CN110763146A - 基于双相机的高精度光学引伸计及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双相机的高精度光学引伸计，包括两台纵向搁置在支架的数字相机和数据处理装置；数字相机的光轴相互平行，分别过两目标点的中心且分别垂直被测样品表面；数据处理装置通过驱动两台数字相机采集被测样品表面的数字图像；由相关运算模块，根据数字图像相关算法对采集的数字图像进行相关运算，追踪被测样品表面的两目标点的位移信息；由后处理模块，利用位移信息结合两目标点的间距信息，计算局部均匀应变。本发明使用了两台数字相机对目标点进行追踪，可以在较低成本的基础上消除因单相机针孔成像模型由于被测样品产生离面位移而导致的虚假位移和虚假应变，从而提高了样品的面内位移和应变测量精度和分辨率。

Description

基于双相机的高精度光学引伸计及测量方法

技术领域

本发明涉及一种光学引伸计及测量方法，具体涉及一种基于双相机的高精度光学引伸计及测量方法，属于光学测量及无损检测技术领域。

背景技术

应变测量一向是材料性能检测、结构失效分析、工业变形监测等领域的重要目标之一，传统的应变测量技术主要包括接触式和非接触式测量技术。接触式测量技术如电阻应变片、光纤应变计或机械式引伸计等方法不仅给被测样品添加了附加质量，还有可能由于粘结剂的使用在一定程度上对样品起到了强化作用，使得这些测量方式在越来越多的生物材料、薄膜材料等样品的检测方面难以被接受。非接触测量技术中，用于全场测量的二维和三维数字图像相关技术对于应变的检测精度还有待提高，目前也已经出现了越来越多基于光学方法的视频引伸计，如Instron公司已商品化的视频引伸计，应变测量精度也不能满足实际应用的需要。

更为重要的是，实际的实验条件下样品会由于各种原因产生一定的离面位移，在针孔成像模型条件下离面位移会在成像系统的像面上产生虚假位移和虚假应变，会极大地干扰应变测量结果的精度和分辨率。

针对该问题白鹏翔等人在2015年提出了一种应变修正方法，需要额外附加修正片来保证较高的精度，有学者提出使用远心镜头来规避针孔成像模型，高昂的价格限制了其在实际工程中的应用。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于双相机，有效消除由于被测样品离面位移而导致的虚假位移和虚假应变，提高均匀应变测量的精度和分辨率的光学引伸计。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

基于双相机的高精度光学引伸计，包括两台数字相机、支架、数据处理装置；

所述两台数字相机纵向搁置在支架，光轴相互平行且分别垂直被测样品表面；

所述数据处理装置与两台数字相机相连，通过驱动两台数字相机采集被测样品表面的数字图像；

所述数据处理装置，还包括相关运算模块和后处理模块；

所述相关运算模块，根据数字图像相关算法对采集的数字图像进行相关运算，追踪被测样品表面的两目标点的位移信息；

所述后处理模块，利用获取的位移信息，结合两目标点的间距信息，计算局部均匀应变。

上述两台数字相机具有相同的规格型号，采用相同规格的长焦距镜头。

上述数据处理装置驱动两台数字相机，同步采集数字图像。

上述支架可微调，包括相机间的纵向间距。

上述局部均匀应变的计算式为：(x2-x1)/s；

式中，x1和x2分别为被测样品表面的两目标点的位移；s为两目标点的间距。

上述的基于双相机的高精度光学引伸计的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将两台数字相机安装在相机支架上，使两台数字相机的光轴平行，且均与被测样品表面垂直；

S2、在被测样品表面选取两个目标点作为测量点，两目标点的连线方向为测量方向，在目标点人工生成随机散斑或利用样品表面纹理，作为变形信息的载体；

S3、微调支架上的相机，使两台数字相机的光轴分别与被测样品表面垂直，且通过两目标点的中心，保证在两台数字相机采集到的数字图像中，两目标点分别位于图像中心；

S4、数据处理装置驱动两台数字相机，同步采集样品变形（上下拉伸）前后的数字图像；

S5、数据处理装置，利用数字图像相关算法对数字图像进行相关运算，追踪两目标点的位移，分别得到两目标点沿着测量方向产生的位移为x1和x2，结合两目标点的间距s，计算被测表面的均匀应变。

本发明的有益之处在于：

本发明的一种基于双相机的高精度光学引伸计及测量方法，具有以下优点：

（1）被测样品表面无损：与工业领域中以应变片为代表的传统接触式测量技术相比，本发明采用了光学测量技术，不需要与样品表面直接接触，无附加质量，对样品没有损伤，不会限制样品变形。

（2）消除了样品表面离面位移的影响：由于两台数字相机的光轴与样品表面垂直且过两目标点的中心，数字相机采用的是长焦距镜头，使得目标点一定程度的离面位移并不会在数字相机的像面上产生虚假位移，根据位移计算的应变也不包含虚假应变，因而消除了测量过程中由于样品不可避免产生的离面位移而导致的虚假位移和虚假应变，为测量精度的提高提供了基础。

（3）精度提高：相对于基于单相机的均匀应变测量来说测量精度有了极大的提高；单相机测量中视场和分辨率是一对矛盾的因素，浪费了大片的视场范围，测量标距受到限制，使得均匀应变测量精度很有限，而双相机的采用使目标点的选取更加灵活，在保证位移测量精度的同时，测量标距也不再受到限制，极大提升了均匀应变的测量精度；

与传统的单相机相比，双相机的间距即应变测量标距可根据实际需求可调，具有更高的灵活性；双相机间距与应变测量精度有着直接的联系，双相机间距的增大可以扩大应变测量标距，在相对位移精度固定不变的情况下，也能极大增加应变测量的精度和分辨率。

（4）成本较低：与基于远心镜头的单相机应变测量相比，增加一个相机的代价远比不上昂贵的远心镜头，且能够得到更高的测量精度，既降低了成本又提高了测量效果。

使用本发明的光学引伸计和测量方法进行均匀应变检测，可以在较低成本的基础上有效消除由于被测样品离面位移而导致的虚假位移和虚假应变，提高均匀应变测量的精度和分辨率，具有很强的实用性和广泛的适用性。

附图说明

图1是本发明的光学引伸计的测量示意图。

图2为本发明的光学引伸计消除离面位移影响的原理示意图。

附图中标记的含义如下：1、被测样品，2、数字相机，3、长焦镜头，4、光轴，5、目标点，6、支架，7、数据处理装置。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

如图1所示，本发明的一种基于双相机的高精度光学引伸计，由两台数字相机2、支架6及数据处理装置7组成，两台数字相机呈纵向固定在支架6上，通过数据线与数据处理装置7连接。两台数字相机的规格型号相同，镜头采用相同规格的长焦镜头3，以减小视场，增加图像空间分辨率。

数据处理装置通过硬件同步或者软件同步措施使两台数字相机能够同时采集数字图像。

长焦镜头3的两个光轴4平行，且均与被测样品1的表面垂直，且具有相同的距离；两个光轴4分别通过被测样品表面的两个目标点5。

数据处理装置，还包括相关运算模块和后处理模块；相关运算模块，根据数字图像相关算法对采集的数字图像进行相关运算，追踪被测样品表面的两目标点的位移信息；后处理模块，利用获取的位移信息，结合两目标点的间距信息，计算局部均匀应变。

其中，数字图像相关算法为现有技术。如，期刊名称为《光学学报》，2013年 04期，公开了名称为《使用双远心镜头的高精度二维数字图像相关测量系统》的文章中公开了数字图像相关算法。

测量方法，包括以下步骤：

S1、将两台数字相机安装在相机支架上，使两台数字相机的光轴平行，且均与被测样品表面垂直；

S2、在被测样品表面选取两个目标点作为测量点，两目标点的连线方向为测量方向，在目标点人工生成随机散斑或利用样品表面纹理，作为变形信息的载体；

S3、微调支架上的相机，使两台数字相机的光轴分别与被测样品表面垂直，且通过两目标点的中心，保证在两台数字相机采集到的数字图像中，两目标点分别位于图像中心；

S4、数据处理装置驱动两台数字相机，同步采集样品变形（上下拉伸）前后的数字图像；

S5、数据处理装置，利用数字图像相关算法对数字图像进行相关运算，追踪两目标点的位移，分别得到两目标点沿着测量方向产生的位移为x1和x2，结合两目标点的间距s，计算被测表面的均匀应变，计算式为：(x2-x1)/s；

式中，x1和x2分别为被测样品表面的两目标点的位移；s为两目标点的间距。

本发明的一种基于双相机的高精度光学引伸计及测量方法，能够消除由于被测样品表面产生离面位移而导致测量结果中包含的虚假位移和虚假应变，其原理如图2所示：

不使用远心镜头的普通相机和镜头在成像时普遍遵循针孔成像模型，如图2中如果将目标点设定为被测样品表面上远离光轴的一点A，经过镜头会在像面上的a点成像。当被测样品表面产生一定程度的离面位移使A点移动到了B点，根据针孔成像模型将会在像面上与a点存在一定距离的b点成像。在被测样品并未产生变形的条件下，仅仅由于被测样品表面产生离面位移而使同一个点在像面上所成的像点产生了位移，位移的大小为a点和b点的间距，根据位移数据能够计算出相应的应变数据，这就是由离面位移导致的虚假位移和虚假应变。

当把目标点设定在被测样品表面与光轴的交点C，在像面上的c点成像。随着被测样品表面的离面位移C点移动到了D点，此时在像面上d点成像。可见，c点和d点其实是重合的，即目标点在像面上并未产生位移，也就意味着离面位移并不会导致虚假位移以及后续的虚假应变，测量精度自然能够得到提高。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.基于双相机的高精度光学引伸计，其特征在于，包括两台数字相机、支架、数据处理装置；

所述两台数字相机纵向搁置在支架，光轴相互平行且分别垂直被测样品表面；

所述数据处理装置与两台数字相机相连，通过驱动两台数字相机采集被测样品表面的数字图像；

所述数据处理装置，还包括相关运算模块和后处理模块；

所述相关运算模块，根据数字图像相关算法对采集的数字图像进行相关运算，追踪被测样品表面的两目标点的位移信息；

所述后处理模块，利用获取的位移信息，结合两目标点的间距信息，计算局部均匀应变。

2.根据权利要求1所述的基于双相机的高精度光学引伸计，其特征在于，所述两台数字相机具有相同的规格型号，采用相同规格的长焦距镜头。

3.根据权利要求1所述的基于双相机的高精度光学引伸计，其特征在于，所述数据处理装置驱动两台数字相机，同步采集数字图像。

4.根据权利要求1所述的基于双相机的高精度光学引伸计，其特征在于，所述支架可微调，包括相机间的纵向间距。

5.根据权利要求1所述的基于双相机的高精度光学引伸计，其特征在于，所述局部均匀应变的计算式为：(x2-x1)/s；

式中，x1和x2分别为被测样品表面的两目标点的位移；s为两目标点的间距。

6.根据权利要求1所述的基于双相机的高精度光学引伸计的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将两台数字相机安装在相机支架上，使两台数字相机的光轴平行，且均与被测样品表面垂直；

S2、在被测样品表面选取两个目标点作为测量点，两目标点的连线方向为测量方向，在目标点人工生成随机散斑或利用样品表面纹理，作为变形信息的载体；

S3、微调支架上的相机，使两台数字相机的光轴分别与被测样品表面垂直，且通过两目标点的中心，保证在两台数字相机采集到的数字图像中，两目标点分别位于图像中心；

S4、数据处理装置驱动两台数字相机，同步采集样品变形前后的数字图像；

S5、数据处理装置，利用数字图像相关算法对数字图像进行相关运算，追踪两目标点的位移，分别得到两目标点沿着测量方向产生的位移为x1和x2，结合两目标点的间距s，计算被测表面的均匀应变。

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