建筑技术丨基于双目机器视觉的预应力钢绞线极限张拉力伸长率非接触式测试方法研究

1 钢绞线静态拉伸试验

本试验严格遵循GB/T 5224—2023《预应力混凝土用钢绞线》标准，采用经过工厂质量检测的1×7–15.20–1 860新型预应力钢绞线，确保试验的准确性和可靠性。为了进行精确的测量，选取了长度为1 100 mm的标准试件。

本试验采用了两套DIC测量系统，由4台分辨率为4 608×3 456像素的摄像机（MOKOSE–uc50, 8~50 mm长焦变焦镜头）组成。本次测试的视场设定为50 mm，分辨率高达0.001 mm，确保了测量结果的精确性。在拉力试验机的两侧放置两盏照明强度可控的LED灯，确保了试件在测试过程中的照明条件一致，从而提高了测试的准确性和稳定性。

1.1 测量装置

本次拉伸试验采用了0.5级高精度的WDW3020型微机控制的电液伺服万能试验机，该机器能够以5 mm/min的速度进行拉伸操作。

为了捕捉拉伸过程中的每一个细节，设置了相机采集频率为1 fps，并通过触发盒来控制4个相机，确保它们能够同步拍摄照片。此外，还调整了LED灯的照明角度和相机的曝光时间，以消除任何反射区域，使标本表面获得均匀的照明。

在测试前，在钢绞线样本外部喷涂白色涂料，于其表面均匀分布直径为1.5 mm的圆点，间距设定为500 mm。仅在单根钢绞线中选取钢丝部分绘制直径1.5 mm的圆点；借助直径1.5 mm的打孔工具，在样本上制作6个间距为0.8 cm的标记孔，利用白色涂料喷涂形成特征点，通过非破坏性标记技术，特征点被均匀分布在钢绞线外部的6根钢丝上。

借助试验设备对两种标记方法的钢绞线样本进行了3次测试。在拉伸过程中，接触式引伸计可能会打滑，导致数据采集不准确。本研究比较了多种标记方式，最后根据识别效果和打滑情况，采用无损标记的方式将样品均匀分布在6股钢丝上。

采用白色喷漆的方式，将1.5 mm的圆点喷在每一股钢丝的中间。上下标记的间距为500 mm。

本研究共设置了3组拍摄方式：（1）测量钢绞线不同股钢丝的拉伸量（上部标记点和下部标记点在同一平面内，间距为500 mm）；（2）测量钢绞线同股钢丝的拉伸量（钢绞线由6根钢丝围绕一根芯丝向同一方向进行扭结制成，同股钢丝在间距为500 mm的区间中不在同一平面内）；（3）测量钢绞线6股外侧钢丝的拉伸量。

1.2 特征点识别与跟踪流程

首先制作一个9×13的黑白网格标记板，并运用张正友标定法精确获取两个相机的内外参数。

依照设定好的摄像位置捕捉图像，并运用这些参数对图像进行精确的畸变校正处理。对调整后的灰度图像使用CLAHE算法增强，以显著提升图像的对比度和细节。

通过中值滤波技术降低噪声并清除潜在的图像杂质。进一步采用变分滤波减少噪声干扰，同时确保保留边缘信息。运用Canny边缘检测技术捕捉边缘，并填补边缘间隙，以消除边缘的小断裂。借助Hough变换定位图像中的圆形区域，通过统计圆心和半径的组合，筛选出最佳的圆形参数。

结合视频序列与目标物体模板，利用ORB（ORiented Brief）算法提取特征点并生成描述符，完成目标物体的追踪与匹配，同时输出准确的坐标数据。

最终，基于坐标数据执行双目立体匹配，获取特征点的三维坐标。这一连串精细的图像处理与分析手段，确保了在钢绞线拉伸检测中关键特征点的快速与精确识别。

1.3 拉伸试样标记点坐标获取

本研究共设置两组双目相机，每组相机由两个单目相机组成。相机1与相机2位于样品右上角，构成了一个标准的双相机数字图像相关系统，相机3与相机4则位于样品左下角，形成另一个双相机数字图像相关系统。

为了保证从不同角度获取图像，两组相机的位置与朝向必须保持垂直。对于左右两侧的图像，首先提取并匹配特征点，随后运用立体匹配技术计算出每个匹配点的三维空间坐标。上下两组双目相机光心间距500 mm。

上部的双目相机测量变化值与下部的双目相机测量变化值，即可得到同一时刻同一目标运动的三维变化值。

2 测试结果分析

本研究的试验装置将不同股钢绞线的拉伸量与同一股钢绞线的拉伸量进行对比，并对钢绞线拉伸量的试验结果进行分析，拉伸量的试验结果通常包括两个方面：一是拉伸过程中钢绞线拉伸量的大小，二是拉伸量与拉伸力的关系。

钢绞线拉伸后，具有较小的塑性变形和弹性变形，导致钢绞线长度增加。钢绞线的伸长率与许多因素有关，如钢绞线的直径和数量、钢绞线的预应力尺寸、钢绞线的形式等。若在使用过程中钢绞线伸长过多，可能会影响预应力混凝土结构的稳定性和耐久性。

本次试验一共设计了3批次的钢绞线测试，每批次均设有3个重复组，以确保测试结果的可靠性和稳定性，最终结果以平均值作为依据。图1清晰展示了本试验在0~260 kN测得的钢绞线应力–应变曲线，这一曲线能够精准反映钢绞线的力学性能。特别是在钢绞线的弹性阶段，应力与应变呈现出明显的正比关系，此时曲线的斜率即为钢绞线的弹性模量。

图1 钢绞线0~260 kN应力–应变曲线

对于500 mm均匀截面钢绞线在y方向的伸长率测量，本研究提出的方法与应变片、接触式引伸计的测量结果之间的相对误差较小。这一结果充分验证了本研究方法的准确性和有效性。然而，考虑到引伸计需要在安全时间内拆除，且在试验后期采用了横梁位移来记录伸长量，在拉伸过程中，钢绞线两端可能会出现局部紧缩现象，导致计算区域并非中部均匀变形段。

3 结束语

钢绞线单轴拉伸测量需要考虑多方面因素，本研究介绍了一种安全、方便的视频引伸计方法，综合考虑各因素，成功提高了极限伸长量测量的准确性。结果表明，基于多目视觉的钢绞线静态最大拉伸量测量视觉测试方法的相对误差在–0.012 78 % ~ 0.013 84 %，验证了该测试方法的准确性。