. Both solutions were tested outdoors; the first for measurement of bridge deflections due to traffic loading and the latter for monitoring of a rock massif stability. Besides real-time measurements, the algorithms were also employed for measurements in an off-line mode. Here, the computationally efficient algorithms allowed processing of larger sequences of images recorded, e.g., using high-speed cameras.