CN102798347A - 一种位移和速度测量方法 - Google Patents

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陈广强
杜砚文
张淋图
郭德凡
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SHANGHAI JINXI LABORATORY CO LTD
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Abstract

本发明提供了一种位移和速度测量方法，其特征在于：首先在被测物体的测量段内做测量标识；然后调整被测试物体上的测量标识在线阵相机的扫描范围内；被测物体开始运动或者变形时，线阵相机以设定频率拍摄图像；与线阵相机相连的图像采集卡采集拍摄的图像上的测量标识，并通过图像数字化处理软件转换为数字信号，输入计算机进行处理，输出位移和速度值。本发明提供的方法克服了现有技术的不足，通过使用帧速率高的线阵相机，可以高精度、超高速地进行多点位移和速度的测量，满足高速运动的被测物体以及需要高精度测试位移、速度的场合的测量要求。

Description

一种位移和速度测量方法
技术领域
本发明涉及一种位移和速度测量方法，属于测量技术领域。
背景技术
在仪器、生产设备、测量等领域经常需要测量位于同一条线上的一个或者多个点一维方向的位移和速度，并且对于分辨率、测量精度都有较高的要求。利用照相机或者高速摄像机拍摄被测物体的图像并通过对图像的测量获得被测物体的位移和速度，是常用的测量方法。
常规照相机的分辨率一般为4000×3000点，在一个方向上的分辨率最多4000像素点，一般连续拍摄速度为10fps；高速摄像机可以达到10000fps的拍摄速度，但是分辨率必须降低，只能达到1024×1024像素点。受限于照相机、高速摄像机的分辨率和帧速率，对于高速运动的被测物体，以及需要高精度测试位移、速度的场合，目前的测试技术还无法达到要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高精度、超高速的多点位移和速度测量方法，以满足高速运动的被测物体以及需要高精度测试位移、速度的场合的测量要求。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种位移和速度测量方法，其特征在于：该方法由以下3个步骤组成：
步骤1：在被测物体的测量段内，以被测物体本身的特征作为测量标识，或者根据测量需要，在被测物体上做测量标识；
步骤2：将被测物体放在线阵相机的镜头的前方，线阵相机的扫描方向平行于测量方向，并调整被测试物体上的测量标识在线阵相机的扫描范围内；
步骤3：被测物体开始运动或者变形，线阵相机以设定频率拍摄图像；与线阵相机相连的图像采集卡采集拍摄的图像上的测量标识，并通过图像数字化处理软件转换为数字信号，输入计算机进行处理，再结合每幅图像的拍摄时间，输出每个测量标识的一维位移、不同测量标识之间的一维相对位移，以及每个测量标识的速度和不同测量标识之间的相对速度。
优选地，所述位移测量的精度分辨率最高为0.001mm。
优选地，所述步骤3中线阵相机的设定频率最高为1×106次/秒。
本发明提供的一种位移和速度测量方法通过使用帧速率高的线阵相机，配以合适的镜头，可以高精度、超高速地进行多点位移和速度的测量。位移测量的精度分辨率最高为0.001mm，决定于所用线阵相机的像素单元尺寸和镜头的放大比率。测量频率最高可以达到1×106次/秒，决定于所用线阵相机的扫描频率，其频率可以调整。最多可以同时测量16384个点的位移，决定于所用线阵相机的像素数。
本发明提供的方法可以同时测量每个测量标识的一维位移，也可以测量各个测量标识之间的一维相对位移；可以测量每个测量标识的绝对速度，也可以测量各个测量标识之间的相对速度。
本发明提供的方法克服了现有技术的不足，通过使用帧速率高的线阵相机，可以高精度、超高速地进行多点位移和速度的测量，满足高速运动的被测物体以及需要高精度测试位移、速度的场合的测量要求。
附图说明
图1为本发明提供的一种位移和速度测量方法的装置连接示意图；
图2为实施例2中高速拉伸测试过程采集的图像示意图；
附图标记说明
1-被测物体；2-线阵相机；3-镜头；4-图像采集卡；5-装有图像数字化处理软件的计算机；6-光源。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以两个优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1
从高处落下的物体的位移和速度的测量。
照相机和高速摄像机拍摄的是平面图像，其内部的传感器在横向和纵向的分辨率(像素点)是接近的；线阵相机内部采用的是另外一种类型的传感器，其横向的分辨率(像素点)非常高，可以达到104像素点，而纵向则只有1～4像素点。线阵相机可以达到非常高的帧速率，可以用作一维方向运动的拍摄测量。
目前商业化的线阵相机，如英国E2V-EliiXA+系列线阵相机，可以达到的线分辨率是16384点，每个像素点的尺寸为5×5微米，拍摄的速度最高1×106张/秒。有些型号的线阵相机有更高的线分辨率和更小的像素点。配以合适的镜头，在一定距离上可以拍摄不同长度尺寸的图像。采用微距镜头可以近距离拍摄长度尺寸较小的测量对象，有较高的位移精度分辨率；采用长焦镜头可以远距离拍摄长度尺寸较大的测量对象，位移精度分辨率则较低；测量频率不受镜头种类和拍摄距离影响，最高频率决定于线阵相机的频率。
图1为本发明提供的一种位移和速度测量方法的装置连接示意图，从高处落下的物体的位移和速度测量方法，由以下3个步骤组成：
步骤1：以被测物体1本身作为测量标识。
步骤2：线阵相机2配置合适的镜头3，在一定距离上对准被测物体1。线阵相机2的传感器长度方向平行于被测物体1的下落方向，并且保证被测物体1在下落过程可以被线阵相机2拍摄到。如果亮度不够，可以开启光源6对准被测物体1，以获得清晰的图像。线阵相机2参数调整为：线分辨率10微米，像素数4096，拍摄频率10000fps，成像比例10∶1。
步骤3：被测物体1开始下落，线阵相机2以10000fps频率拍摄图像，被测物体1通过拍摄范围后，停止拍摄。与线阵相机2相连的图像采集卡4采集拍摄的图像，并通过图像数字化处理软件转换为数字信号，输入计算机5进行处理，获得物体在400mm范围的运动情况，达到0.1毫米的尺寸分辨率，时间分辨率达到100微秒。
每幅图像都对应于一个时间。系统采集的数据以被测物体1的“位置-时间”记录保存。通过“位置-时间”的数据计算出在被测物体1在所记录的任意时间的位移和任意位置的速度。
实施例2
弹性物体的高速拉伸测试。
高速拉伸的物体的位移和速度测量方法，由以下3个步骤组成：
步骤1：结合图2，在被测物体1上做好测量标识A和测量标识B。
步骤2：线阵相机2配置合适的镜头3，在一定距离上对准被测物体1，保证可以拍摄到从开始拉伸一直到拉伸结束的测量标识A和测量标识B。如果亮度不够，可以开启光源6对准被测物体1，以获得清晰的图像。线阵相机2参数调整为：线分辨率5微米，像素数16000，拍摄频率20000fps，成像比例1∶1。
步骤3：开启线阵相机2，迅速开始拉伸测试，被测物体1两端拉伸速度均为5m/s。拉伸结束，停止拍摄。与线阵相机2相连的图像采集卡4采集拍摄的图像，并通过图像数字化处理软件转换为数字信号，输入计算机5进行处理，可以分别获得t0、t1、t2、t3时刻测量标识A和测量标识B的相对位移L0、L1、L2、L3，进而计算出测量标识A和测量标识B的相对运动速度。

Claims (3)

1.一种位移和速度测量方法，其特征在于：该方法由以下3个步骤组成：
步骤1：在被测物体(1)的测量段内，以被测物体(1)本身的特征作为测量标识，或者根据测量需要，在被测物体(1)上做测量标识；
步骤2：将被测物体(1)放在线阵相机(2)的镜头(3)的前方，线阵相机(2)的扫描方向平行于测量方向，并调整被测试物体(1)上的测量标识在线阵相机(2)的扫描范围内；
步骤3：被测物体(1)开始运动或者变形，线阵相机(2)以设定频率拍摄图像；与线阵相机(2)相连的图像采集卡(4)采集拍摄的图像上的测量标识，并通过图像数字化处理软件转换为数字信号，输入计算机(5)进行处理，再结合每幅图像的拍摄时间，输出每个测量标识的一维位移、不同测量标识之间的一维相对位移，以及每个测量标识的速度和不同测量标识之间的相对速度。
2.如权利要求1所述的一种位移和速度测量方法，其特征在于：所述位移测量的精度分辨率最高为0.001mm。
3.如权利要求1所述的一种位移和速度测量方法，其特征在于：所述步骤3中线阵相机(2)的设定频率最高为1×106次/秒。
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