CN105841861A - 一种基于光全内反射的压力分布测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光全内反射的压力分布测量装置及其测量方法，包括弹性暗色薄膜、红色LED光源、玻璃光波导板、高分辨率彩色图片拍摄装置、密闭外壳，玻璃光波导板设置于密闭外壳的上端敞口处，弹性暗色薄膜位于玻璃光波导板上端面，高分辨率彩色图片拍摄装置位于密闭外壳内，高分辨率彩色图片拍摄装置设有与玻璃光波导板相对的拍摄镜头，在玻璃光波导板周向设有管子，红色LED光源设置于管子内。本发明基于光全内反射的原理，当光由光密介质射到光疏介质的界面时，光全部被反射到原介质。本发明成本低、分辨率高，易携带，可测量静态、动态压力分布，可生成二维、三维压力分布图、动态重心移动轨迹图，使用简单，操作方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力分布测量装置及其测量方法，尤其涉及一种基于光全内反射的压力分布测量装置及其测量方法。
背景技术
目前，在许多行业中，对压力分布的测量和分析都起着极其重要的作用。如在人体工程学中，对座椅设计和舒适度研究方面,由于人体各部位对压力的承受能力不同，压力过高或者过低都会使人感到不舒适，通过人体在座椅上的压力分布检测，研究人员可以了解到人体各部位所承受的压力，从而指导座椅舒适性设计；在汽车轮胎设计方面，通过测量轮胎的对地压力分布，可以分析轮胎的压力特性与驾驶性能的关系、轮胎印痕与路面磨损的关系等，对轮胎生产的质量控制具有重要意义；同时在电路板印刷压力平衡调整、高速碰撞研究、医疗和商业床垫的设计、人类步态分析等方面也都具有重要的意义。
目前，市场上的压力分布测量仪器的主要原理都采用压阻式传感器，若干个压阻式传感器进行矩阵式排列，每个传感器都是一个感测因子，在压力作用下，测量每个感测因子的阻值变化，从而获得压力大小、时间以及作用区域等信息。此类压力分布测量存在分辨率低、价格昂贵等问题，不便于大规模推广。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于光全内反射的压力分布测量装置及其测量方法，压力分布测量成本低、分辨率高，易携带，使用简单，操作方便。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于光全内反射的压力分布测量装置，包括弹性暗色薄膜、红色LED光源、玻璃光波导板、高分辨率彩色图片拍摄装置、上端敞口的密闭外壳，玻璃光波导板设置于密闭外壳的上端敞口处，弹性暗色薄膜位于玻璃光波导板上端面，高分辨率彩色图片拍摄装置位于密闭外壳内，高分辨率彩色图片拍摄装置设有与玻璃光波导板相对的拍摄镜头，在玻璃光波导板的周向设有管子，红色LED光源设置于管子内。
高分辨率彩色图片拍摄装置为CMOS或CCD相机。
还包括上位机，CMOS或CCD相机与上位机之间通过WIFI无线数据传输。
弹性暗色薄膜的面积大于等于玻璃光波导板的面积。
一种基于光全内反射的压力分布测量装置对应的测量方法，包括如下步骤：
（1）.首先，在基于光全内反射的压力分布测量装置测量压力分布之前，需要标定，标定方法步骤如下：
a.将CMOS或CCD相机设定好，当玻璃光波导板上空载时，CMOS或CCD相机拍摄彩色图片并传给上位机，上位机对图片的图像进行处理，提取图像中的红色分量，为一个型矩阵，其中表示图片的大小；
b.在玻璃光波导板上放置一件标准重量的砝码，CMOS或CCD相机拍摄彩色图片并传给上位机，上位机对图片的图像进行处理，提取图像中的红色分量,为一个型矩阵，其中表示图片的大小；
c.计算像素每个红色分量值对应的压力值：
首先计算与的差值： ，
然后计算所有像素红色分量总和：，其中，为中第行第列元素，为所有像素红色分量总和，
最后计算像素每个红色分量值对应的压力值：，其中为标准重量砝码的重量，为每个红色分量值对应的压力值；
（2）.标定完成后，把需要测量的物体放置在玻璃光波导板上，CMOS或CCD相机拍摄彩色图片并传给上位机，上位机对图片的图像进行处理，提取图像中的红色分量，生成矩阵，
减掉空载时的红色分量： ，
然后与每个红色分量值对应的压力值相乘： ，从而得到各个像素的压力分布，根据绘制出相应的二维压力分布图和三维压力分布图；
（3）.通过连续拍摄图片，通过下面两个公式计算压力重心：
，
，
其中（，）为t时刻压力重心，、分别为t时刻拍摄图片的像素横坐标和像素纵坐标，为t时刻拍摄图片的坐标处的压力值，根据计算的不同时刻的压力重心绘制出动态压力重心轨迹图。
本发明是基于光全内反射（TIR，Total Internal Reflection）的原理，当光由光密介质射到光疏介质的界面时，光全部被反射到原介质。
本发明主要由弹性暗色薄膜、红色LED光源、玻璃光波导板、高分辨率彩色图片拍摄装置（小型CMOS/CCD相机，带WIFI传输功能）、密闭外壳及上位机组成，主要工作原理如下：
暗色弹性薄膜遮盖住整个装置，使外界光无法进入装置。红色LED光源分布在玻璃玻璃光导板的四周，从玻璃光波导板侧边照射到玻璃光波导板内部，为了避免光散射，红色LED光源全部被安装在管子里，由于空气的反射率小于玻璃，根据光全内反射的原理，当红色光在玻璃光波导板内部入射角小于其临界角时，红色光只在玻璃光波导板内反射，没有光传递到外面，照相机拍不到光线，拍摄的图片是一片黑色。当有暗色弹性薄膜上有压力时，压力通过薄膜传递到玻璃光波导板，导致玻璃光波导板上端发生变形，在变形处发生漫反射，从而产生一个对应压力分布的彩色光线图，通过照相机的拍摄获取这个彩色光线图，并利用WiFi传递给上位机。彩色光线图即彩色图片其实是一个3维矩阵，，表示图片的大小，3为红、绿、蓝三个分量，上位机提取图片中红色分量，并做适当的处理，根据计算每个像素的红色分量值（0—255）和标定的每个红色分量值对应的压力值，从而获得压力分布图，通过连续拍摄图片并处理，可以获得动态重心轨迹图。 因为光源用的红色LED，所以处理的都是红色分量，每张照片都要提取红色分量。
本发明压力分布测量装置采用电池供电，具有成本低、分辨率高，易携带等特点，可以测量静态、动态等压力分布，并且可以生成二维、三维压力分布图、动态重心移动轨迹图等，使用简单，操作方便。
附图说明
图1为本发明的部分分解结构示意图。
图2为本发明的俯视结构示意图。
图3为本发明的红色LED光源配合于套子内的结构示意图。
图4为本发明的原理结构示意图。
图5为本发明上位机的流程框图。
图6为被测量物体图像的红色分量图。
图7为被测量物体的二维压力分布示意图。
图8为被测量物体的三维压力分布示意图。
图9为被测量物体的动态压力重心轨迹示意图。
图中：弹性暗色薄膜1、红色LED光源2、玻璃光波导板3、高分辨率彩色图片拍摄装置4、拍摄镜头4-1、密闭外壳5、上位机6、管子7、物体8。
具体实施方式
以下结合附图所示之最佳实施例作进一步详述：
在实施例1中，见图1～图9，一种基于光全内反射的压力分布测量装置，包括弹性暗色薄膜1、红色LED光源2、玻璃光波导板3、高分辨率彩色图片拍摄装置4、上端敞口的密闭外壳5、上位机6，玻璃光波导板3设置于密闭外壳5的上端敞口处，弹性暗色薄膜1位于玻璃光波导板3上端面，高分辨率彩色图片拍摄装置4位于密闭外壳5内，高分辨率彩色图片拍摄装置4设有与玻璃光波导板3相对的拍摄镜头4-1，在玻璃光波导板3的周向设有管子7，红色LED光源2设置于管子7内。上位机6即计算机，安装对应的软件。
本实施例高分辨率彩色图片拍摄装置4为CMOS相机。
CMOS相机与上位机6之间通过WIFI无线数据传输。
弹性暗色薄膜1的面积大于等于玻璃光波导板3的面积。
一种基于光全内反射的压力分布测量装置对应的测量方法，包括如下步骤：
（1）.首先，在基于光全内反射的压力分布测量装置测量压力分布之前，需要标定，标定方法步骤如下：
a.将CMOS相机设定好，当玻璃光波导板3上空载时，CMOS相机拍摄彩色图片并传给上位机6，上位机6对图片的图像进行处理，提取图像中的红色分量，为一个型矩阵，其中表示图片的大小，本实施例图片大小为410×690，彩色图片矩阵为410×690×3，红色分量矩阵为410×690；
b.在玻璃光波导板3上放置一件20KG砝码，考虑到玻璃光波导板3的承载力，砝码重量不宜过大，CMOS相机拍摄彩色图片并传给上位机6，上位机6对图片的图像进行处理，提取图像中的红色分量,为一个型矩阵，其中表示图片的大小；
c.计算像素每个红色分量值对应的压力值：
首先计算与的差值： ，
然后计算所有像素红色分量总和：，其中，为中第行第列元素，为所有像素红色分量总和，
最后计算像素每个红色分量值对应的压力值：，其中为标准重量，这里为20000G，为每个红色分量值对应的压力值；
（2）.标定完成后，把需要测量的物体8放置在玻璃光波导板3上，CMOS相机拍摄彩色图片并传给上位机6，上位机6对图片的图像进行处理，提取图像中的红色分量，生成矩阵，
减掉空载时的红色分量： ，
然后与每个红色分量值对应的压力值相乘： ，从而得到各个像素的压力分布，根据绘制出相应的二维压力分布图和三维压力分布图；这里横坐标表示x方向像素，纵坐标表y方向像素，对于每个像素点的压力大小，二维压力分布用相应的颜色表示，三维压力分布用高度来表示。
（3）.通过连续拍摄图片，通过下面两个公式计算压力重心：
，
，
其中（，）为t时刻压力重心，、分别为t时刻拍摄图片的像素横坐标和像素纵坐标，为t时刻拍摄图片的坐标处的压力值，根据计算的不同时刻的压力重心绘制出动态压力重心轨迹图。
以上所述仅为本发明的较佳实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于光全内反射的压力分布测量装置，其特征在于：包括弹性暗色薄膜、红色LED光源、玻璃光波导板、高分辨率彩色图片拍摄装置、上端敞口的密闭外壳，玻璃光波导板设置于密闭外壳的上端敞口处，弹性暗色薄膜位于玻璃光波导板上端面，高分辨率彩色图片拍摄装置位于密闭外壳内，高分辨率彩色图片拍摄装置设有与玻璃光波导板相对的拍摄镜头，在玻璃光波导板的周向设有管子，红色LED光源设置于管子内。
2.根据权利要求1所述的基于光全内反射的压力分布测量装置，其特征在于：高分辨率彩色图片拍摄装置为CMOS或CCD相机。
3.根据权利要求2所述的基于光全内反射的压力分布测量装置，其特征在于：还包括上位机，CMOS或CCD相机与上位机之间通过WIFI无线数据传输。
4.根据权利要求3所述的基于光全内反射的压力分布测量装置，其特征在于：弹性暗色薄膜的面积大于玻璃光波导板的面积。
5.一种如权利要求4所述的基于光全内反射的压力分布测量装置对应的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）.首先，在基于光全内反射的压力分布测量装置测量压力分布之前，需要标定，标定方法步骤如下：
a.将CMOS或CCD相机设定好，当玻璃光波导板上空载时，CMOS或CCD相机拍摄彩色图片并传给上位机，上位机对图片的图像进行处理，提取图像中的红色分量，为一个型矩阵，其中表示图片的大小；
b.在玻璃光波导板上放置一件标准重量的砝码，CMOS或CCD相机拍摄彩色图片并传给上位机，上位机对图片的图像进行处理，提取图像中的红色分量,为一个型矩阵，其中表示图片的大小；
c.计算像素每个红色分量值对应的压力值：
首先计算与的差值： ，
然后计算所有像素红色分量总和：，其中，为中第行第列元素，为所有像素红色分量总和，
最后计算像素每个红色分量值对应的压力值：，其中为标准重量砝码的重量，为每个红色分量值对应的压力值；
（2）.标定完成后，把需要测量的物体放置在玻璃光波导板上，CMOS或CCD相机拍摄彩色图片并传给上位机，上位机对图片的图像进行处理，提取图像中的红色分量，生成矩阵，
减掉空载时的红色分量： ，
然后与每个红色分量值对应的压力值相乘： ，从而得到各个像素的压力分布，根据绘制出相应的二维压力分布图和三维压力分布图；
（3）.通过连续拍摄图片，通过下面两个公式计算压力重心：
，
，
其中（，）为t时刻压力重心，、分别为t时刻拍摄图片的像素横坐标和像素纵坐标，为t时刻拍摄图片的坐标处的压力值，根据计算的不同时刻的压力重心绘制出动态压力重心轨迹图。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |