CN113295209B - 一种自适应高精度数字测试系统设计方法及测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种自适应高精度数字测试系统设计方法及测试系统，属测力系统制造领域。本发明通过识别图像数据实现应变式力传感器身份图像的识别和系数的自动导入，采用图像定位三维空间下传感器坐标，结合传感器测试数据实现三维空间下物体的质量质心测量，结合红外非接触测温原理，能够实现非接触条件下传感器自动温度补偿标定，还能够为复杂环境下测力传感器的使用提供多点非接触温度补偿。本发明能够将硬件问题转化为软件计算问题，降低硬件系统复杂度，提高系统的电磁兼容性，且能够减少测试设备过多导致测试系统的局限性以及人工因素引入误差的不确定性，同时避免置入温度传感器引起弹性体受力不均匀造成的误差，提高工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种自适应高精度数字测试系统设计方法及一种自动温度补偿的智能高精度数字测试系统，属测力系统制造领域。
背景技术
对于汽车、轮船、潜艇、飞行器等交通各类运输工具的设计研发过程中，需要考虑多项因素如结构强度、刚度、动力装置、控制系统、系统安全性工作及制造工艺等。大量的海陆空事故表明，各类交通运输工具在使用过程中质心位置变化问题对其安全运行十分重要。质量质心测量是对理论质量质心测量的试验验证，是各类交通运输工具研制和使用过程的关键环节：在研制阶段及完成整机装配后，在各系统调试前需进行质量质心测量，此外，在使用过程的维修前后或改装后也必须进行测量，质量质心超限会严重影响到正常运行。因此，质量质心测量贯穿了各类交通运输工具的研制和使用阶段。
测力传感器广泛应用于航空、航天、兵器、船舶、工业计量测试领域。除一般实验室、工业等应用场合外，国防领域如航空航天矢量推力测试等，测试环境复杂多变，尤其温度的变化会引起传感器灵敏度的变化，造成传感器测量结果不准确。以电阻应变式测力传感器为例，电阻应变片的温度补偿方法通常有应变片自补偿法和桥路补偿法两类。通常传感器的温度补偿为一次性补偿，该种方式在综合考虑全量程测试温度适应性的条件下，只能在某种程度上降低环境温度对电压输出信号的影响，具有局限性。为降低环境温度对传感器输出信号的影响，可以在传感器内部安装一个小型的温度传感器，通过获取测试点的温度实现温度补偿，但该种方法增加传感器复杂度的同时，也增加了内部的信号线，为测力系统引入新的误差。此外，传感器通常采用环境试验箱(可选配备加载力装置或非加载力装置)进行温度补偿标定，由于环境试验箱较大，环境温度分布不均匀，因此在使用环境试验箱同时对多个传感器温度补偿标定时，存在误差，且由于试验人员的介入，在人工读数、记录、计算过程中，会引入新的误差。
发明内容
本发明公开的一种自适应高精度数字测试系统设计方法及测试系统要解决的技术问题是：通过识别图像数据实现应变式力传感器身份图像的识别和系数的自动导入，采用图像定位三维空间下传感器坐标，结合传感器测试数据实现三维空间下物体的质量质心测量，此外，结合红外非接触测温原理，能够实现非接触条件下传感器自动温度补偿标定，还能够为复杂环境下测力传感器的使用提供多点非接触温度补偿。本发明能够避免在传感器内部置入温度传感器、ID芯片，将硬件问题转化为软件计算问题，降低硬件系统复杂度，从而提高系统的电磁兼容性，且能够减少测试设备过多导致测试系统的局限性以及人工因素引入误差的不确定性，同时避免置入温度传感器引起弹性体受力不均匀造成的误差，也避免了人工输入传感器系数引起的误差，提高工作效率。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的一种自适应高精度数字测试系统设计方法，通过将图像处理技术与传感技术相结合，将传感器的身份信息编入二维码符号中，通过识别图像数据实现应变式力传感器身份图像的识别和系数的自动导入。采用图像定位三维空间下传感器坐标，结合传感器测试数据实现三维空间下物体的质量质心测量。
所述传感器的身份信息包括出厂编号和标定系数。
作为优选，结合红外非接触测温原理，通过采集图像确定测试点的坐标，实时监测测试点温度的变化，通过计算传感器温度补偿系数实现多个传感器同时、实时温度补偿标定，实现非接触条件下多个传感器自动温度补偿标定，还能够为复杂环境下测力传感器的使用提供多点非接触温度补偿。
作为优选，通过拍摄的两张图像定位三维空间下的传感器坐标。
本发明公开的一种自适应高精度数字测试系统，包括三只应变式力传感器、三台可移动顶升机构，智能高精度数字测量仪表。
所述智能高精度数字测量仪表主要由双目摄像头、主板、显示屏及控制按钮、传感器接口、摄像头接口、传感器线缆、图像数据线、机箱、电源接口、USB接口、配套软件、待补偿测力传感器、待补偿测力传感器身份识别二维码组成。
所述双目摄像头主要由可见光摄像头和红外摄像头组成，其中可见光摄像头用于拍摄测试现场灰度图，确定测力传感器坐标；红外摄像头用于拍摄测试现场红外热力图，确定测力传感器所在坐标位置的温度数据。
所述仪表主板主要由单片机、复位电路、模数转换电路、存储器组成，为仪表的核心硬件组成部分。
所述显示屏及控制按钮的显示屏为仪表的人机接口，显示屏主要用于显示图像数据、测量数据，并用于点选传感器坐标，获取传感器位置数据；控制按钮包括电源键，用于实现仪表的功能操作。
所述传感器接口，用于测力传感器的供电和电压信号输入。
所述摄像头接口，用于双目摄像头的供电和图像信号的输入。
所述传感器线缆，用于连接传感器和智能仪表。
所述图像数据线，用于连接智能仪表和双目摄像头。
所述智能仪表机箱，主要用于连接并保护仪表的主板及外围电路。
所述电源接口，用于外接电源为仪表供电。
所述USB接口，用于仪表数据的输入输出，方便试验数据的存储、记录。
所述仪表的配套软件，主要用于控制实现传感器测量数据显示、传感器位置图像采集、温度采集、查询补偿系数，通过计算传感器温度补偿系数实现多个传感器同时、实时温度补偿标定，实现非接触条件下多个传感器自动温度补偿标定，还能够为复杂环境下测力传感器的使用提供多点非接触温度补偿。
本发明公开的一种自适应高精度数字测试系统的工作方法，包括如下步骤：
步骤1：由双目摄像头拍摄灰度图和红外热力图，根据待补偿测力传感器身份识别二维码在灰度图中识别出传感器的身份信息，自动导入传感器系数，完成传感器的参数配置。
步骤2：在地面已知坐标下拍摄两张包含待补偿测力传感器的现场图片，根据图像数据解算测试点坐标。点X1,X2分别为待补偿测力传感器在图像中呈现的位置，定义两张图像的视差为d。
根据相似三角形比例关系求得待测传感器在摄像机中的三维点坐标：
其中：l为相机两次成像中心之间的距离，f可见光摄像头的焦距，x1，y1为相机第一次拍摄时，待测传感器在相机中的图像二维坐标。
步骤3：重复步骤2中三维点坐标计算公式，得出现场三支应变式力传感器的空间三维坐标。通过待测传感器的测试数据，得到三点传感器测试得到的质量分别为m1，m2，m3，将其带入如下质心计算公式。
步骤4：为获取质心坐标YM，即质心的高度坐标，需将测试物体倾斜角度β(已知量)，定义原质心倾角为θ(未知量)，定义R(未知量)为原点O到质心P的距离。Δx＝XM-XM1为已知量，P1为倾斜角度β后质心的位置，得关系式如下。
RCOSθ-RCOS(θ+β)＝Δx (1)
整理得：
R(1-cosβ)cosθ+Rsinβsinθ＝Δx (2)
同理，将测试物体倾斜角度β’，Δx’＝XM-XM2，得公式如下：
R(1-cosβ’)cosθ+Rsinβ’sinθ＝Δx’ (3)
将式(2)式(3)两边两两相除整理得：
由式(4)可得倾角θ的值。
由图6中的倾角关系可知：
YM＝XMtanθ (6)
将式(5)代入公式(6)即可得到YM。
步骤5：为减少温度引起的系统测试误差，在测试前对系统中三支应变式力传感器进行温度补偿标定，将传感器放置于环境试验箱中，系统从红外热力图相应坐标位置获取传感器的温度值，对温度测试点处进行温度补偿自动标定，并将数据导入存储器中，同时生成温度系数补偿表，实现传感器温度补偿自动标定。
步骤6：当传感器应用在复杂环境下时，仪表壳通过温度图像实现温度的实时监测，调取传感器温度补偿系数为测力传感器测量值实现补偿，实现为复杂环境下测力传感器的使用提供多点非接触智能温度补偿。
有益效果：
1、本发明公开的一种自适应高精度数字测试系统设计方法及测试系统，将图像处理技术与传感技术相结合，采用图像定位三维空间下传感器坐标，结合传感器测试数据实现三维空间下物体的质量质心测量，能顾有效降低现场测试设备的复杂度，操作简便，并减少人工因素引入的误差，具有普适性的同时，能够提升工作效率。
2、本发明公开的一种自适应高精度数字测试系统设计方法及测试系统，将传感器的身份信息(出厂编号和标定系数等)编入二维码符号中，通过识别图像数据实现应变式力传感器身份图像的识别和系数的自动导入，能够避免在传感器内部置入ID芯片，将硬件问题转化为软件计算问题，较少硬件系统复杂度，从而提高系统的电磁兼容性，同时也能够避免人工输入传感器系数引起的误差，提高工作效率。
3、本发明公开的一种自适应高精度数字测试系统设计方法及测试系统，结合红外非接触测温原理，通过采集图像确定测试点的坐标，实时监测测试点温度的变化，调取预先设定的温度补偿算法实现多个传感器同时、实时温度补偿标定，实现非接触条件下多个传感器自动温度补偿标定，也能够为复杂环境下测力传感器的使用提供多点非接触温度补偿。本发明能够避免在传感器内部置入温度传感器，降低系统硬件的复杂度，且能够避免置入温度传感器引起弹性体受力不均匀造成的误差，提高系统的电磁兼容性，同时也能够避免人工输入传感器系数引起的误差，提高工作效率。
附图说明
图1：智能高精度数字测量仪表外形图；
图2：智能高精度数字测量仪表俯视外形图；
图3：智能高精度数字测量仪表工作原理图；
图4：待测传感器成像示意图；
图5：待测传感器成像俯视图；
图6：测试物体倾斜角度θ示意图；
其中：1—双目摄像头、2—主板、3—显示屏及控制按钮、4—传感器接口、5—摄像头接口、6—传感器线缆、7—图像数据线、8—机箱、9—电源接口、10—USB接口、11—配套软件、12—待补偿测力传感器、13待补偿测力传感器身份识别二维码。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
本实施例公开的一种自适应高精度数字测试系统设计方法，通过现场操作人员拍摄两张图像定位三维空间下的传感器坐标，通过将图像处理技术与传感技术相结合，将传感器的身份信息编入二维码符号中，通过识别图像数据实现应变式力传感器身份图像的识别和系数的自动导入。采用图像定位三维空间下传感器坐标，结合传感器测试数据实现三维空间下物体的质量质心测量。结合红外非接触测温原理，通过采集图像确定测试点的坐标，实时监测测试点温度的变化，通过计算传感器温度补偿系数实现多个传感器同时、实时温度补偿标定，实现非接触条件下多个传感器自动温度补偿标定，还能够为复杂环境下测力传感器的使用提供多点非接触温度补偿。所述传感器的身份信息包括出厂编号和标定系数。
如图1、2、3所示，本实施例公开的一种自适应高精度数字测试系统，包括三只应变式力传感器、三台可移动顶升机构，智能高精度数字测量仪表。
所述智能高精度数字测量仪表主要由双目摄像头1、主板2、显示屏及控制按钮3、传感器接口4、摄像头接口5、传感器线缆6、图像数据线7、机箱8、电源接口9、USB接口10、配套软件11、待补偿测力传感器12、待补偿测力传感器身份识别二维码13组成。
所述双目摄像头1主要由可见光摄像头和红外摄像头组成，其中可见光摄像头用于拍摄测试现场灰度图，确定测力传感器坐标；红外摄像头用于拍摄测试现场红外热力图，确定测力传感器所在坐标位置的温度数据。
所述仪表主板2主要由单片机、复位电路、模数转换电路、存储器组成，为仪表的核心硬件组成部分。
所述显示屏及控制按钮3的显示屏为仪表的人机接口，显示屏主要用于显示图像数据、测量数据，并用于点选传感器坐标，获取传感器位置数据；控制按钮包括电源键，用于实现仪表的功能操作。
所述传感器接口4，用于测力传感器的供电和电压信号输入。
所述摄像头接口5，用于双目摄像头的供电和图像信号的输入。
所述传感器线缆6，用于连接传感器和智能仪表。
所述图像数据线7，用于连接智能仪表和双目摄像头。
所述智能仪表机箱8，主要用于连接并保护仪表的主板及外围电路。
所述电源接口9，用于外接电源为仪表供电。
所述USB接口10，用于仪表数据的输入输出，方便试验数据的存储、记录。
所述仪表的配套软件11，主要用于控制实现传感器测量数据显示、传感器位置图像采集、温度采集、查询补偿系数，通过计算传感器温度补偿系数实现多个传感器同时、实时温度补偿标定，实现非接触条件下多个传感器自动温度补偿标定，还能够为复杂环境下测力传感器的使用提供多点非接触温度补偿。
本实施例公开的一种自适应高精度数字测试系统的工作方法，具体实现步骤如下：
步骤1：由双目摄像头拍摄灰度图和红外热力图，通过仪表内预先设置的程序，在灰度图中识别出待补偿测力传感器身份识别二维码13，自动导入传感器系数，完成传感器的参数配置。
步骤2：在地面已知坐标下拍摄两张包含待测传感器12的现场图片，根据图像数据解算测试点坐标。以其中某一测试点为例进行计算，摄像机在左右两侧拍摄的图片如图4所示，图中的点X1,X2分别为待测传感器12在图像中呈现的位置，设两张图像的视差为d。
由图5中相似三角形比例关系可求得待测传感器在摄像机中的三维点坐标：
其中：l为相机两次成像中心之间的距离，f可见光摄像头的焦距，x1，y1为相机第一次拍摄时，待测传感器在相机中的图像二维坐标。
步骤3：重复步骤2中三维点坐标计算公式，得出现场三支应变式力传感器的空间三维坐标。通过待测传感器的测试数据，可知三点传感器测试得到的质量分别为m1，m2，m3，将其带入下述质心计算公式。
步骤4：为获取质心坐标YM，即质心的高度坐标，需将测试物体倾斜角度β(已知量)，定义原质心倾角为θ(未知量)，假设R(未知量)为原点O到质心P的距离。Δx＝XM-XM1为已知量，如图6所示，P1为倾斜角度β后质心的位置。则根据图6可得关系式如下。
RCOSθ-RCOS(θ+β)＝Δx (1)
整理得：
R(1-cosβ)cosθ+Rsinβsinθ＝Δx (2)
同理，将测试物体倾斜角度β’，Δx’＝XM-XM2，可得公式如下：
R(1-cosβ’)cosθ+Rsinβ’sinθ＝Δx’ (3)
将式(2)式(3)两边两两相除整理得：
由式(4)可得倾角θ的值。
由图6中的倾角关系可知：
YM＝XMtanθ (6)
将式(5)代入公式(6)即可得到YM。
步骤5：为减少温度引起的系统测试误差，可在测试前对系统中三支应变式力进行温度补偿标定，可将传感器放置于环境试验箱中，系统从红外热力图相应坐标位置获取传感器的温度值，将预定程序中设置的温度测试点处进行温度补偿自动标定，并将数据导入存储器中，同时生成温度系数补偿表，实现传感器温度补偿自动标定。
若传感器在可加载的环境试验箱中进行温度补偿标定，可将程序设定成温度载荷共同标定模式，在此模式下，需预先设定的温度补偿点和载荷标定点，标定过程中，仪表从图像数据获取温度的同时，也采集测力传感器的输出电压信号，实现传感器温度补偿、载荷自动标定。
步骤6：当传感器应用在复杂环境下时，仪表壳通过温度图像实现温度的实时监测，调取传感器温度补偿系数为测力传感器测量值实现补偿，实现为复杂环境下测力传感器的使用提供多点非接触智能温度补偿。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种自适应高精度数字测试系统，其特征在于：包括三只应变式力传感器、三台可移动顶升机构，智能高精度数字测量仪表；
所述智能高精度数字测量仪表主要由双目摄像头(1)、主板(2)、显示屏及控制按钮(3)、传感器接口(4)、摄像头接口(5)、传感器线缆(6)、图像数据线(7)、机箱(8)、电源接口(9)、USB接口(10)、配套软件(11)、待补偿测力传感器(12)、待补偿测力传感器身份识别二维码(13)组成；
所述双目摄像头(1)主要由可见光摄像头和红外摄像头组成，其中可见光摄像头用于拍摄测试现场灰度图，确定测力传感器坐标；红外摄像头用于拍摄测试现场红外热力图，确定测力传感器所在坐标位置的温度数据；
所述主板(2)主要由单片机、复位电路、模数转换电路、存储器组成，为仪表的核心硬件组成部分；
所述显示屏及控制按钮(3)的显示屏为仪表的人机接口，显示屏主要用于显示图像数据、测量数据，并用于点选传感器坐标，获取传感器位置数据；控制按钮包括电源键，用于实现仪表的功能操作；
所述传感器接口(4)，用于测力传感器的供电和电压信号输入；
所述摄像头接口(5)，用于双目摄像头的供电和图像信号的输入；
所述传感器线缆(6)，用于连接传感器和智能仪表；
所述图像数据线(7)，用于连接智能仪表和双目摄像头；
所述机箱(8)，主要用于连接并保护仪表的主板及外围电路；
所述电源接口(9)，用于外接电源为仪表供电；
所述USB接口(10)，用于仪表数据的输入输出，方便试验数据的存储、记录；
所述仪表的配套软件(11)，主要用于控制实现传感器测量数据显示、传感器位置图像采集、温度采集、查询补偿系数，通过计算传感器温度补偿系数实现多个传感器同时、实时温度补偿标定，实现非接触条件下多个传感器自动温度补偿标定，还能够为复杂环境下测力传感器的使用提供多点非接触温度补偿；
所述的一种自适应高精度数字测试系统，工作方法包括如下步骤，
步骤1：由双目摄像头拍摄灰度图和红外热力图，根据待补偿测力传感器身份识别二维码(13)在灰度图中识别出传感器的身份信息，自动导入传感器系数，完成传感器的参数配置；
步骤2：在地面已知坐标下拍摄两张包含待补偿测力传感器(12)的现场图片，根据图像数据解算测试点坐标；点X1,X2分别为待补偿测力传感器(12)在图像中呈现的位置，定义两张图像的视差为d；
求得待测传感器在摄像机中的三维点坐标：
其中：l为相机两次成像中心之间的距离，f可见光摄像头的焦距，x1，y1为相机第一次拍摄时，待测传感器在相机中的图像二维坐标；
步骤3：重复步骤2中三维点坐标计算公式，得出现场三支应变式力传感器的空间三维坐标；通过待测传感器的测试数据，得到三点传感器测试得到的质量分别为m1，m2，m3，将其带入如下质心计算公式；
步骤4：为获取质心坐标YM，即质心的高度坐标，需将测试物体倾斜角度β，定义原质心倾角为θ，定义R为原点O到质心P的距离；Δx＝XM-XM1为已知量，P1为倾斜角度β后质心的位置，得关系式如下；
RCOSθ-RCOS(θ+β)＝Δx (1)
整理得：
R(1-cosβ)cosθ+Rsinβsinθ＝Δx (2)
同理，将测试物体倾斜角度β’，Δx’＝XM-XM2，得公式如下：
R(1-cosβ’)cosθ+Rsinβ’sinθ＝Δx’ (3)
将式(2)式(3)两边两两相除整理得：
由式(4)可得倾角θ的值：
由图6中的倾角关系可知：
YM＝XMtanθ (6)
将式(5)代入公式(6)即可得到YM；
步骤5：为减少温度引起的系统测试误差，在测试前对系统中三支应变式力传感器进行温度补偿标定，将传感器放置于环境试验箱中，系统从红外热力图相应坐标位置获取传感器的温度值，对温度测试点处进行温度补偿自动标定，并将数据导入存储器中，同时生成温度系数补偿表，实现传感器温度补偿自动标定；
步骤6：当传感器应用在复杂环境下时，仪表壳通过温度图像实现温度的实时监测，调取传感器温度补偿系数为测力传感器测量值实现补偿，实现为复杂环境下测力传感器的使用提供多点非接触智能温度补偿。
2.一种自适应高精度数字测试系统设计方法，基于如权利要求1所述的一种自适应高精度数字测试系统实现，其特征在于：通过将图像处理技术与传感技术相结合，将传感器的身份信息编入二维码符号中，通过识别图像数据实现应变式力传感器身份图像的识别和系数的自动导入；采用图像定位三维空间下传感器坐标，结合传感器测试数据实现三维空间下物体的质量质心测量；
所述传感器的身份信息包括出厂编号和标定系数。
3.如权利要求2所述的一种自适应高精度数字测试系统设计方法，其特征在于：结合红外非接触测温原理，通过采集图像确定测试点的坐标，实时监测测试点温度的变化，通过计算传感器温度补偿系数实现多个传感器同时、实时温度补偿标定，实现非接触条件下多个传感器自动温度补偿标定，还能够为复杂环境下测力传感器的使用提供多点非接触温度补偿。
4.如权利要求2所述的一种自适应高精度数字测试系统设计方法，其特征在于：通过拍摄的两张图像定位三维空间下的传感器坐标。
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