CN107747913B - 一种管道弯曲度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管道弯曲度测量装置及方法，该装置包括设置有反射镜的第一凹形夹持件和设置有自准直仪的第二凹形夹持件，自准直仪包括光学组件和CCD传感器，CCD传感器的信号输出端依次通过图像处理模块、DSP微处理器与计算机连接；该方法包括步骤：一、初始化CCD传感器并获取背景灰度图像；二、光点成像；三、光点图像的获取；四、光点图像滤波；五、光点像元的获取；六、十字丝光点图像中心光点像元的定位；七、测量管道弯曲度。本发明采用夹持件将反射镜和自准直仪固定在管道的两端获取管道弯曲度，获取数据不易受环境影响，通过计算机获取CCD传感器上光点像元，并通过转动惯量最小对中心光点像元定位，实现了对管状物体微小偏角的高精度测量。

Description

一种管道弯曲度测量装置及方法

技术领域

本发明属于弯曲度测量技术领域，具体涉及一种管道弯曲度测量装置及方法。

背景技术

一些特殊管道在精密仪器制造、航空航天、船舶、武器、测试等行业有着较为广泛的应用，如反射管、发动机气道、枪管、火炮身管、平行光管等。这些管道往往用于输送高压高速流体、交换热能、制造精密机械零件，还可制造支柱和机械支架等，那么在加工或使用过程中管道难免会出现弯曲，影响其正常使用甚至造成较大偏差，目前我国使用的特殊管道检测设备是人工推动测量本体，并且自带标尺，在管道口用望远镜系统人工观察测量，测得的数据还需要手工处理，测量精度低，自动化程度低，难以满足现代高精度和自动化的要求。常用的光学像限仪法和激光准直位置传感器法中光学像限仪的适应性差，容易受管内条件的干扰，并且工作量大；激光准直位置传感器法要测得光斑的几何中心，当激光强度不均匀时能量中心并不是几何中心，会引起较大的误差；另外，从事管道弯曲度测量研究设计还采用基于Zernike矩的管道弯曲度测量方法，虽然能得到较高的精度，但需要通过LoG算子和Zernike矩算子进行激光光斑边缘定位，计算过程复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种管道弯曲度测量装置，其设计新颖合理，采用夹持件将反射镜和自准直仪固定在管道的两端获取管道弯曲度，获取数据不易受环境影响，通过对现有的自准直仪加装CCD传感器，保持CCD传感器的成像镜面与第一凹形夹持件的中心轴位于同一直线上，实现了对管状物体微小偏角的高精度测量，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种管道弯曲度测量装置，其特征在于：包括与管道一端同轴过渡配合的第一凹形夹持件和与管道另一端同轴过渡配合的第二凹形夹持件，第一凹形夹持件的凹形口和第二凹形夹持件的凹形口相对设置，第二凹形夹持件的凹形槽内设置有与管道另一端同轴布设的反射镜，自准直仪伸入至第一凹形夹持件的凹形槽内，所述自准直仪包括用于接收汇聚反射镜的反射光的光学组件和用于对所述光学组件汇聚的光点进行成像的CCD传感器，CCD传感器的成像镜面与第一凹形夹持件的中心轴位于同一直线上，CCD传感器的信号输出端依次通过图像处理模块、DSP微处理器、通信模块与计算机连接，DSP微处理器上连接有存储器。

上述的一种管道弯曲度测量装置，其特征在于：所述光学组件包括用于接收汇聚反射镜的反射光的物镜、对物镜透射的光路进行半透半反的棱镜和为所述反射光提供光线的光源，光源设置在棱镜的反射光路上，CCD传感器设置在棱镜的透射光路上，光源与棱镜之间设置有分划板，物镜、棱镜和CCD传感器的成像镜面同轴布设。

上述的一种管道弯曲度测量装置，其特征在于：所述CCD传感器设置在物镜的焦平面上。

上述的一种管道弯曲度测量装置，其特征在于：所述图像处理模块为FPGA数据处理模块。

上述的一种管道弯曲度测量装置，其特征在于：所述通信模块为串口通信模块或USB通信模块。

上述的一种管道弯曲度测量装置，其特征在于：所述光点为十字丝光点。

同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理、可实现对管状物体微小偏角的高精度测量的管道弯曲度测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、初始化CCD传感器并获取背景灰度图像：在光学组件未开始工作之前启动CCD传感器，CCD传感器将未有光点的图像经DSP微处理器传输至计算机，计算机对未有光点的图像Q(x,y)中每个像元进行灰度均值处理，得到背景灰度均值图像同时计算机对未有光点的图像Q(x,y)中每个像元进行灰度均方差处理，得到背景灰度均方差图像/>根据公式/>得到背景灰度图像q(x,y)；

步骤二、光点成像：启动光学组件，利用光学组件发出光线射向反射镜，光学组件中发出的光线被反射镜反射经光学组件聚焦成一个光点射向CCD传感器的成像镜面；

其中，光学组件包括物镜、半透半反的棱镜和光源，光源设置在棱镜的反射光路上，CCD传感器设置在棱镜的透射光路上，物镜、棱镜和CCD传感器的成像镜面同轴布设，光源发出的光线经棱镜和物镜射向反射镜，反射镜反射光源发出的光线经物镜聚焦成一个光点射向CCD传感器的成像镜面，所述光点为十字丝光点；

步骤三、光点图像的获取：CCD传感器的成像镜面将获取的光点信息经图像处理模块的预处理传输至DSP微处理器，DSP微处理器再通过通信模块将图像处理模块的预处理后的图像数据传输至计算机，获取光点图像F(x,y)；

步骤四、光点图像滤波，过程如下：

步骤401、光点图像灰度化：计算机对步骤三中图像处理模块的预处理后的光点图像F(x,y)进行灰度化处理，得到光点灰度图像f(x,y)；

步骤402、获取光点灰度图像每个像元的灰度均值：计算机在光点灰度图像f(x,y)中待处理像元处开设一个像元大小为3×3的窗口，其中，所述待处理像元位于3×3窗口的中心位置处，根据公式计算光点灰度图像f(x,y)中每个像元(x,y)的灰度均值f'(x,y)，S为所述待处理像元的领域且S＝{(x-1，y-1)，(x，y-1)，(x+1，y-1)，(x-1，y)，(x+1，y)，(x-1，y+1)，(x，y+1)，(x+1，y+1)}，m和n为像元(x,y)在3×3窗口内的平移参数；

步骤403、图像的邻域均值滤波：计算机根据公式对光点灰度图像f(x,y)进行邻域均值滤波，得到光点灰度更新图像g(x,y)，ε为灰度阈值；

步骤五、光点像元的获取：计算机(11)对比光点灰度更新图像g(x,y)和背景灰度图像q(x,y)对应位置处的像元灰度值，获取光点像元，当g(x_i,y_j)-q(x_i,y_j)＞0时，像元(x_i,y_j)为光点像元，g(x_i,y_j)为光点像元在光点灰度更新图像g(x,y)中对应的灰度值，q(x_i,y_j)为像元(x_i,y_j)在背景灰度图像q(x,y)中对应的灰度值，(x_i,y_j)∈(x,y)，满足g(x_i,y_j)-q(x_i,y_j)＞0的光点像元组成十字丝光点图像g_ij；

步骤六、十字丝光点图像中心光点像元的定位，过程如下：

步骤601、获取十字丝光点图像中心光点像元的纵坐标：计算机在所述十字丝光点图像区域内随机生成一条平行于所述十字丝光点图像水平方向的直线u且u＝b，同时随机生成一个随机点C₁(x₁,y₁)，根据公式d₁＝|y₁-b|，计算随机点C₁(x₁,y₁)到直线u的距离d₁；根据公式计算直线u的转动惯量I₁，当转动惯量I₁最小，即/>时，/>为十字丝光点图像中心光点像元的纵坐标；

步骤602、获取十字丝光点图像中心光点像元的横坐标：计算机在所述十字丝光点图像区域内随机生成一条平行于所述十字丝光点图像竖直方向的直线v且v＝a，同时随机生成另一个随机点C₂(x₂,y₂)，根据公式d₂＝|x₂-a|，计算随机点C₂(x₂,y₂)到直线v的距离d₂；根据公式计算直线v的转动惯量I₂，当转动惯量I₂最小，即/>时，/>为十字丝光点图像中心光点像元的横坐标；

步骤七、测量管道弯曲度，计算机根据获取的十字丝光点图像中心光点像元坐标测量管道的弯曲度，管道的弯曲度通过反射镜偏转的角度θ表示，过程如下：

步骤701、根据公式计算反射镜偏转角θ的水平分量θ_x，其中，s_x为十字丝光点图像中心光点像元水平方向的位移且s_x＝|τa|，τ为CCD传感器中像元的尺寸，f为物镜的焦距；

步骤702、根据公式计算反射镜偏转角θ的竖直分量θ_y，其中，s_y为十字丝光点图像中心光点像元竖直方向的位移且s_y＝|τb|。

上述的方法，其特征在于：所述图像处理模块为FPGA数据处理模块；步骤三中利用FPGA数据处理模块对获取的光点信息依次进行采样保持、增益控制和模数转换预处理后传输至DSP微处理器。

上述的方法，其特征在于：所述CCD传感器中像元的尺寸5μm≤τ≤10μm。

上述的方法，其特征在于：所述CCD传感器设置在物镜的焦平面上。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用的测量装置，通过设置第一凹形夹持件安装密封自准直仪，确保第一凹形夹持件和自准直仪均与管道一端同轴过渡配合，通过设置第二凹形夹持件安装密封反射镜，确保第二凹形夹持件和反射镜均与管道另一端同轴过渡配合，通过自准直仪与反射镜的偏转角表示管道两端的偏转，获取管道的弯曲度，便于推广使用。

2、本发明采用的测量装置，对自准直仪改进，将CCD传感器连接在光学组件的汇聚光路上，通过图像处理模块、DSP微处理器、通信模块将与CCD传感器采集的光点图像传输至计算机，可靠稳定，使用效果好。

3、本发明采用的测量方法，步骤简单，以光学组件未开始工作之前CCD传感器采集的图像为背景图像并对其进行灰度化处理，然后，开启光学组件获取带有光点像元的图像作为光点图像，对光点图像灰度化以及滤波平滑处理，并与背景灰度图像中对应的像元进行灰度值比较获取光点像元，通过转动惯量最小对中心光点像元定位，实现了对管状物体微小偏角的高精度测量，便于推广使用。

综上所述，本发明设计新颖合理，采用夹持件将反射镜和自准直仪固定在管道的两端获取管道弯曲度，获取数据不易受环境影响，通过对现有的自准直仪加装CCD传感器，通过计算机获取CCD传感器上光点像元，并通过转动惯量最小对中心光点像元定位，实现了对管状物体微小偏角的高精度测量，操作便捷，适用性强，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明采用的测量装置的结构示意图。

图2为本发明采用的测量装置中反射镜、光学组件和CCD传感器的结构示意图。

图3为本发明采用的测量装置中CCD传感器成像示意图。

图4为本发明采用的测量装置中CCD传感器、图像处理模块、DSP微处理器和计算机的电路连接原理框图。

图5为本发明采用的测量方法的流程框图。

附图标记说明:

1—管道； 2—第一凹形夹持件； 3—第二凹形夹持件；

4—反射镜； 5—自准直仪； 6—光学组件；

6-1—光源； 6-2—分划板； 6-3—物镜；

6-4—棱镜； 7—CCD传感器； 8—图像处理模块；

9—DSP微处理器； 10—通信模块； 11—计算机；

12—存储器。

具体实施方式

如图1、图2和图4所示，本发明所述的一种管道弯曲度测量装置，包括与管道1一端同轴过渡配合的第一凹形夹持件2和与管道1另一端同轴过渡配合的第二凹形夹持件3，第一凹形夹持件2的凹形口和第二凹形夹持件3的凹形口相对设置，第二凹形夹持件3的凹形槽内设置有与管道1另一端同轴布设的反射镜4，自准直仪5伸入至第一凹形夹持件2的凹形槽内，所述自准直仪5包括用于接收汇聚反射镜4的反射光的光学组件6和用于对所述光学组件6汇聚的光点进行成像的CCD传感器7，CCD传感器7的成像镜面与第一凹形夹持件2的中心轴位于同一直线上，CCD传感器7的信号输出端依次通过图像处理模块8、DSP微处理器9、通信模块10与计算机11连接，DSP微处理器9上连接有存储器12。

需要说明的是，第一凹形夹持件2的设置一是为了密封管道1的一端，减少外界自然光源对管道1内部的影响，二是为了夹持自准直仪5，使自准直仪5的中心轴线与管道1的一端同轴布设，通过第一凹形夹持件2夹持自准直仪5，通过第一凹形夹持件2的机械加工精度，来保证装配后第一凹形夹持件2与自准直仪5轴线、管道1一端轴线的一致性，自准直仪5会反射与管道1一端轴线一致的平行光线，平行光会沿着管道1一端轴线的方向传播，即以反射平行光作为基准，来衡量被测管道1一端轴线相对于反射平行光的弯曲度；第二凹形夹持件3的设置一是为了密封管道1的另一端，减少外界自然光源对管道1内部的影响，二是为了夹持反射镜4，使反射镜4的中心轴线与管道1的另一端同轴布设，通过第二凹形夹持件3将与自准直仪5配合的反射镜4夹持在被测管道1的另一端，同样用第二凹形夹持件3的加工精度来保证第二凹形夹持件3与反射镜4、管道1的另一端的配合精度，进而保证第二凹形夹持件3轴线与反射镜4中心线、管道1的另一端轴线的一致性，利用反射镜4与自准直仪5的偏转角表示管道1两端的偏转弯曲；自准直仪5通过加装与光学组件6配合的CCD传感器7自动获取光点图像，CCD传感器7的成像镜面与第一凹形夹持件2的中心轴位于同一直线上，达到CCD传感器7准确获取光学组件6汇聚光线的目的；图像处理模块8的设置是为了对CCD传感器7获取的图像进行预处理，辅助DSP微处理器9的数据处理和识别，DSP微处理器9通过通信模块10与计算机11连接，将光点图像传输至计算机11，便于计算机11后期的测量计算。

本实施例中，所述光学组件6包括用于接收汇聚反射镜4的反射光的物镜6-3、对物镜6-3透射的光路进行半透半反的棱镜6-4和为所述反射光提供光线的光源6-1，光源6-1设置在棱镜6-4的反射光路上，CCD传感器7设置在棱镜6-4的透射光路上，光源6-1与棱镜6-4之间设置有分划板6-2，物镜6-3、棱镜6-4和CCD传感器7的成像镜面同轴布设。

本实施例中，所述CCD传感器7设置在物镜6-3的焦平面上。

需要说明的是，CCD传感器7设置在物镜6-3的焦平面上是为了CCD传感器7接收采集精确的光点，避免光点无法汇聚，提高光点中心的测量精度。

本实施例中，所述图像处理模块8为FPGA数据处理模块。

本实施例中，所述通信模块10为串口通信模块或USB通信模块。

本实施例中，所述光点为十字丝光点。

需要说明的是，光点采用十字丝光点便于查找光点中心，利用十字丝光点水平区域与竖直区域相互垂直取交点获取光点中心。

如图3和图5所示的一种管道弯曲度测量方法，包括以下步骤：

步骤一、初始化CCD传感器并获取背景灰度图像：在光学组件6未开始工作之前启动CCD传感器7，CCD传感器7将未有光点的图像经DSP微处理器9传输至计算机11，计算机11对未有光点的图像Q(x,y)中每个像元进行灰度均值处理，得到背景灰度均值图像同时计算机11对未有光点的图像Q(x,y)中每个像元进行灰度均方差处理，得到背景灰度均方差图像/>根据公式/>得到背景灰度图像q(x,y)；

需要说明的是，CCD传感器7通电后带有一定亮度，在光学组件6未进行测量时只能看到CCD传感器7采集的背景图像，为了与成像的图像进行对比，先对背景图像进行处理得到背景图像的灰度平均值和灰度均方差，选取背景灰度均值图像和3倍的背景灰度均方差图像的叠加作为图像的背景灰度图像，使用效果好。

步骤二、光点成像：启动光学组件6，利用光学组件6发出光线射向反射镜4，光学组件6中发出的光线被反射镜4反射经光学组件6聚焦成一个光点射向CCD传感器7的成像镜面；

其中，光学组件6包括物镜6-3、半透半反的棱镜6-4和光源6-1，光源6-1设置在棱镜6-4的反射光路上，CCD传感器7设置在棱镜6-4的透射光路上，物镜6-3、棱镜6-4和CCD传感器7的成像镜面同轴布设，光源6-1发出的光线经棱镜6-4和物镜6-3射向反射镜4，反射镜4反射光源6-1发出的光线经物镜6-3聚焦成一个光点射向CCD传感器7的成像镜面，所述光点为十字丝光点；

步骤三、光点图像的获取：CCD传感器7的成像镜面将获取的光点信息经图像处理模块8的预处理传输至DSP微处理器9，DSP微处理器9再通过通信模块10将图像处理模块8的预处理后的图像数据传输至计算机11，获取光点图像F(x,y)；

本实施例中，所述图像处理模块8为FPGA数据处理模块；步骤三中利用FPGA数据处理模块对获取的光点信息依次进行采样保持、增益控制和模数转换预处理后传输至DSP微处理器9。

步骤四、光点图像滤波，过程如下：

步骤401、光点图像灰度化：计算机11对步骤三中图像处理模块8的预处理后的光点图像F(x,y)进行灰度化处理，得到光点灰度图像f(x,y)；

步骤402、获取光点灰度图像每个像元的灰度均值：计算机11在光点灰度图像f(x,y)中待处理像元处开设一个像元大小为3×3的窗口，其中，所述待处理像元位于3×3窗口的中心位置处，根据公式计算光点灰度图像f(x,y)中每个像元(x,y)的灰度均值f'(x,y)，S为所述待处理像元的领域且S＝{(x-1，y-1)，(x，y-1)，(x+1，y-1)，(x-1，y)，(x+1，y)，(x-1，y+1)，(x，y+1)，(x+1，y+1)}，m和n为像元(x,y)在3×3窗口内的平移参数；

步骤403、图像的邻域均值滤波：计算机11根据公式对光点灰度图像f(x,y)进行邻域均值滤波，得到光点灰度更新图像g(x,y)，ε为灰度阈值；

需要说明的是，在测量过程中，许多干扰因素使采集到的图像包含大量的噪声，光点灰度图像f(x,y)是含有噪声或假轮廓的图像，获取光点灰度图像每个像元的灰度均值，选用邻域均值滤波对光点灰度图像f(x,y)进行线性滤波，实现对光点灰度图像f(x,y)的平滑化处理，同时消减麻点状噪声，设置灰度阈值能克服光点灰度图像f(x,y)经平滑处理后，产生一定程度模糊效应的缺点。

步骤五、光点像元的获取：计算机(11)对比光点灰度更新图像g(x,y)和背景灰度图像q(x,y)对应位置处的像元灰度值，获取光点像元，当g(x_i,y_j)-q(x_i,y_j)＞0时，像元(x_i,y_j)为光点像元，g(x_i,y_j)为光点像元在光点灰度更新图像g(x,y)中对应的灰度值，q(x_i,y_j)为像元(x_i,y_j)在背景灰度图像q(x,y)中对应的灰度值，(x_i,y_j)∈(x,y)，满足g(x_i,y_j)-q(x_i,y_j)＞0的光点像元组成十字丝光点图像g_ij；

需要说明的是，光点灰度图像f(x,y)中十字丝光点图像为水平方向和垂直方向均具有一定光点像元宽度的图像，为了提高测量精度，需找出十字丝光点图像的中心像元及中心像元坐标，进而找到反射光的偏转角度，光点像元的获取是为了找到所有的光点像元，所有的光点像元组成十字丝光点图像，为实现测量反射光的偏转角度缩小查找范围。

步骤六、十字丝光点图像中心光点像元的定位，过程如下：

步骤601、获取十字丝光点图像中心光点像元的纵坐标：计算机11在所述十字丝光点图像区域内随机生成一条平行于所述十字丝光点图像水平方向的直线u且u＝b，同时随机生成一个随机点C₁(x₁,y₁)，根据公式d₁＝|y₁-b|，计算随机点C₁(x₁,y₁)到直线u的距离d₁；根据公式计算直线u的转动惯量I₁，当转动惯量I₁最小，即/>时，/>为十字丝光点图像中心光点像元的纵坐标；

步骤602、获取十字丝光点图像中心光点像元的横坐标：计算机11在所述十字丝光点图像区域内随机生成一条平行于所述十字丝光点图像竖直方向的直线v且v＝a，同时随机生成另一个随机点C₂(x₂,y₂)，根据公式d₂＝|x₂-a|，计算随机点C₂(x₂,y₂)到直线v的距离d₂；根据公式计算直线v的转动惯量I₂，当转动惯量I₂最小，即/>时，/>为十字丝光点图像中心光点像元的横坐标；

需要说明的是，十字丝光点图像为中心对称的图像，计算机11在所述十字丝光点图像区域内随机生成一条平行于所述十字丝光点图像水平方向的直线u，利用随机点C₁(x₁,y₁)到直线u的距离计算直线u的转动惯量I₁，其中，转动惯量I₁最小时，直线u为所述十字丝光点图像区域的竖直方向的中心线，平行于所述十字丝光点图像水平方向的直线u即为十字丝光点图像的水平方向具有一定光点像元宽度的图像的中心线，进而可确定十字丝光点图像中心光点像元的纵坐标；

同理，计算机11在所述十字丝光点图像区域内随机生成一条平行于所述十字丝光点图像竖直方向的直线v，利用随机点C₂(x₂,y₂)到直线v的距离计算直线v的转动惯量I₂，其中，转动惯量I₂最小时，直线v为所述十字丝光点图像区域的横向的中心线，平行于所述十字丝光点图像竖直方向的直线v即为十字丝光点图像的竖直方向具有一定光点像元宽度的图像的中心线，进而可确定十字丝光点图像中心光点像元的横坐标。

步骤七、测量管道弯曲度，计算机11根据获取的十字丝光点图像中心光点像元坐标测量管道1的弯曲度，管道1的弯曲度通过反射镜4偏转的角度θ表示，过程如下：

步骤701、根据公式计算反射镜4偏转角θ的水平分量θ_x，其中，s_x为十字丝光点图像中心光点像元水平方向的位移且s_x＝|τa|，τ为CCD传感器7中像元的尺寸，f为物镜6-3的焦距；

步骤702、根据公式计算反射镜4偏转角θ的竖直分量θ_y，其中，s_y为十字丝光点图像中心光点像元竖直方向的位移且s_y＝|τb|。

需要说明的是，如图2所示，若反射镜4偏过一个角度θ，光线会偏转2θ的角度以平行光返回，经过物镜后成像在CCD传感器7中，反射镜4的偏转角即为被测管道1相对其一端轴线的总偏转度。

本实施例中，所述CCD传感器7中像元的尺寸5μm≤τ≤10μm。

需要说明的是，利用偏转角计算公式可获取光线偏转角水平分量和偏转角竖直分量，其中，偏转角水平分量或偏转角竖直分量的精度还取决于CCD传感器7中像元的尺寸，若提高测量管道弯曲度可选取CCD传感器7中像元的尺寸较小的CCD传感器7。

本发明使用时，通过第一凹形夹持件2和第二凹形夹持件3的机械加工精度确保带有自准直仪5和反射镜4的安装精度，利用自准直仪5中光学组件6发出光线射向反射镜4，光学组件6中发出的光线被反射镜4反射经光学组件6聚焦成一个光点被自准直仪5中CCD传感器7的成像镜面接收，CCD传感器7将二维光学信息转换为一维电信号输出，经图像处理模块8对获取的光点信息依次进行采样保持、增益控制和模数转换预处理后传输至DSP微处理器9，DSP微处理器9利用通信模块10将图像传输至计算机11，经计算机11的滤波平滑和十字丝光点图像中心光点像元的定位计算光线偏转角水平分量和偏转角竖直分量，进而得到管道1的弯曲度，测量精度高，可面向精密仪器制造行业、航空、船舶、武器装备研发及测试行业，价格低、测量结果精确，可替代国外昂贵的同类产品。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种管道弯曲度测量装置，其特征在于：包括与管道(1)一端同轴过渡配合的第一凹形夹持件(2)和与管道(1)另一端同轴过渡配合的第二凹形夹持件(3)，第一凹形夹持件(2)的凹形口和第二凹形夹持件(3)的凹形口相对设置，第二凹形夹持件(3)的凹形槽内设置有与管道(1)另一端同轴布设的反射镜(4)，自准直仪(5)伸入至第一凹形夹持件(2)的凹形槽内，所述自准直仪(5)包括用于接收汇聚反射镜(4)的反射光的光学组件(6)和用于对所述光学组件(6)汇聚的光点进行成像的CCD传感器(7)，CCD传感器(7)的成像镜面与第一凹形夹持件(2)的中心轴位于同一直线上，CCD传感器(7)的信号输出端依次通过图像处理模块(8)、DSP微处理器(9)、通信模块(10)与计算机(11)连接，DSP微处理器(9)上连接有存储器(12)；

所述光学组件(6)包括用于接收汇聚反射镜(4)的反射光的物镜(6-3)、对物镜(6-3)透射的光路进行半透半反的棱镜(6-4)和为所述反射光提供光线的光源(6-1)，光源(6-1)设置在棱镜(6-4)的反射光路上，CCD传感器(7)设置在棱镜(6-4)的透射光路上，光源(6-1)与棱镜(6-4)之间设置有分划板(6-2)，物镜(6-3)、棱镜(6-4)和CCD传感器(7)的成像镜面同轴布设；

所述光点为十字丝光点。

2.按照权利要求1所述的一种管道弯曲度测量装置，其特征在于：所述CCD传感器(7)设置在物镜(6-3)的焦平面上。

3.按照权利要求1所述的一种管道弯曲度测量装置，其特征在于：所述图像处理模块(8)为FPGA数据处理模块。

4.按照权利要求1所述的一种管道弯曲度测量装置，其特征在于：所述通信模块(10)为串口通信模块或USB通信模块。

5.一种利用如权利要求1所述的装置进行管道弯曲度测量的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、初始化CCD传感器并获取背景灰度图像：在光学组件(6)未开始工作之前启动CCD传感器(7)，CCD传感器(7)将未有光点的图像经DSP微处理器(9)传输至计算机(11)，计算机(11)对未有光点的图像Q(x,y)中每个像元进行灰度均值处理，得到背景灰度均值图像同时计算机(11)对未有光点的图像Q(x,y)中每个像元进行灰度均方差处理，得到背景灰度均方差图像/>根据公式/>得到背景灰度图像q(x,y)；

步骤二、光点成像：启动光学组件(6)，利用光学组件(6)发出光线射向反射镜(4)，光学组件(6)中发出的光线被反射镜(4)反射经光学组件(6)聚焦成一个光点射向CCD传感器(7)的成像镜面；

其中，光学组件(6)包括物镜(6-3)、半透半反的棱镜(6-4)和光源(6-1)，光源(6-1)设置在棱镜(6-4)的反射光路上，CCD传感器(7)设置在棱镜(6-4)的透射光路上，物镜(6-3)、棱镜(6-4)和CCD传感器(7)的成像镜面同轴布设，光源(6-1)发出的光线经棱镜(6-4)和物镜(6-3)射向反射镜(4)，反射镜(4)反射光源(6-1)发出的光线经物镜(6-3)聚焦成一个光点射向CCD传感器(7)的成像镜面，所述光点为十字丝光点；

步骤三、光点图像的获取：CCD传感器(7)的成像镜面将获取的光点信息经图像处理模块(8)的预处理传输至DSP微处理器(9)，DSP微处理器(9)再通过通信模块(10)将图像处理模块(8)的预处理后的图像数据传输至计算机(11)，获取光点图像F(x,y)；

步骤四、光点图像滤波，过程如下：

步骤401、光点图像灰度化：计算机(11)对步骤三中图像处理模块(8)的预处理后的光点图像F(x,y)进行灰度化处理，得到光点灰度图像f(x,y)；

步骤402、获取光点灰度图像每个像元的灰度均值：计算机(11)在光点灰度图像f(x,y)中待处理像元处开设一个像元大小为3×3的窗口，其中，所述待处理像元位于3×3窗口的中心位置处，根据公式计算光点灰度图像f(x,y)中每个像元(x,y)的灰度均值f'(x,y)，S为所述待处理像元的领域且S＝{(x-1，y-1)，(x，y-1)，(x+1，y-1)，(x-1，y)，(x+1，y)，(x-1，y+1)，(x，y+1)，(x+1，y+1)}，m和n为像元(x,y)在3×3窗口内的平移参数；

步骤403、图像的邻域均值滤波：计算机(11)根据公式对光点灰度图像f(x,y)进行邻域均值滤波，得到光点灰度更新图像g(x,y)，ε为灰度阈值；

步骤五、光点像元的获取：计算机(11)对比光点灰度更新图像g(x,y)和背景灰度图像q(x,y)对应位置处的像元灰度值，获取光点像元，当g(x_i,y_j)-q(x_i,y_j)＞0时，像元(x_i,y_j)为光点像元，g(x_i,y_j)为光点像元在光点灰度更新图像g(x,y)中对应的灰度值，q(x_i,y_j)为像元(x_i,y_j)在背景灰度图像q(x,y)中对应的灰度值，(x_i,y_j)∈(x,y)，满足g(x_i,y_j)-q(x_i,y_j)＞0的光点像元组成十字丝光点图像g_ij；

步骤六、十字丝光点图像中心光点像元的定位，过程如下：

步骤601、获取十字丝光点图像中心光点像元的纵坐标：计算机(11)在所述十字丝光点图像区域内随机生成一条平行于所述十字丝光点图像水平方向的直线u且u＝b，同时随机生成一个随机点C₁(x₁,y₁)，根据公式d₁＝|y₁-b|，计算随机点C₁(x₁,y₁)到直线u的距离d₁；根据公式计算直线u的转动惯量I₁，当转动惯量I₁最小，即/>时，/>为十字丝光点图像中心光点像元的纵坐标；

步骤602、获取十字丝光点图像中心光点像元的横坐标：计算机(11)在所述十字丝光点图像区域内随机生成一条平行于所述十字丝光点图像竖直方向的直线v且v＝a，同时随机生成另一个随机点C₂(x₂,y₂)，根据公式d₂＝|x₂-a|，计算随机点C₂(x₂,y₂)到直线v的距离d₂；根据公式计算直线v的转动惯量I₂，当转动惯量I₂最小，即/>时，/>为十字丝光点图像中心光点像元的横坐标；

步骤七、测量管道弯曲度，计算机(11)根据获取的十字丝光点图像中心光点像元坐标测量管道(1)的弯曲度，管道(1)的弯曲度通过反射镜(4)偏转的角度θ表示，过程如下：

步骤701、根据公式计算反射镜(4)偏转角θ的水平分量θ_x，其中，s_x为十字丝光点图像中心光点像元水平方向的位移且s_x＝|τa|，τ为CCD传感器(7)中像元的尺寸，f为物镜(6-3)的焦距；

步骤702、根据公式计算反射镜(4)偏转角θ的竖直分量θ_y，其中，s_y为十字丝光点图像中心光点像元竖直方向的位移且s_y＝|τb|。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：所述图像处理模块(8)为FPGA数据处理模块；步骤三中利用FPGA数据处理模块对获取的光点信息依次进行采样保持、增益控制和模数转换预处理后传输至DSP微处理器(9)。

7.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：所述CCD传感器(7)中像元的尺寸5μm≤τ≤10μm。

8.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：所述CCD传感器(7)设置在物镜(6-3)的焦平面上。