CN112212797A - 一种显微视觉应变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种显微视觉应变传感器，该传感器的基本构成包括位移敏感结构、显微镜、摄像头、限位装置、封装结构和固定支座。其中，位移敏感结构的功能是将应变传感标距两端点之间的位移变化转换成位于局部位置的微小视觉标靶之间的相对位移变化。显微镜的功能是数十倍地光学放大视觉标靶之间的相对位移变化视野范围，以提高测量的分辨率与精度。摄像头的功能是进行视觉标靶相对位置变化的图片、视频采集。限位装置用于减小应变传感器内部敏感构件的位置固定误差；封装结构对传感器的主要构件进行封装保护；固定支座将传感器固定到所测物体上。本传感器使用方便，实现分辨率为10^‑6量级的应变监测与检测，可以降低应变测量费用。

Description

一种显微视觉应变传感器

技术领域

本发明属于土木工程结构健康监测领域，尤其涉及到结构构件应变变形测量的传感器及其制作方法。在结构健康监测领域中，结构应变是一项重要的监测指标，应变能反映结构构件包括材料等所处的状态，便于分析结构在荷载(包括地震、台风等灾害)作用下的安全状态。本发明基于机器视觉技术进行显微视觉应变传感器的设计，实现分辨率为10^-6量级的应变测量。该传感器能显著降低应变测量的成本，拓宽应变监测在实际结构中的应用前景。

背景技术

在土木工程领域，测量结构构件的应变对于了解结构的安全性能以及结构的服役状态具有重要意义。因此，获得结构在荷载作用下的应变信息是结构健康监测工作的常规内容之一。对于整体结构来说，我们会关心其在动荷载作用下的结构响应参数，所以需要对结构进行实时监测，获得并分析结构响应和模态参数等，而这些反映结构静力与动力特性的参数主要有应变、加速度与位移。对于结构的构件来说，往往需要知道其在工作状态下的应力响应情况，为后续评价构件的性能分析提供依据，对于此类问题，常常通过应变来进行分析。

传统的应变测量手段主要有以电阻式应变片为代表的电学测试法和以光纤光栅传感器为代表的光学类测试法。它们虽然属于接触式测量手段，但在各个工程领域都有十分广泛的应用。以上方法存在一定需要完善的地方：1)准备工作较复杂：电阻应变片多采用纸质或胶质基底，易受环境(如电磁场、温湿度、化学腐蚀等)影响、在室外工作环境下存在寿命短的问题，并且为了采集电阻丝的电阻变化需要焊接微小线路，考验应用人员的技术水平。而光纤光栅传感器需要预先对直径细小的光纤光栅进行封装，随后还需进行标定。2)长期监测稳定性有待提高。电阻应变片存在零漂的现象，光纤光栅传感器也存在光纤布拉格波长随时间漂移的现象，这为长期监测带来误差。3)电阻应变片与光纤光栅应变传感器的信号采集与分析设备成本较高，尤其是光纤光栅解调仪的成本更高。上述的各因素使得这两种手段难以在工程监测领域得到更大规模的应用。

显微镜和机器视觉图像处理技术的发展，为解决上述问题带来了契机。借助显微镜的运用，可以观测微小视场内相对标靶高精度位移变化；图像处理技术可以对所获取变形前后特征点图片进行目标识别、相对位移测量，进而实现应变测量。本发明专利以此为思路，提供了一种使用方便，精度高，测量成本低的显微视觉应变传感器。

发明内容

针对已有应变传感技术存在的问题，本发明提出了一种新型的显微视觉应变传感器。其特征在于，将应变传感标距内的应变变化所对应的位移伸缩量，通过位移敏感结构转换成可以用显微镜视觉测量的位移，从而实现传感标距内应变的测量。该传感器的应变分辨率可以达到10^-6级别，且结构简单安装方便，能够降低应变测量成本。

本发明的技术方案如下：

一种显微视觉应变传感器，包括位移敏感结构、显微镜、摄像头、限位装置、封装结构和固定支座；

所述的封装装置主要由内部套管和外部套管构成；探针位于内部套管内，二者的一端通过左固定支座固定于被测物体上；外部套管的一端通过右固定支座固定于被测物体上；外部套管套装于内部套管外；

所述的位移敏感结构主要由探针、标尺和标记点构成；标尺位于限位平台表面上，标尺上标注有第一类微小视觉标靶，该标靶为已知几何尺寸的视觉标靶，用于建立摄像头采集的像素位移与真实位移的对应关系；标记点为探针一端设置的识别标点，该标记点为第二类微小视觉标靶；标尺和标记点在同一水平面上；左固定支座与右固定支座之间的位移即为标尺上的第一类微小视觉标靶与标记点也就是第二类微小视觉标靶之间相对位移；

所述的限位装置主要由限位孔和限位平台构成；限位孔只允许探针穿过，在两个维度限制探针的活动，只允许探针在传感器纵轴方向做伸缩运动，以减少小直径探针在传感器内的弯曲；限位平台用于固定安放标尺，以保证标尺和标记点在同一水平面上；探针也安放在限位平台上，限位平台固定于外部套管的内侧上；

所述显微镜用于将传感器传感标距内对应应变变化的微小视觉标靶相对移动位移进行数十倍放大，得到视觉标靶位移变化微小视野图像，以便后续采用摄像头进行视觉数据采集处理，得到传感标距内的位移变化，从而得到传感标距内的应变变化；

物体变形带动与之固定连接的两个固定支座产生移动位移，两个固定支座分别带动探针和标尺产生位移，探针上的标记点和标尺之间的间距变化即为两个固定支座的移动位移，除以两个固定支座之间的距离，得到测量距离内物体的平均应变。

所述显微镜的视野直径可达到5毫米左右，放大倍率在20倍以上，外部套管上开设小口以安放固定显微镜；并且显微镜能够对标尺和标记点的相对位置进行清晰的成像；显微镜可与智能手机摄像头或者摄像头模块搭配获取传感器位移的图像数据。

所述的摄像头与显微镜的固定方式包括两种：1)长期固定方式，采用长期固定在显微镜上的带光源补光的摄像头模块；2)短期固定方式，在需要测量读数的时候，短时间连接到显微镜进行读数，采用带光源补光的摄像头模块或智能手机摄像头。

位移敏感结构的功能是将应变传感标距两端点之间的位移变化转换成局部位置的视觉标靶之间的相对位移变化。将所得相对位移变化除以传感器的传感标距，就得到了传感标距内的平均应变。摄像头的功能是进行视觉标靶相对位置变化的图片、视频的信息采集。为了成像清晰，摄像头须有光源补光。限位装置用于减小传感器内部构件的位置固定误差和利于内部构件的安放；封装结构对传感器的主要构件进行封装保护；固定支座将传感器固定到所测物体上，以产生同步应变变化。

所述的探针穿过限位孔，同标尺保持在同一限位平台上；限位孔限制探针的两个维度的活动，只允许探针在传感器纵轴方向做伸缩运动，以减少探针在传感器内的弯曲；限位平台为探针的标记点和标尺提供同一平面的观测条件，其上部安放显微镜。

所述的探针采用1.0毫米直径左右的刚度较高的材料制成；

所述的内部套管和探针的一端通过左固定支座固定于被测物体上，外部套管的一端通过右个固定支座固定于被测物体上，外部套管套装于内部套管外。

所述的摄像头固定于显微镜上方，用于对两类微小视觉标靶的位置变化进行图像采集；

该显微视觉应变传感器的测量原理：通过观测和追踪与内管固定连接的探针上的第二类微小视觉标靶和与外管固定连接的标尺上的第一类微小视觉标靶的相对位移变化来进行测量。其中内管与一个固定支座连接，外管与另一个固定支座连接，两个固定支座与物体固定连接。物体变形带动与之固定连接的两个固定支座产生伸缩位移，两个固定支座分别带动探针和标尺产生相对位移，第一类微小视觉标靶和第二类微小视觉标靶之间的相对位移变化即为两个固定支座之间的移动位移。用上述测量的相对位移变化除以应变传感标距长度，可得到测量距离内物体的平均应变。

与现有技术相比，本发明的有益效果：采用数字摄像头采集数据，数据采集与分析系统构造简单，成本低；基于数字信号采集，传感器的抗电磁干扰能力强；针对临时的应变检测，可以用不同的摄像头模块或智能手机摄像头分别采集同一测点传感器数据得到应变；该传感器内置敏感结构与传感器封装结构简单，耐久性好，使用方便。

附图说明

图1为本发明的显微视觉应变传感器；

图2为本发明传感器的显微摄像部分的局部详图A；

图3为本发明传感器的显微摄像部分的剖面图B；

图中：1内部套管；2外部套管；3探针；4显微镜；5标尺；6限位孔；7摄像头；8限位平台；9标记点；10左固定支座；11右固定支座。

具体实施方式

为了更清楚的表达本发明的操作步骤、目的和优点，下面将结合本发明实施例中的示意附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施例：

如图1所示的显微视觉应变传感器，包括显微镜4、摄像头7、位移敏感结构、限位装置、封装结构和固定支座；其中位移敏感结构主要由探针3、标尺5和标记点9构成；限位装置主要由限位孔6和限位平台8两部分构成；封装装置主要由内部套管1和外部套管2构成。

内部套管1的外径小于外部套管2的内径，两根套管套在一起，连接紧密，只能沿套管纵向伸缩运动；两支套管通过左固定支座10和右固定支座11与被测物体进行固定连接；探针3的一端与内部套管1的中心进行固定，另一端伸入外部套管2内；在外部套管2对应两类微小视觉标靶位置，开窗以固定安放显微镜4；在显微镜的下侧的外部套管2内部固定一个限位平台8；该限位平台8上固定标尺5，并且探针从限位平台8的表面通过；探针3在限位平台8上部分的局部表面处，设置标记点9，与标尺5保持在同一平面上，以获得两类微小视觉标靶的清晰图像；

所述的标尺5上面标记着已知几何尺寸的第一类微小视觉标靶(形状为矩形、圆形等)，用于建立摄像头像素位移与真实位移对应关系；所述的标记点9为在探针3一段设置的识别标点，即第二类微小视觉标靶，与标尺5上的第一类微小视觉标靶位置相对应。例如：在标尺5处连续标记已知长宽的矩形标靶作为第一类微小视觉标靶，在探针3端部标记第二类型微小视觉标靶作为标记点9；

所述的探针3的直径为1毫米左右，采用刚度较大的材料；例如可采用直径0.5毫米的碳纤维或金属棒作为探针；

所述的显微镜4的观测视野直径为5毫米左右，放大倍率在20倍以上，能够对观测区域形成清晰的图像；

显微镜4与摄像头7搭配获取传感器位移的图像数据，以便进行图像处理，计算相对位移从而得到应变。

测量机理：利用摄像头7，通过显微镜4观测和追踪与内部套管1固定连接的探针3上的标记点9(第二类微小视觉标靶)和与外部套管2固定连接的标尺5上标记的第一类微小视觉标靶的相对移动来进行位移变化测量。两个套管分别通过固定支座固定于被测物体上。物体变形带动与之固定连接的两个固定支座产生伸缩位移，两个固定支座分别带动探针3和标尺5产生位移，探针3上标记的第二类微小视觉标靶和标尺5上的第一类微小视觉标靶之间的相对位移变化即为两个固定支座之间的伸缩位移。用该伸缩位移除以两个固定支座之间的距离(即传感器应变传感标距)，得到测量标距内物体的平均应变。

Claims (3)

1.一种显微视觉应变传感器，其特征在于，该显微视觉应变传感器包括位移敏感结构、显微镜(4)、摄像头(7)、限位装置、封装结构和固定支座；

所述的封装装置主要由内部套管(1)和外部套管(2)构成；探针(3)位于内部套管(1)内，二者的一端通过左固定支座(10)固定于被测物体上；外部套管(2)的一端通过右固定支座(11)固定于被测物体上；外部套管(2)套装于内部套管(1)外；

所述的位移敏感结构主要由探针(3)、标尺(5)和标记点(9)构成；标尺(5)位于限位平台(8)的表面上，标尺(5)上标注有第一类微小视觉标靶，该标靶为已知几何尺寸的视觉标靶，用于建立摄像头(7)采集的像素位移与真实位移的对应关系；标记点(9)为探针(3)一端设置的识别标点，该标记点为第二类微小视觉标靶；标尺(5)和标记点(9)在同一水平面上；左固定支座(10)与右固定支座(11)之间的位移即为标尺(5)上的第一类微小视觉标靶与标记点(9)也就是第二类微小视觉标靶之间相对位移；

所述的限位装置主要由限位孔(6)和限位平台(8)构成；限位孔(6)只允许探针(3)穿过，在两个维度限制探针(3)的活动，只允许探针(3)在传感器纵轴方向做伸缩运动，以减少小直径探针(3)在传感器内的弯曲；限位平台(8)用于固定安放标尺(5)，以保证标尺(5)和标记点(9)在同一水平面上；探针(3)也安放在限位平台(8)上，限位平台(8)固定于外部套管(2)的内侧上；

所述显微镜(4)用于将传感器传感标距内对应应变变化的微小视觉标靶相对移动位移进行数十倍放大，得到视觉标靶位移变化微小视野图像，以便后续采用摄像头(7)进行视觉数据采集处理，得到传感标距内的位移变化，从而得到传感标距内的应变变化；

物体变形带动与之固定连接的两个固定支座产生移动位移，两个固定支座分别带动探针(3)和标尺(5)产生位移，探针(3)上的标记点(9)和标尺(5)之间的间距变化即为两个固定支座的移动位移，除以两个固定支座之间的距离，得到测量距离内物体的平均应变。

2.根据权利要求1所述的显微视觉应变传感器，其特征在于，所述的显微镜(4)的视野几何尺寸直径达到5毫米，放大倍率在20倍以上；显微镜(4)的视野内具有清晰的标尺(5)和标记点(9)的成像；显微镜(4)根据连续监测或临时检测的功能需求，分别与摄像头模块或智能手机摄像头进行搭配使用。

3.根据权利要求1或2所述的显微视觉应变传感器，其特征在于，所述的摄像头(7)与显微镜(4)的固定方式包括两种：1)长期固定方式，采用长期固定在显微镜(4)上的带光源补光的摄像头模块；2)短期固定方式，在需要测量读数的时候，短时间连接到显微镜(4)进行读数，采用带光源补光的摄像头模块或智能手机摄像头。

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