CN105698832A - 一种基于图像识别原理的在线式监控测量方法及传感器 - Google Patents

一种基于图像识别原理的在线式监控测量方法及传感器 Download PDF

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Abstract

一种基于图像识别原理的在线式监控测量方法，采用机械式测量工具获取待测物的待测量，将所获得的待测量表现为可由光学系统摄取、由图像识别系统处理识别的信息；利用光学成像系统摄取该待测量的图像后，通过图像识别系统将该图像解读为待测量的具体数值，最后将解读出的数值进行显示、记录或通过数据上传接口递交到数据采集系统实现在线监测。对于机械式测量工具及与之相关联的机械结构采用长寿命设计原则；对于光学成像系统、图像识别系统、数据上传接口及与之相关联的电子结构采用可更换设计原则；实现所述方法的在线式传感器，包括机械测量核心、图像信息采集处理及电子传送系统。本发明兼具传统纯机械式测量工具与电子式测量工具的优点。

Description

一种基于图像识别原理的在线式监控测量方法及传感器
技术领域
本发明属于土木工程测量技术领域，涉及一种基于图像识别原理的在线式监控测量方法及传感器。
背景技术
土木工程领域的监控测量通常具有如下特点：1.待测量变化值小；2.待测量变化缓慢；3.距离跨度大、不易现场测量，希望能在线收集测量到的数值；4.测量时间跨度大，有时一项测量会持续数年数十年甚至上百年；经常需要室外测量，测量设备会面临温差大、风吹日晒、雨淋、粉尘等恶劣环境。
当前土木领域常用的测量工具大致可以分为两类。第一种是纯机械式测量工具，如测量位移的游标卡尺、螺旋测微计、千分表；测量倾角的水平尺、测量质量的磅秤等；测量温度的煤油液位温度计；测量气压的指针式气压计。第二种是电子类测量工具，如测量位移的激光测距仪、磁致伸缩传感器、LVDT传感器；测量质量的电子磅秤；测量应变的电阻应变片、振弦式传感器；测量倾角的MEMS倾角传感器、陀螺仪；测量温度的热敏电阻温度计、热电偶温度计；测量气压的半导体压力计等。
纯机械式测量工具具有测量结果抖动小、数据连续性好、抗干扰能力强、寿命长的优点，但测量和数据读取操作只能人工到现场进行，不能和数据采集系统集成，易用性和实时性差。
传统的电子式测量工具具有精度高、易集成的优点。但由于电子元件性能容易受到温度干扰，其对抗电磁干扰、抗温度干扰的能力较弱；一般电子元件寿命不超过10年，导致其无法进行长期在线测量；在更换测量工具时，由于新旧测量工具特性的离散性，常会导致测量数据无法衔接。
目前测量工具中，纯机械式测量工具精度高、可信度高、抖动小，但测量结果无法实时上传；电子产品寿命通常不超过10年，测量结果容易受温度影响。目前土木领域未见可以同时有效满足测量精度高、抖动小、寿命长、抗干扰能力强、可在线收集这些要求的传感器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于图像识别原理的在线式监控测量方法及长寿命在线式传感器，同时满足土木工程监测领域的精度高、抖动小、寿命长、抗干扰能力强、可在线收集这些要求。
为达到以上目的，本发明的解决方案是：
一种在线式监控测量方法，采用机械式测量工具获取待测物的待测量，将所获得的待测量表现为可由光学系统摄取、由图像识别系统处理识别的信息；利用光学成像系统摄取该待测量的图像后，通过图像识别系统将该图像解读为待测量的具体数值，最后将解读出的数值进行显示、记录或通过数据上传接口递交到数据采集系统实现在线监测。
进一步，对于机械式测量工具及与之相关联的机械结构采用长寿命设计原则；对于光学成像系统、图像识别系统、数据上传接口及与之相关联的电子结构采用可更换设计原则；优选的，所述长寿命设计原则包括全部采用耐腐蚀材料、外表面喷漆、采用可替换的锌块减少电化学腐蚀、避免采用处于大应力下的部件；优选的，对于所述机械结构、电子结构中可能受到外界环境影响的部分进行密封以提高抗干扰性能。
所述待测量的表现形式为刻度，包括旋转指针式千分表的指针位置、游标卡尺的刻度位置、液泡温度计的液面位置。
一种实现上述方法的在线式传感器，包括安装支架、外壳、纯机械测量核心、光学成像系统、图像识别系统和数据上传接口。待测物的待测量(比如位移、应变、倾角等)通过安装支架、外壳等传递到纯机械测量核心上，反映为纯机械测量核心的刻度(如旋转指针式千分表的指针位置、游标卡尺的刻度位置、液泡温度计的液面位置等，该刻度变化通常可以利用肉眼直接解读为带测量的数值)，利用光学成像系统摄取该刻度的图像，通过图像识别系统将该图像解读为待测量的具体数值，最后将解读到的数值通过数据上传接口递交到数据采集系统。光学成像系统包括摄像头和光源。通过纯机械的监测量传递，确保待测量数值只和纯机械部分相关；安装支架、外壳、纯机械核心进行长寿命设计；光学成像系统、图像识别系统和数据上传接口进行可更换设计。
换言之，一种基于图像识别原理的在线式传感器，包括机械测量核心、图像信息采集处理及电子传送系统，所述机械测量核心具有能获取待测物的待测量、将所获得的待测量表现为可由光学系统摄取、由图像识别系统处理识别的信息的结构；
所述图像信息采集处理及电子传送系统，利用光学成像系统摄取所述待测量的图像后，通过图像识别系统将该图像解读为待测量的具体数值，最后将解读出的数值通过数据上传接口递交到数据采集系统实现在线监测。
进一步，所述机械测量核心包括参考部分和可动部分，所述参考部分与所述图像信息采集处理及电子传送系统固定于相同的基体；所述可动部分与待测物连接联动以表现出待测物的变化。
所述基于图像识别原理的在线式传感器包括外壳、光学成像系统、图像识别系统、数据上传接口、机械测量核心。
所述光学成像系统，图像识别系统及机械测量核心均设置于所述外壳中以提高对外界环境的抗干扰能力。
所述光学成像系统的光学镜头与机械测量核心的刻度部分相对，使得机械测量核心通过所述光学镜头在图像传感器上形成清晰的实像并能导入图像识别系统加以处理。
所述光学成像系统与图像识别系统连接以便实现供电并将采集到的成像信息导入图像识别系统中加以处理。
图像识别系统与数据上传接口连接以通过线缆将图像处理结果上传到数据采集系统从而实现在线监测。
所述可动部分与第一安装支架的一端通过活动联接结构固定在一起；所述第一安装支架的另一端可用于连接待测物。
所述外壳与第二安装支架的一端通过活动联接结构固定在一起；所述第一安装支架的另一端可用于连接待测物。
优选的，所述外壳上开设有供线缆或部件穿出的孔，所述孔上具有紧固作用的防水接头。
优选的，外壳上设有两个一面开口的盒子对扣起来，其中一个盒子的扣接断面设有凹槽，槽里面设有柔性橡胶条；另一个盒子扣接断面为凸型，所述两个盒子相互配合通过柔性橡胶条填充接触端面以实现气密防水。
所述基于图像识别原理的在线式传感器上安装支架的连接方式包括螺纹联接、焊接、铆接或过盈配合；优选的，外壳的材质为耐腐蚀材料，优选的，包括不锈钢、陶瓷、有机塑料、玻璃、树脂；优选的，机械测量核心采用的表现形式包括游标卡尺的刻度、旋转指针式千分表的指针位置、液泡温度计的液面位置、液泡水平尺的液泡位置；优选的，光学成像系统采用CMOS图像传感器或CCD图像传感器；优选的，光学成像系统采用凸透镜光学镜头、凹透镜、平面镜、全反射或光波导光学系统；优选的，光学成像系统采用红外LED光源、可见光LED光源或白炽灯光源；优选的，图像识别系统采用基于arm、FPGA、51、CPLD或DSP架构微处理器的电路板；优选的，数据上传接口采用通讯电缆、无线或红外方式。
优选的，除摄像头、电路板、通讯电缆外，其余组成部件均采用不锈钢材质。
由于采用纯机械式测量核心，待测物的监测量直接反应为机械组件的刻度，整个传感器的监测到的数值只和纯机械测量核心有关，而纯机械测量核心可以做长寿命设计，使其寿命达到100年。本发明的长寿命方案包括全部采用不锈钢材料、外表面喷漆、采用可替换的锌块减少电化学腐蚀、避免采用处于大应力下的部件。
由于待测物的监测量只和纯机械测量核心的刻度有关，替换光学成像系统、图像识别系统和数据上传接口不会影响测量值，因此本发明的传感器可以保证数据的连续性。
由于纯机械测量核心的刻度所代表的数值可以通过图像识别的方法转化为一个数值，该数值可以通过数据上传接口上传到数据采集系统上，从而保证了本发明传感器的在线性。
由于纯机械测量核心具有良好的温度稳定性、光学成像系统、图像识别系统和数据上传接口也不受温度影响，本发明的传感器具有良好的温度稳定性。
由于整个传感器的安装组件都是采用耐腐蚀材料例如不锈钢制成且做喷漆处理，纯机械测量组件、光学系统、运算组件都被密封在安装组件内部，本发明的传感器不受风沙、海水、强辐射的影响，具有良好的抗干扰特性。
附图说明
图1为本发明的一种实施例工程位移传感器的结构原理示意图。
图中，1为外壳，2为光学成像系统，3为图像识别系统，4为数据上传接口，5为纯机械测量核心，6为第一安装支架，7为第二安装支架，8为纯机械测量核心的刻度部分。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明进一步加以描述。
本发明基于图像识别原理的长寿命在线式传感器包括：外壳1，光学成像系统2，图像识别系统3，数据上传接口4，纯机械测量核心5，第一安装支架6，第二安装支架7。
光学成像系统2，图像识别系统3及纯机械测量核心5均设置于外壳1中；作为一种变化形式，其实图像识别系统3置于外壳1之外也是可以的，只要设置必要的保护条件使其能正常工作即可。
光学成像系统2的光学镜头与纯机械测量核心5的刻度部分相对，使得纯机械测量核心5通过所述光学镜头在图像传感器上形成清晰的实像并能导入图像识别系统3加以处理。
光学成像系统2与图像识别系统3连接以便实现供电并将采集到的成像信息导入图像识别系统3中加以处理。
图像识别系统3与数据上传接口4连接以通过线缆将图像处理结果上传到数据采集系统从而实现在线监测。
以图1所示监测A、B两个物体间的距离的情况为例，第二安装支架7通过螺纹联接或粘接等方式和待测物B固定在一起；外壳1和第二安装支架7通过螺纹联接固定在一起；纯机械测量核心5设置于外壳1内部，纯机械测量核心5分为参考部分和可动部分(简明起见，图中未显示)，参考部分和外壳1通过螺纹联接固定在一起；纯机械核心5的可动部分和第一安装支架6通过螺纹联接固定在一起；外壳1上设有孔，第一安装支架6从所述孔中穿过，贯通外壳1的内外。
第一安装支架6通过螺纹联接或粘接等方式和待测物A固定在一起；光学成像系统2设置于外壳1的内部，通过螺纹联接和外壳1固定，且光学成像系统2的凸透镜光学镜头正对着纯机械测量核心5的刻度部分8，且纯机械测量核心5通过凸透镜光学镜头在CMOS图像传感器上生成清晰的实像；图像识别系统3通过螺纹联接固定在外壳1的内部；光学成像系统2和图像识别系统3通过一段数据电缆连接到一起；连接数据上传接口4的数据电缆由外壳1上的孔穿出，外壳1上的孔采用具有紧固作用的防水接头，将数据上传接口4紧固在外壳1上；数据上传接口4在外壳1内部的端头通过锡焊固定在图像处理系统3上；数据上传接口4在外壳1外部的端头自由放置。
图像识别系统3为光学成像系统2供电并将光学成像系统2获取的图像导入到内存中，经过图像处理获取到刻度所对应的数值；图像处理系统可通过通讯电缆4将采集到的数值上传给数据采集系统(简明起见，图中未显示)。
传感器除摄像头、电路板、通讯电缆外，整体采用耐腐蚀材料例如不锈钢制作，保证了其在使用上的长寿命。由于纯机械测量核心5(例如游标卡尺)不含有高应力组件，在很长时间内不会产生蠕变，可以保证其读数的长期稳定性。
一般而言，图像采集系统电路板和摄像头的平均寿命只有5年，由于本设计中转换到的数值结果和摄像头、电路板无关，因此可以更换摄像头、电路板而不会改变采集到的数值，从而保证了数据的连续性。
外壳1可采用不锈钢矩形盒，进一步，为了便于更换外壳内的可更换部件，可在外壳设置两个一面开口的盒子对扣起来，其中一个盒子的扣接断面设有凹槽，槽里面设有柔性橡胶条；另一个盒子扣接断面为凸型，如此两个盒子相互配合可通过柔性橡胶条填充接触端面，具有气密防水的效果；纯机械测量核心5的可采用一截游标卡尺；光学成像系统2包括CMOS图像传感器、凸透镜光学镜头、红外LED；图像识别系统3为以ARM微处理器为核心的电路板；数据上传接口4为通讯电缆。所述每个部件均为公知技术，此不赘述。
根据实际情况的需要，上述具体实施方式中各种技术特征可以进行各种适当的变换或调整，例如：安装支架不采用螺栓而是采用焊接、铆接、过盈配合等方式；外壳不采用不锈钢而是采用陶瓷、有机塑料、玻璃、树脂等其他耐腐蚀材料；外壳不采用矩形盒而采用其他形状；纯机械测量核心不采用游标卡尺的刻度而是采用旋转指针式千分表的指针位置、液泡温度计的液面位置、液泡水平尺的液泡位置等；光学成像系统不采用CMOS图像传感器而采用CCD图像传感器；不采用凸透镜光学镜头而采用凹透镜、平面镜、全反射、光波导光学系统；不采用红外LED光源而采用可见光LED光源、白炽灯光源；不采用基于arm微处理器的电路板而采用基于FPGA、51、CPLD、DSP等其他架构微处理器的电路板；不采用通讯电缆作为数据上传接口而是采用无线、红外等方式；不将数据上传到数据采集系统而是将数据在传感器上进行显示、记录。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在线式监控测量方法，其特征在于：采用机械式测量工具获取待测物的待测量，将所获得的待测量表现为可由光学系统摄取、由图像识别系统处理识别的信息；利用光学成像系统摄取该待测量的图像后，通过图像识别系统将该图像解读为待测量的具体数值，最后将解读出的数值进行显示、记录或通过数据上传接口递交到数据采集系统实现在线监测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：对于机械式测量工具及与之相关联的机械结构采用长寿命设计原则；对于光学成像系统、图像识别系统、数据上传接口及与之相关联的电子结构采用可更换设计原则；
优选的，所述长寿命设计原则包括全部采用耐腐蚀材料、外表面喷漆、采用可替换的锌块减少电化学腐蚀、避免采用处于大应力下的部件；
优选的，对于所述机械结构、电子结构中可能受到外界环境影响的部分进行密封以提高抗干扰性能。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述待测量的表现形式为刻度，包括旋转指针式千分表的指针位置、游标卡尺的刻度位置、液泡温度计的液面位置。
4.一种实现权利要求1-3中任一所述方法的在线式传感器，其特征在于：包括机械测量核心、图像信息采集处理及电子传送系统，所述机械测量核心具有能获取待测物的待测量、将所获得的待测量表现为可由光学系统摄取、由图像识别系统处理识别的信息的结构；
所述图像信息采集处理及电子传送系统，利用光学成像系统摄取所述待测量的图像后，通过图像识别系统将该图像解读为待测量的具体数值，最后将解读出的数值通过数据上传接口递交到数据采集系统实现在线监测。
5.根据权利要求4所述的在线式传感器，其特征在于：所述机械测量核心包括参考部分和可动部分，所述参考部分与所述图像信息采集处理及电子传送系统固定于相同的基体；所述可动部分与待测物连接联动以表现出待测物的变化。
6.根据权利要求4所述的在线式传感器，其特征在于：包括外壳(1)、光学成像系统(2)、图像识别系统(3)、数据上传接口(4)、机械测量核心(5)；
光学成像系统(2)，图像识别系统(3)及机械测量核心(5)均设置于外壳(1)中以提高对外界环境的抗干扰能力；
光学成像系统(2)的光学镜头与机械测量核心(5)的刻度部分相对，使得机械测量核心(5)通过所述光学镜头在图像传感器上形成清晰的实像并能导入图像识别系统(3)加以处理；
光学成像系统(2)与图像识别系统(3)连接以便实现供电并将采集到的成像信息导入图像识别系统(3)中加以处理；
图像识别系统(3)与数据上传接口(4)连接以通过线缆将图像处理结果上传到数据采集系统从而实现在线监测。
7.根据权利要求5所述的在线式传感器，其特征在于：所述可动部分与第一安装支架(6)的一端通过活动联接结构固定在一起；所述第一安装支架(6)的另一端可用于连接待测物。
8.根据权利要求6所述的在线式传感器，其特征在于：所述外壳(1)与第二安装支架(7)的一端通过活动联接结构固定在一起；所述第一安装支架(7)的另一端可用于连接待测物；
优选的，所述外壳(1)上开设有供线缆或部件穿出的孔，所述孔上具有紧固作用的防水接头；
优选的，外壳上设有两个一面开口的盒子对扣起来，其中一个盒子的扣接断面设有凹槽，槽里面设有柔性橡胶条；另一个盒子扣接断面为凸型，所述两个盒子相互配合通过柔性橡胶条填充接触端面以实现气密防水。
9.根据权利要求6所述的在线式传感器，其特征在于：传感器上安装支架的连接方式包括螺纹联接、焊接、铆接或过盈配合；优选的，外壳的材质为耐腐蚀材料，优选的，包括不锈钢、陶瓷、有机塑料、玻璃、树脂；优选的，机械测量核心采用的表现形式包括游标卡尺的刻度、旋转指针式千分表的指针位置、液泡温度计的液面位置、液泡水平尺的液泡位置；优选的，光学成像系统采用CMOS图像传感器或CCD图像传感器；优选的，光学成像系统采用凸透镜光学镜头、凹透镜、平面镜、全反射或光波导光学系统；优选的，光学成像系统采用红外LED光源、可见光LED光源或白炽灯光源；优选的，图像识别系统采用基于arm、FPGA、51、CPLD或DSP架构微处理器的电路板；优选的，数据上传接口采用通讯电缆、无线或红外方式。
10.根据权利要求6所述的在线式传感器，其特征在于：除摄像头、电路板、通讯电缆外，其余组成部件均采用不锈钢材质。
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