應(yīng)用背景：
同濟(jì)大學(xué)地震模擬振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)室是土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的一部分，技術(shù)負(fù)責(zé)人為呂西林教授，目前已經(jīng)完成試驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量近500項(xiàng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在世界上已經(jīng)運(yùn)行的大型振動(dòng)臺(tái)中，該振動(dòng)臺(tái)的運(yùn)行效率名列前茅。90年代進(jìn)行了多次改造，主要改造內(nèi)容為：雙向振動(dòng)臺(tái)升級(jí)至三向六自由度；模型重量由15t升級(jí)至25t；控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的升級(jí)等。
目前，該振動(dòng)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)如下：
臺(tái)面尺寸：4m×4m；
頻率范圍：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；
最大加速度：X向：4.0g（空載）1.2g（負(fù)載15t）；
Y向：2.0g（空載）0.8（負(fù)載15t）；
Z向：4.0g（空載）0.7g（負(fù)載15t）；
最大重心高度：臺(tái)面以上3000 mm；
最大偏心：距臺(tái)面中心600 mm；
該振動(dòng)臺(tái)的核心部件由美國(guó)MTS公司生產(chǎn)，部分部件（高速相機(jī)、圖像采集卡等）由國(guó)內(nèi)配套，具體為：控制部分和數(shù)據(jù)采集部分由MTS生產(chǎn)；鋼結(jié)構(gòu)臺(tái)面由MTS設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)紅山材料試驗(yàn)機(jī)廠(chǎng)通過(guò)蘭州化工總廠(chǎng)生產(chǎn)；油源部分的核心部件MTS提供，其他油箱、硬管道等部分由紅山生產(chǎn)；作動(dòng)器均采用MTS產(chǎn)品。整個(gè)系統(tǒng)由MTS總承包。
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同濟(jì)大學(xué)地震模擬振動(dòng)臺(tái)實(shí)物圖
地震模擬振動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中面臨的問(wèn)題：
結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型試驗(yàn)是研究結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性動(dòng)力響應(yīng)與地震破壞形態(tài)的一種重要手段，也是驗(yàn)證數(shù)值分析方法的一種有效方法。實(shí)驗(yàn)中，一般采用加速度計(jì)，應(yīng)變傳感器來(lái)量測(cè)模型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，加速度計(jì)有X、Y、Z三個(gè)方向。以振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行建筑抗震實(shí)驗(yàn)是現(xiàn)有條件下能獲得最接近于真實(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)手段。但是，由于需要建造盡可能還原真實(shí)建筑物理特性的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，單次振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的成本十分高昂，花費(fèi)很大的人力、物力與時(shí)間,時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本都使多次的建筑模型振動(dòng)實(shí)驗(yàn)是難以實(shí)現(xiàn)的。因此，在振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中獲取盡可能多的數(shù)據(jù)成果是建筑模型振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵所在，之前的實(shí)驗(yàn)都會(huì)在模型結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)安裝很多個(gè)應(yīng)力計(jì)、加速度計(jì)等傳感器，這些附著設(shè)備本身對(duì)于模型來(lái)說(shuō)是不應(yīng)有的，在振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)產(chǎn)生直接的相互作用，造成物理影響，干擾數(shù)據(jù)精確度。另外，隨著模擬輸入波的強(qiáng)度增加，模型結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)破損甚至倒塌。一般為保護(hù)成本高昂的傳感器，當(dāng)目標(biāo)建筑模型處于瀕臨潰散的關(guān)鍵時(shí)刻，需要中斷實(shí)驗(yàn)并取下附著的測(cè)量設(shè)備避免其被崩塌的建筑材料損毀，這樣不但無(wú)法獲取極為重要的潰散過(guò)程中目標(biāo)模型的各部位各項(xiàng)參數(shù)，而且在瀕臨毀壞的模型上取下儀器的過(guò)程本身也是不安全的。
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振動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖
解決方案：地震振動(dòng)臺(tái)的多高速相機(jī)同步動(dòng)態(tài)位移測(cè)量
高速攝影測(cè)量技術(shù)是近年來(lái)攝影測(cè)量學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、光學(xué)測(cè)量、數(shù)字圖像處理等學(xué)科交叉融合形成的新興交叉學(xué)科,可對(duì)各種運(yùn)動(dòng)、變化過(guò)程參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。高速攝像測(cè)量方法是一種全局化、非接觸、高精度、自動(dòng)化、動(dòng)態(tài)測(cè)量、實(shí)時(shí)測(cè)量、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的量測(cè)手段，在土木工程中被應(yīng)用于許多領(lǐng)域。
振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)所采用的縮尺模型往往在振動(dòng)測(cè)試中具有很高的振動(dòng)頻率，采用普通攝像機(jī)無(wú)法得到滿(mǎn)足要求的測(cè)量結(jié)果，因此，我們采用多臺(tái)的高速相機(jī)，從不同的角度同步記錄振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程，以非接觸的測(cè)量方式全方位捕捉振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)特性，獲取更多詳細(xì)的高速圖像序列數(shù)據(jù)，再利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)獲得的多序列高速圖像進(jìn)行處理分析，高精度的識(shí)別預(yù)先粘貼在動(dòng)力模型結(jié)構(gòu)上的多個(gè)標(biāo)示點(diǎn)，從而獲得振動(dòng)過(guò)程中多個(gè)標(biāo)示點(diǎn)的比較高精度的空間位置變化數(shù)據(jù)。
采用多路高速相機(jī)系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中的目標(biāo)進(jìn)行觀(guān)測(cè)以獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不但可以明顯擴(kuò)充數(shù)據(jù)成果的數(shù)量與質(zhì)量，可以完美解決接觸式測(cè)量?jī)x器的弊病。并且，每秒高達(dá)500幀的圖像拍攝速率與同步的存儲(chǔ)速率可以保證極為精確的振動(dòng)過(guò)程完整記錄。被測(cè)建筑模型何時(shí)產(chǎn)生淺裂紋，裂紋擴(kuò)張蔓延情況，模型產(chǎn)生嚴(yán)重破損，模型瀕臨垮塌和整個(gè)垮塌過(guò)程這一系列實(shí)驗(yàn)進(jìn)程階段均以2毫秒為時(shí)間度量，0.1毫米為空間度量精準(zhǔn)詳細(xì)的記錄于固態(tài)存儲(chǔ)體中，替代以往基于經(jīng)驗(yàn)和人眼反應(yīng)速度的實(shí)驗(yàn)進(jìn)程記錄。通過(guò)與傳統(tǒng)普通接觸式傳感器采集結(jié)果進(jìn)行比較，該量測(cè)方法精度較高，效果較好，在高成本振動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)次數(shù)限定的情況下，多路高速相機(jī)同步拍攝與存儲(chǔ)系統(tǒng)可以顯著的提高每次地震振動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，為地質(zhì)災(zāi)害防治研究與建筑防震抗震研究提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)源。
實(shí)驗(yàn)證明高速攝影測(cè)量應(yīng)用簡(jiǎn)單，能同時(shí)捕獲大量模型信息，且不接觸被測(cè)物體，不會(huì)對(duì)被測(cè)物體產(chǎn)生干擾，是一種全局化、非接觸、自動(dòng)化程度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)接觸、精度滿(mǎn)足試驗(yàn)要求的量測(cè)手段，將在工程實(shí)踐的多個(gè)領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。
地震振動(dòng)臺(tái)的多高速相機(jī)同步動(dòng)態(tài)位移測(cè)量系統(tǒng)布置如下圖：
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多高速相機(jī)同步動(dòng)態(tài)位移測(cè)量系統(tǒng)相機(jī)安裝布置圖
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多高速相機(jī)同步動(dòng)態(tài)位移測(cè)量系統(tǒng)相機(jī)安裝現(xiàn)場(chǎng)圖
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現(xiàn)場(chǎng)拍攝圖像序列 圖
系統(tǒng)功能介紹：
1.相機(jī)分布位置與拍攝角度可根據(jù)具體應(yīng)用需求靈活調(diào)整，采集振動(dòng)中最有效的數(shù)據(jù)。
2.高速相機(jī)直接捕獲高分辨率的數(shù)字圖像，清晰還原振動(dòng)過(guò)程中目標(biāo)物的瞬態(tài)變化細(xì)節(jié)，在后續(xù)的高速圖像處理算法配合標(biāo)定技術(shù)從圖像中實(shí)時(shí)獲取更加詳細(xì)的目標(biāo)物空間坐標(biāo)與時(shí)間軸等相關(guān)信息。
3.同步圖像數(shù)據(jù)高速存儲(chǔ)于大容量存儲(chǔ)體中，為后期處理與分析研究提供詳細(xì)完整的海量數(shù)據(jù)源。同濟(jì)大學(xué)地震模擬振動(dòng)臺(tái) 實(shí)驗(yàn) |
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