CN105651198A - 应力监测方法和应力监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应力监测方法和应力监测装置。所述应力监测方法包括以下步骤：A)在被测物体变形或加载前，获取被测物体的被测区域内的至少两个预设图形的图像以便得到基准图像，预设图形具有特征追踪点；B)经过预定时间变形或加载后，获取至少两个预设图形的图像以便得到目标图像；和C)计算基准图像中至少两个预设图形的特征追踪点在应变测量方向上的第一距离以及目标图像中至少两个预设图形的特征追踪点在应变测量方向上的第二距离，根据第一和第二距离得到被测物体在应变测量方向上的应变。根据本发明实施例的应力监测方法可以地测量该被测物体的应变、应力。

Description

应力监测方法和应力监测装置

技术领域

本发明涉及应力监测方法，还涉及应力监测装置。

背景技术

对于重量大、体积大的机械部件(例如机架)来说，采用整体制造的方法对其进行加工极为困难，成本高、运输困难且风险加大。可以采用剖分-坎合技术对重量大、体积大的机械部件进行分段制造，利用预应力钢丝缠绕技术对其各个剖分-坎合面进行施加预紧力，增加各个剖分面上的摩擦力，使预应力钢丝缠绕的整个机械部件保持其整体性，以保证该机械部件的力学性能。

在预应力钢丝缠绕的机械部件的实际使用过程中，由于预紧件钢丝的蠕变、松弛和少数断裂以及该机械部件自身的变形现象，会导致预紧力损失。当该机械部件的预紧力损失达到一定程度时会影响其整体性，出现开缝或错移现象，影响其正常使用，引起安全性问题。因此，找到一种有效的应力测量方法对预应力钢丝缠绕的机械部件上所存在的预紧力进行监测显得极为重要。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种可以测量该被测物体的应变、应力的监测方法。

本发明还提出一种可以测量该被测物体的应变、应力的监测装置。

根据本发明第一方面实施例的应力监测方法包括以下步骤：A)在被测物体变形或加载前，获取所述被测物体的被测区域内的至少两个预设图形的图像以便得到基准图像，所述预设图形为投影到一个方向的灰度值之和能够用已知函数进行描述的图像，且所述预设图形具有特征追踪点；B)经过预定时间变形或加载后，获取所述至少两个预设图形的图像以便得到目标图像；和C)计算所述基准图像中所述至少两个预设图形的特征追踪点在应变测量方向上的第一距离以及所述目标图像中所述至少两个预设图形的特征追踪点在所述应变测量方向上的第二距离，根据所述第一距离和所述第二距离得到所述被测物体在所述应变测量方向上的应变。

根据本发明实施例的应力监测方法可以测量该被测物体的应变、应力。

另外，根据本发明上述实施例的应力监测方法还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述应变测量方向为多个，且沿每个所述应变测量方向布置至少两个所述预设图形，所述应力监测方法进一步包括根据所述被测物体在每个所述应变测量方向上的应变，通过角度变换和投影得到所述被测物体在任意方向上的应变。

根据本发明的一个实施例，所述步骤C)包括：

C-1)对所述目标图像和所述基准图像进行灰度化处理，以便得到至少两个所述预设图形的每个点的灰度值；

C-2)以所述应变测量方向为X方向，在Y方向上选取测量范围，其中在所述测量范围内，所述预设图形的数量大于等于两个，所述X方向上的每一个点在所述Y方向上对应的所述预设图形的数量小于等于1；

C-3)在所述测量范围内，按照公式Ⅰ对所述X方向上的每一个点所对应的所述预设图形的点的灰度值进行取和、求平均，以便得到所述X方向上的每一个点所对应的所述预设图形的灰度值密度：

公式Ⅰ $T_i=\frac{\underset{j=e}{\overset{f}{\Σ}}g(x_i,y_j)}{L},(i=1,2,3,...,m)$

其中，T_i为所述X方向上的一个点所对应的所述预设图形的灰度值密度，y_e和y_f分别为所述测量范围的下限和上限，g(x_i,y_j)为所述预设图像的一个点的灰度值，L＝yf-ye；

C-4)以所述X方向上的点为X轴坐标且以T_i为Y轴坐标，得到所述测量范围内的全部所述预设图形的灰度值密度曲线；

C-5)利用最小函数二乘法以选定的拟合函数对所述灰度值密度曲线进行拟合，以便得到所述测量范围内的每个所述预设图形的特征追踪点在X轴上的投影坐标，

Q＝min∑[S(x_i)-T_i]²

其中，S(xi)为所述拟合函数，Q为n个数据点的偏差平方和最小值；

C-6)计算所述测量范围内的每个所述预设图形的特征追踪点在所述X方向上的位置移动量，以所述X方向上的点为X轴坐标且以所述位置移动量为Y轴坐标，利用线性函数对所述位置移动量进行数据拟合，

y＝ax+b

其中，待定系数a为所述X方向上的应变值，b为所述线性函数在Y轴上的截距。

根据本发明的一个实施例，在所述测量范围内，所述预设图形的数量大于等于两个，在所述步骤C-5)中，在X轴上选取待拟合区域，利用最小函数二乘法以所述拟合函数对所述待拟合区域内的灰度值密度曲线进行拟合，以便得到所述测量范围内的每个所述预设图形的特征追踪点在X轴上的投影坐标。

根据本发明的一个实施例，所述预设图形为规则图形，优选地，所述规则图形选自圆形、正多边形、椭圆形、高斯函数图形和单峰曲线图形中的一个，其中，所述圆形的特征追踪点为圆心，所述正多边形的特征追踪点为中心和/或顶点，所述椭圆形的特征追踪点为椭圆心，所述高斯函数图形的特征追踪点为峰值点，所述单峰曲线图形的特征追踪点为峰值点。

根据本发明的一个实施例，

当所述规则图形为圆形时，所述拟合函数为：

$S\left(x_i\right)=a_1\sqrt{{a_2}^2-{(x-a_3)}^2}+a_4$

其中，a1、a2、a3、a4为所述拟合函数的待定拟合系数，a3为所述圆形的特征追踪点在X轴上的投影坐标；

当所述规则图形为椭圆形时，所述拟合函数为：

$S\left(x_i\right)=a_1\sqrt{{a_2}^2-{(x-a_3)}^2}+a_4$

其中，a₁、a₂、a₃、a₄为所述拟合函数的待定拟合系数，a₃为所述椭圆形的特征追踪点在X轴上的投影坐标；

当所述规则图形为高斯函数图形时，所述拟合函数为：

$S\left(x_i\right)=a_1{e}^{\frac{-{(x-a_2)}^2}{{a_3}^2}}+a_4$

其中，a₁、a₂、a₃、a₄为所述拟合函数的待定拟合系数，a₂为所述高斯函数图形的特征追踪点在X轴上的投影坐标；

当所述规则图形为单峰曲线图形时，所述拟合函数为：

S(x_i)＝a₁(x-a₂)³+a₃(x-a₂)²+a₄(x-a₂)+a₅

其中，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅为所述拟合函数的待定拟合系数，a₂为所述单峰曲线图形的特征追踪点在X轴上的投影坐标。

根据本发明的一个实施例，所述至少两个预设图形为激光打标图形，所述至少两个预设图形排列成矩形阵列，优选地，所述矩形阵列的长度和宽度均小于等于10毫米。

根据本发明的一个实施例，所述被测物体为液压机的重型承载机架，所述重型承载机架的重量大于等于100吨，所述重型承载机架上缠绕有预应力钢丝。

根据本发明第二方面实施例的应力监测装置包括：光源，所述光源用于发出光线至被测物体的待测区域内的至少两个预设图形；相机组件，所述相机组件包括用于采集所述至少两个预设图形的图像的相机、控制所述相机在睡眠模式与工作模式之间切换的控制模块以及用于传输所述相机采集的所述图像的第一无线发射/接收模块；和处理器，所述处理器具有与所述第一无线发射/接收模块通信连接的第二无线发射/接收模块以便接收所述图像以及处理所述图像。

根据本发明实施例的应力监测装置可以测量该被测物体的应变、应力。

根据本发明的一个实施例，所述应力监测装置进一步包括用于在所述被测物体的待测区域内制作所述至少两个预设图形的激光打标机，优选地，所述被测物体为液压机的重型承载机架，所述重型承载机架的重量大于等于100吨，所述重型承载机架上缠绕有预应力钢丝，更加优选地，所述应力监测装置进一步包括固定平台，所述固定平台设在所述被测物体上，所述相机组件设在所述固定平台上。

附图说明

图1是根据本发明实施例的应力监测装置的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的应力监测装置的使用状态图；

图3是图2的K区域的放大图；

图4a-图4f为预设图形的矩阵图；

图5为预设图形在被测物体变形前后的示意图；

图6为灰度值密度曲线图；

图7为线性函数拟合图；

图8为根据本发明实施例的应力监测方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述根据本发明实施例的应力监测方法。如图4a-图8所示，根据本发明实施例的应力监测方法包括以下步骤：

A)在被测物体变形或加载前，获取该被测物体的被测区域内的至少两个预设图形的图像以便得到基准图像，该预设图形为投影到一个方向的灰度值之和能够用已知函数进行描述的图像，该预设图形具有特征追踪点；

B)经过预定时间变形或加载后，获取该至少两个预设图形的图像以便得到目标图像；和

C)计算该基准图像中该至少两个预设图形的特征追踪点在应变测量方向上的第一距离以及该目标图像中该至少两个预设图形的特征追踪点在该应变测量方向上的第二距离，根据该第一距离和该第二距离得到该被测物体在该应变测量方向上的应变。

根据本发明实施例的应力监测方法可以测量该被测物体的应变、应力。

其中，可以通过已知的方法由应变计算得到应力，应力损失量是指该被测物体在变形前后的应力之差。也就是说，该被测物体在变形前的应力减去该被测物体在变形后的应力等于该应力损失量。

有利地，根据本发明实施例的应力监测方法和应力监测装置可以用于长期地测量该被测物体的应变、应力。也就是说，根据本发明实施例的应力监测方法和应力监测装置可以分别为应力长期监测方法和应力长期监测装置。

其中，长期测量是指：在至少一年的时间内，可以持续地、定期或不定期地测量该被测物体的应变、应力。

具体地，如图5所示，在该基准图像中，该预设图形M、N、S的特征追踪点(圆心)的坐标分别为(x_m，y_m)、(x_n，y_n)、(x_s，y_s)。在该目标图像中，该预设图形M、N、S的特征追踪点的坐标分别为(x_m1，y_m1)、(x_n1，y_n1)、(x_s1，y_s1)。则该被测物体在X方向和Y方向上的应变可由式(1)得到：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{l_{ns1}-l_{ns}}{l_{ns}}\frac{(x_{s1}-x_{n1})-(x_s-x_n)}{(x_s-x_n)}\\ {\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{l_{nm1}-l_{nm}}{l_{nm}}=\frac{(y_{m1}-y_{n1})-(y_m-y_n)}{(y_m-y_n)}\end{array}\right.---\left(1\right)$

在式(1)中，l_ns和l_ns1分别为在该被测物体在变形前后该预设图形N、S的特征追踪点之间的距离在X坐标轴(X方向)上的投影长度，l_nm、l_nm1分别为在该被测物体在变形前后该预设图形N、M的特征追踪点之间的距离在Y坐标轴(Y方向)上的投影长度，ε_x和ε_y分别为该被测物体在X方向和Y方向上的应变。

下面以该被测物体为液压机的重型承载机架为例，参考图4a-图8详细地描述根据本发明实施例的应力监测方法。其中，该重型承载机架的重量大于等于100吨，该重型承载机架上缠绕有预应力钢丝。

可以利用激光打标机在该被测物体上制作该至少两个预设图形，即该至少两个预设图形为激光打标图形。由此不仅可以在该被测物体的被测区域内精确地制作该预设图形，而且可以使该预设图形能够永久性的存在于该被测物体的被测区域内。在该被测物体的缠绕、安装、调试、生产过程中不易受到损坏，可长期作为规则图形跟踪算法的特征图形。此外，在激光打标过程中，该被测物体无变形、无污染，且打标速度快、自动化程度高，避免了电测法测量过程中的繁琐贴片工作。

在被测物体变形或加载前，获取该被测物体的被测区域内的至少两个预设图形的图像以便得到基准图像。经过预定时间变形或加载后，获取该至少两个预设图形的图像以便得到目标图像。其中，该预定时间可以根据经验获得。具体而言，当该重型承载机架使用三年后，该重型承载机架的应力损失达到会影响其整体性的程度，那么该预定时间可以是两年。而且，每隔一定时间(例如一个月)，都对该重型承载机架的应变和应力进行测量。

对该目标图像和该基准图像进行灰度化处理，以便得到该至少两个预设图形的每个点的灰度值。

由于该被测物体变形的任意性，因此该基准图像中的该预设图形的整像素位置点(x，y)在该目标图像中的位置为(x₁，y₁)，该点通常位于亚像素位置。而本发明所利用的规则图案跟踪算法是基于该预设图形上的灰度值来追踪特征追踪点的位置变化，可借助周围整像素点的灰度值对该预设图形进行亚像素插值求取(x₁，y₁)，以提高应变计算精度。

在图像的拍摄、采集过程中噪声对图像有较大的影响，易造成该预设图形边缘的信息丢失，从而影响计算精度。可以应用图像平滑技术对图像进行处理。中值滤波是一种可去除孤点噪声保持图像边缘特性的技术，不会使图像产生显著的模糊，可用该方法对插值后的灰度值图像进行滤波处理以提高计算精度。

对该被测物体的应力的监测是一个长期拍摄过程，工程现场拍摄环境复杂，难以保证长期监测过程中每次拍摄所采用光源的一致性，易造成拍摄图像中的灰度值特征发生变化。为消除应力长期监测过程中对拍摄光源的依懒性，减少噪音的影响，计算过程中可利用阈值化过程与反值化处理使已插值与滤波后的图像改变自身具体区域内的灰度值。

具体而言，通过阈值化处理，可以舍弃该预设图形的冗余信息，图像的像素点的灰度值小于阈值K时赋值为0，图像的像素点的灰度值大于等于阈值K时保持其原灰度值。由此可以获得灰度值为0或大于阈值K的阈值化图像，即该预设图形上的像素点的灰度值保持不变，其他区域内的像素点的灰度值为0，这也是本发明的规则图形跟踪算法的优点之一。

以该应变测量方向为X方向，在Y方向上选取测量范围。其中，在该测量范围内，该预设图形的数量大于等于两个，该X方向上的每一个点对应的该预设图形的数量小于等于1。优选地，在该测量范围内，该预设图形的数量大于等于三个。

也就是说，在该测量范围内，多个该预设图形沿该X方向依次排列，多个该预设图形在该X方向上的投影部分没有重合。换言之，该X方向上的每一个点要么在该Y方向上对应一个该预设图形，要么在该Y方向上不与该预设图形对应。其中，该X方向上的一个点在该Y方向上与一个该预设图形对应是指：该X方向上的该点在该Y方向上与一个该预设图形的至少一个点对应。

如图4a所示，多个该预设图形排列成矩形阵列，该矩形阵列的一排该预设图形位于该测量范围内。

在该测量范围内，按照式(2)，即公式Ⅰ对该X方向上的每一个点所对应的该预设图形的点的灰度值进行取和、求平均，以便得到该X方向上的每一个点所对应的该预设图形的灰度值密度：

式(2) $T_i=\frac{\underset{j=e}{\overset{f}{\Σ}}g(x_i,y_j)}{L},(i=1,2,3,...,m)$

其中，T_i为该X方向上的一个点所对应的该预设图形的灰度值密度，y_e和y_f分别为该测量范围的下限和上限，g(x_i,y_j)为该预设图像的一个点的灰度值，L＝y_f-y_e。

然后，以该X方向(即该应变测量方向)上的点为X轴坐标且以T_i为Y轴坐标，得到该测量范围内的全部该预设图形的灰度值密度曲线。

有利地，该预设图形为规则图形。更加有利地，该规则图形选自圆形、正多边形、椭圆形、高斯函数图形和单峰曲线图形中的一个。其中，该圆形的特征追踪点为圆心，该正多边形的特征追踪点为中心和/或顶点，该椭圆形的特征追踪点为椭圆心，该高斯函数图形的特征追踪点为峰值点，该单峰曲线图形的特征追踪点为峰值点。

鉴于为规则图形的该预设图形的特征追踪点的唯一性和该预设图形的对称性的特点，该灰度值密度曲线必为单一波峰的对称型曲线。图4a中的该预设图形A、B、C分别对应于图5中的单峰值曲线A、B、C。

利用最小函数二乘法以选定的拟合函数对该灰度值密度曲线进行拟合，以便得到该测量范围内的每个该预设图形的特征追踪点在该X轴上的投影坐标。

有利地，在该X轴上选取待拟合区域(例如图6中的x₁≤x≤x₂、x₃≤x≤x₄、x₅≤x≤x₆)，利用最小函数二乘法以该拟合函数对该待拟合区域内的该灰度值密度曲线进行拟合，以便得到该测量范围内的每个该预设图形的特征追踪点在X轴上的投影坐标。

式(3)Q＝min∑[S(x_i)-T_i]²

其中，S(x_i)为该拟合函数，Q为n个数据点的偏差平方和最小值。

当该规则图形为圆形时，如图4a所示，该拟合函数为：

式(4) $S\left(x_i\right)=a_1\sqrt{{a_2}^2-{(x-a_3)}^2}+a_4$

其中，a₁、a₂、a₃、a₄为该拟合函数的待定拟合系数，a3为该圆形的特征追踪点在该X轴上的投影坐标。

当该规则图形为椭圆形时，如图4d所示，该拟合函数为：

式(5) $S\left(x_i\right)=a_1\sqrt{{a_2}^2-{(x-a_3)}^2}+a_4$

其中，a₁、a₂、a₃、a₄为该拟合函数的待定拟合系数，a₃为该椭圆形的特征追踪点在该X轴上的投影坐标。

当该规则图形为高斯函数图形时，如图4e所示，该拟合函数为：

式(6) $S\left(x_i\right)=a_1{e}^{\frac{-{(x-a_2)}^2}{{a_3}^2}}+a_4$

其中，a₁、a₂、a₃、a₄为该拟合函数的待定拟合系数，a₂为该高斯函数图形的特征追踪点在该X轴上的投影坐标。

当该规则图形为单峰曲线图形时，如图4f所示，该拟合函数为：

式(7)S(x_i)＝a₁(x-a₂)³+a₃(x-a₂)²+a₄(x-a₂)+a₅

其中，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅为该拟合函数的待定拟合系数，a₂为该单峰曲线图形的特征追踪点在该X轴上的投影坐标。

计算该测量范围内的每个该预设图形的特征追踪点在该X方向上的位置移动量，以该X方向上的点为X轴坐标且以该位置移动量为Y轴坐标，利用线性函数对该位置移动量进行数据拟合，

y＝ax+b

其中，待定系数a为该X方向上的应变值，b为该线性函数在Y轴上的截距。

具体而言，在该基准图像中，该测量范围内的该预设图形的特征追踪点在该X轴上的投影坐标分别为x_a、x_b、x_c。在该目标图像中，该测量范围内的该预设图形的特征追踪点在该X轴上的投影坐标分别为x_ai、x_bi、x_ci，则该测量范围内的该预设图形的特征追踪点在该X方向上的位置移动量为Δx_a、Δx_b、Δxc，如式(8)所示：

式(8) $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δx}}_a=x_{ai}-x_a\\ {\mathrm{\Δx}}_b=x_{bi}-x_b\\ {\mathrm{\Δx}}_c=x_{ci}-x_c\end{array}\right.$

改变该测量范围，以便计算其他测量范围内的该预设图形的特征追踪点在该X方向上的位置移动量，进而获得该被测物体的其他测量范围内的在该X方向上的应变值。

如图4a-图4b所示，该至少两个预设图形排列成矩形阵列。有利地，该矩形阵列的长度和宽度均小于等于10毫米。由此可以极大地减小图像采集范围，该图像采集范围越小，单位长度上的像素点越多，计算精度越高。也就是说，本发明所利用的测量方法可以求取小区域内的应变，在小变形情况下可认为工程应变能反映真实应变。在计算时，如果仅选取两个该预设图形进行应变求解，则仅能反映两个该预设图形的特征追踪点之间的应变，而不能反映该被测物体的被测区域内的沿某一方向的平均应变。有利地，该预设图形为至少三个，计算该基准图像和该目标图像中的在该应变测量方向上相邻的两个或任意两个该预设图形的特征追踪点的距离以便得到多个该第一距离和多个该第二距离。

然后，根据多个该第一距离计算得到第一平均距离，根据多个该第二距离计算得到第二平均距离，根据该第一平均距离和该第二平均距离得到该被测物体在该应变测量方向上的应变。也就是说，在该测量范围内选取至少三个该预设图形，以便求取至少三个该预设图形的特征追踪点之间的长度变化量的平均值而得到变形区域内的应变平均值。

此外，可以在该被测物体上选取多个被测区域，每个被测区域内均设有至少两个该预设图形。通过上述的方法求取每个被测区域的应变值，以便更精确地测量该被测物体的应变。

以上描述了该应变测量方向为X方向时的测量方法，该应变测量方向为其他方向(例如Y方向)时的测量方法与上述测量方法相同，因此不再详细地描述。

有利地，该应变测量方向为多个，且沿每个该应变测量方向布置至少两个该预设图形，该应力监测方法进一步包括根据该被测物体在每个该应变测量方向上的应变，通过角度变换和投影得到该被测物体在任意方向上的应变。例如，根据该被测物体在该X方向和该Y方向上的应变，通过角度变换和投影得到该被测物体在任意方向上的应变。

本发明利用的规则图形跟踪算法不同于数字图像相关算法，该规则图形跟踪算法避免了数字图像相关算法中计算相关系数的繁琐过程。该规则图形跟踪算法是基于规则图形的灰度值密度曲线进行数据拟合、特征点跟踪而实现物体的应变、应力求取，是一种采集物体变形前后的近景图像、并计算单一方向的应变、应力的测量方法。该规则图形跟踪算法的图像采集范围为毫米级，图像采集范围越小，单位长度上的像素点越多，计算精度越高。

近景图像测量方法的优势是：相机体积小，可直接固定于该被测物体的表面的待测量位置，利用高分辨率的镜头拍摄较小的区域，可获得较高的应力测量精度。

本发明通过利用近景图像测量方法，可以防止在采集图像时，重型承载机架的表面的关键测量位置不被安装在其上的液压供油管路、安全把手、支撑架子等附件遮挡，且重型液压机工作台以下部分通常被埋置于地坑内，不利于对重型承载机架的图像进行整体采集或远距离采集。也就是说，如果该被测物体不是重型承载机架，可以不采集该被测物体的近景图像。

下面参考附图描述根据本发明实施例的应力监测装置10。如图1-图3所示，根据本发明实施例的应力监测装置10包括光源101、相机组件102和处理器103。

光源101用于发出光线至被测物体20的待测区域内的至少两个预设图形201，以便为相机组件102采集至少两个预设图形201的图像提供光线。相机组件102包括用于采集该至少两个预设图形201的图像的相机1021(例如CCD相机)、控制相机1021在睡眠模式与工作模式之间切换的控制模块1022以及用于传输相机1021采集的该图像的第一无线发射/接收模块1023。处理器103具有与第一无线发射/接收模块1023通信连接的第二无线发射/接收模块1031以便接收该图像以及处理该图像。

根据本发明实施例的应力监测装置10可以用于监测(测量)被测物体20的应变、应力。

如图3所示，在本发明的一些示例中，应力监测装置10进一步包括固定平台104，固定平台104设在被测物体20上，相机组件102设在固定平台104上。由此可以更加稳固地安装相机组件102，从而可以更加稳定地获取该至少两个预设图形201的图像，以便提高测量的精确度。而且，可以保证相机1021的镜头与该至少两个预设图形201之间的距离不变，且保证相机1021的镜头与该被测物体的表面的相对位置在图像采集过程中保持不变。

有利地，如图3所示，固定平台104包括第一安装板1041、水平杆1042、竖直杆1043和第二安装板(图中未示出)。第一安装板1041固定在被测物体20上，水平杆1042固定在第一安装板1041上，竖直杆1043固定在水平杆1042上，该第二安装板固定在竖直杆1043上。其中，相机组件102安装在该第二安装板上。由此可以使应力监测装置10的结构更加合理。

具体而言，被测物体20的待测区域可以位于被测物体20的竖直面上。第一安装板1041可以焊接在被测物体20的该竖直面上且邻近被测物体20的待测区域(例如，第一安装板1041位于被测物体20的待测区域的下方)。换言之，第一安装板1041竖直地设置。水平杆1042焊接在第一安装板1041上，竖直杆1043焊接在水平杆1042上，该第二安装板水平地焊接在竖直杆1043上。

基于预设图形的重型承载机架的应力测量方法具体实施方式如下：

(1)在对重型承载机架进行钢丝缠绕施工之前，在重型承载机架的表面的多个被测区域制作该预设图形，调整相机1021的焦距、光圈，在计算机图像采集界面上获得清晰的该预设图形的图像。

(2)在该重型承载机架缠绕、安装、调试之后，将相机组件102置于该预设图形的正上方，借助水平仪调整相机1021的姿态，以便使其光轴垂直于该重型承载机架的表面，使该预设图形尽量居中，以减小镜头畸变影响。

(3)待重型液压机安装完工后，定时采集多个被测区域的该预设图形，并将采集的图像发送到处理器103(例如计算机采集系统)进行处理。

(4)利用规则图形跟踪算法对相机1021采集到的该基准图像和该目标图像进行对比分析，可得预应力钢丝缠绕的该重型承载机架的表面的被测区域的应变值，进而求得该重型承载机架的表面的被测区域的预应力或预紧压力损失量。

本发明具有以下优点：

(1)激光打标机可在被测物体的表面的被测区域内精确地制作各种预设图形，以适应规则图形跟踪算法的需要。打标所得的预设图形可永久性的存在于被测物体的表面，在被测物体的缠绕、安装、调试、生产过程中不易受到损坏，可长期作为规则图形跟踪算法的特征图形。此外，在激光打标过程中，该被测物体无变形、无污染，且打标速度快、自动化程度高，避免了电测法测量过程中的繁琐贴片工作。

(2)CCD相机的尺寸小、重量轻，在重型液压机安装完成后通过固定平台104可长期固定于打标的预设图形的上方，需要测量时通过相机组件102自带的控制模块1022将其唤醒，以便进行图像采集、测量，简单方便。利用无线控制模块实现了CCD相机与计算机的无线传输功能，避免了电测法测量过程中应变片与应变仪复杂的接线问题，将工厂环境对测量造成的负面影响降到最低。

(3)多个CCD相机分别固定置于多个监测点，进行微观的、近距离的图像采集，图像识别率高，测量精度高，不存在图像采集中压机油管等附件对图像采集造成的干扰问题。

(4)在重型承载机架进行钢丝缠绕施工前，对其被测区域的预设图形进行图像采集作为目标图像，在重型承载机架进行钢丝缠绕后，对其被测区域的预设图形进行图像采集(可以进行多次采集)作为目标图像，经过计算后可实现预应力钢丝缠绕的重型承载机架的长期应力损失监测，这个优势是电测法无法比拟和实现的。

(5)利用本发明的方法进行应力测量，对试验环境和设备要求比较低，便于操作和实施。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种应力监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

A)在被测物体变形或加载前，获取所述被测物体的被测区域内的至少两个预设图形的图像以便得到基准图像，所述预设图形为投影到一个方向的灰度值之和能够用已知函数进行描述的图像，且所述预设图形具有特征追踪点；

B)经过预定时间变形或加载后，获取所述至少两个预设图形的图像以便得到目标图像；和

C)计算所述基准图像中所述至少两个预设图形的特征追踪点在应变测量方向上的第一距离以及所述目标图像中所述至少两个预设图形的特征追踪点在所述应变测量方向上的第二距离，根据所述第一距离和所述第二距离得到所述被测物体在所述应变测量方向上的应变。

2.根据权利要求1所述的应力监测方法，其特征在于，所述应变测量方向为多个，且沿每个所述应变测量方向布置至少两个所述预设图形，所述应力监测方法进一步包括根据所述被测物体在每个所述应变测量方向上的应变，通过角度变换和投影得到所述被测物体在任意方向上的应变。

3.根据权利要求1所述的应力监测方法，其特征在于，所述步骤C)包括：

C-1)对所述目标图像和所述基准图像进行灰度化处理，以便得到至少两个所述预设图形的每个点的灰度值；

C-2)以所述应变测量方向为X方向，在Y方向上选取测量范围，其中在所述测量范围内，所述预设图形的数量大于等于两个，所述X方向上的每一个点在所述Y方向上对应的所述预设图形的数量小于等于1；

C-3)在所述测量范围内，按照公式Ⅰ对所述X方向上的每一个点所对应的所述预设图形的点的灰度值进行取和、求平均，以便得到所述X方向上的每一个点所对应的所述预设图形的灰度值密度：

公式Ⅰ $T_i=\frac{\underset{j=e}{\overset{f}{\Σ}}g(x_i,y_j)}{L},(i=1,2,3,...,m)$

其中，T_i为所述X方向上的一个点所对应的所述预设图形的灰度值密度，y_e和y_f分别为所述测量范围的下限和上限，g(x_i,y_j)为所述预设图像的一个点的灰度值，L＝y_f-y_e；

C-4)以所述X方向上的点为X轴坐标且以T_i为Y轴坐标，得到所述测量范围内的全部所述预设图形的灰度值密度曲线；

C-5)利用最小函数二乘法以选定的拟合函数对所述灰度值密度曲线进行拟合，以便得到所述测量范围内的每个所述预设图形的特征追踪点在X轴上的投影坐标，

Q＝min∑[S(x_i)-T_i]²

其中，S(x_i)为所述拟合函数，Q为n个数据点的偏差平方和最小值；

C-6)计算所述测量范围内的每个所述预设图形的特征追踪点在所述X方向上的位置移动量，以所述X方向上的点为X轴坐标且以所述位置移动量为Y轴坐标，利用线性函数对所述位置移动量进行数据拟合，

y＝ax+b

其中，待定系数a为所述X方向上的应变值，b为所述线性函数在Y轴上的截距。

4.根据权利要求3所述的应力监测方法，其特征在于，在所述测量范围内，所述预设图形的数量大于等于两个，在所述步骤C-5)中，在X轴上选取待拟合区域，利用最小函数二乘法以所述拟合函数对所述待拟合区域内的灰度值密度曲线进行拟合，以便得到所述测量范围内的每个所述预设图形的特征追踪点在X轴上的投影坐标。

5.根据权利要求3所述的应力监测方法，其特征在于，所述预设图形为规则图形，优选地，所述规则图形选自圆形、正多边形、椭圆形、高斯函数图形和单峰曲线图形中的一个，其中，所述圆形的特征追踪点为圆心，所述正多边形的特征追踪点为中心和/或顶点，所述椭圆形的特征追踪点为椭圆心，所述高斯函数图形的特征追踪点为峰值点，所述单峰曲线图形的特征追踪点为峰值点。

6.根据权利要求5所述的应力监测方法，其特征在于，

当所述规则图形为圆形时，所述拟合函数为：

$S\left(x_i\right)=a_1\sqrt{{a_2}^2-{(x-a_3)}^2}+a_4$

其中，a₁、a₂、a₃、a₄为所述拟合函数的待定拟合系数，a₃为所述圆形的特征追踪点在X轴上的投影坐标；

当所述规则图形为椭圆形时，所述拟合函数为：

$S\left(x_i\right)=a_1\sqrt{{a_2}^2-{(x-a_3)}^2}+a_4$

其中，a₁、a₂、a₃、a₄为所述拟合函数的待定拟合系数，a₃为所述椭圆形的特征追踪点在X轴上的投影坐标；

当所述规则图形为高斯函数图形时，所述拟合函数为：

$S\left(x_i\right)=a_1{e}^{\frac{-{(x-a_2)}^2}{{a_3}^2}}+a_4$

其中，a₁、a₂、a₃、a₄为所述拟合函数的待定拟合系数，a₂为所述高斯函数图形的特征追踪点在X轴上的投影坐标；

当所述规则图形为单峰曲线图形时，所述拟合函数为：

S(x_i)＝a₁(x-a₂)³+a₃(x-a₂)²+a₄(x-a₂)+a₅

其中，a₁、a₂、a₃、a₄、a₅为所述拟合函数的待定拟合系数，a₂为所述单峰曲线图形的特征追踪点在X轴上的投影坐标。

7.根据权利要求3所述的应力监测方法，其特征在于，所述至少两个预设图形为激光打标图形，所述至少两个预设图形排列成矩形阵列，优选地，所述矩形阵列的长度和宽度均小于等于10毫米。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的应力监测方法，其特征在于，所述被测物体为液压机的重型承载机架，所述重型承载机架的重量大于等于100吨，所述重型承载机架上缠绕有预应力钢丝。

9.一种应力监测装置，其特征在于，包括：

光源，所述光源用于发出光线至被测物体的待测区域内的至少两个预设图形；

相机组件，所述相机组件包括用于采集所述至少两个预设图形的图像的相机、控制所述相机在睡眠模式与工作模式之间切换的控制模块以及用于传输所述相机采集的所述图像的第一无线发射/接收模块；和

处理器，所述处理器具有与所述第一无线发射/接收模块通信连接的第二无线发射/接收模块以便接收所述图像以及处理所述图像。

10.根据权利要求9所述的应力监测装置，其特征在于，进一步包括用于在所述被测物体的待测区域内制作所述至少两个预设图形的激光打标机，

优选地，所述被测物体为液压机的重型承载机架，所述重型承载机架的重量大于等于100吨，所述重型承载机架上缠绕有预应力钢丝，

更加优选地，所述应力监测装置进一步包括固定平台，所述固定平台设在所述被测物体上，所述相机组件设在所述固定平台上。