CN113933164A - 系缆伸长量的非接触测量装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了系缆伸长量的非接触测量装置和测量方法，包括系缆加载装置，用于为系缆施加载荷，模拟系缆受载；测量标记，设置于系缆上，用于在系缆上形成待测的标记段；图像采集单元，用于在与测量标记和系缆非接触情况下，获取系缆受载前后测量标记的位移图像；处理装置，用于根据图像采集单元采集的位移图像分析计算系缆受载前后标记段的伸长量。本发明通过设置非接触式的系缆伸长量测量装置和测量方法，在测量过程中工作人员不与系缆接触，避免系缆在加载状态下意外绷断危及工作人员的安全，此外，该方法效率高、所获得系缆伸长量的准确度高。
Description
技术领域
本发明涉及系缆伸长量的非接触测量装置和测量方法，属于系缆伸长量非接触式检测技术领域。
背景技术
随着“深海资源开发促进海洋强国建设”的战略实施，各类海洋浮式结构物（包括浮式油气开采平台、浮式海上风机、波能发电装置、海上牧场和海上机场等）广泛使用缆绳进行系泊。系泊缆绳在服役过程中，由于各种载荷的作用，会产生一个比较明显的伸长量，进而会引起浮式结构物的偏移。
为了准确评估系泊缆绳的力学性能，众多学者开展一系列实验进行探究，比如系泊缆绳的动刚度实验、蠕变实验和疲劳破坏实验等，在这些实验中，都需要测量缆绳试样的伸长量。然而，现有的测量手段大多是接触式测量，即测试人员使用量具通过与系缆表面直接接触获得测量信息的测量方法。这种接触式测量的方法具有精度低、效率低的缺点。此外，对于系缆实验来说，尤其是大尺寸系缆的实验，需要施加的力高达几十吨，在测试过程中，人为的前往测量，一旦系缆发生破断，极有可能造成安全事故。因此如何准确、高效且安全的测量系缆在受力过程中的伸长量是目前困扰众多研究者的一个关键技术难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种系缆伸长量的非接触测量装置和测量方法，利用现代化的设备，实现系泊缆绳伸长量的非接触式测量，提高测量的效率、精度和安全性。
为达到上述目的，本发明提供一种系缆伸长量的非接触测量装置和测量方法。
一方面，系缆伸长量的非接触测量装置，包括：
系缆加载装置，用于为系缆施加载荷，模拟系缆受载；
测量标记，设置于系缆上，用于在系缆上形成待测的标记段；
图像采集单元，用于在与测量标记和系缆非接触情况下，获取系缆受载前后测量标记的位移图像；
处理装置，与图像采集单元相连接，用于根据图像采集单元采集的位移图像分析计算系缆受载前后标记段的伸长量。
本装置中，在系缆的不同部位设置两个测量标记，将两个标记之间的系缆记为待测的标记段，通过图像采集单元检测两测量标记在加载状态下的位移图像，并通过处理装置对位移图像进行处理以获悉标记段在加载状态下的伸长量，本装置在检测过程中采用非接触的方式获取测量标记的位移图像，通过图像处理的方式获悉标记段的伸长量，无需人工亲自测量，避免在测量过程中人工测量带来的安全问题，同时，采用图像获取和处理的方式取代肉眼的观测和判断，能有效提高测量效率和测量精度。
进一步地，所述测量标记至少设置两个，位于标记段的两端，通过两测量标记的位移图像获悉标记段的伸长量。
进一步地，所述图像采集单元至少设置两个，各所述图像采集单元与各所述测量标记配套设置。
进一步地，所述图像采集单元为工业相机。
进一步地，还包括背景底板，用于在位移图像中形成测量标记的背景图像。
进一步地，所述背景底板和系缆的颜色相同，与所述测量标记的颜色不同，测量标记的颜色和系缆的颜色为相互凸显的鲜明的对比色，背景底板的颜色和系缆的颜色相同，使得工业相机捕获的图像更能清晰地反应标记段的位置，且方便图像的处理。
另一方面，一种上述测量装置的测量方法，所述方法包括：
通过系缆加载装置为系缆施加载荷；
通过图像采集单元采集系缆加载荷前后测量标记的位移图像并传动到处理装置；
处理装置根据测量标记的位移图像分析计算系缆加载后标记段的伸长量和应变量。
进一步地，测量过程中各所述测量标记始终位于与之配套的图像采集单元的图像采集范围之内，保证系缆在加载状态下产生位移时图像采集单元仍可捕捉到测量标记的图像，避免图像采集单元无法捕获到测量标记以致测量暂停；
测量过程中各测量标记的位置保持不变，以保证测量的精确性。
进一步地，图像采集单元每秒至少获取5张图像，在固定的测量时间内获取更多的图像有助于提高系缆伸长量测量结果的精确度。
进一步地，分析计算系缆加载后标记段的伸长量和应变量的方法包括如下步骤：
求解各测量标记所属位移图像的单位像素对应的实际距离；
基于各测量标记在不同时刻位移图像中像素距离的变化值，求解实际场景中各测量标记在对应时间间隔的位移；
求解实际场景中各测量标记不同时刻的位移；
基于各时刻各测量标记在实际场景中的位移，求解各时刻标记段的伸长量。
本发明所达到的有益效果：
1. 本发明在系缆的不同位置设置测量标记，利用图像采集单元非接触式地获取测量标记在加载状态下的位移图像，并对图像进行分析获取系缆标记段在加载状态下的伸长量，本发明采用此种非接触式的图像处理测量方式取代人工测量，能有效保证工作人员的人身安全，同时提高测量效率，保证测量的精确度。
2.本发明充分模拟系缆的工作状态、系缆的受力方式和受力大小，使得系缆伸长量的检测结果更具真实性和说服力，为后续系缆的动刚度实验、蠕变实验和疲劳破坏实验提供更真实的系缆伸长量数据。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的系缆伸长量的非接触测量装置的主视图；
图2是本发明实施例1提供的系缆伸长量的非接触测量装置的俯视图。
图中：1、第一计算机；2、第二计算机；3、设备控制系统；4、液压缸；5、第一支架；6、第一工业相机；7、第二支架；8、第二工业相机；9、第一网线；10、第二网线；11、第一标记；12、第二标记；13、第一索具；14、第二索具；15、背景底板；16、导轨；17、系缆；18、第一工业相机的成像区域；19、第二工业相机的成像区域。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1：
本发明提供的系缆伸长量的非接触测量装置，如图1和图2所示，包括系缆加载装置、测量标记、工业相机和处理装置，测量标记为两个，分别设置在系缆7的不同位置，两测量标记之间所夹的系缆7记为待测的标记段，工业相机为两个，两工业相机分别与两测量标记配套设置，两工业相机分别设置在两测量标记的一侧，且在进行系缆伸长量检测时不与系缆和测量标记产生接触，以实现非接触式测量，两工业相机与处理装置通讯连接，工业相机将获取的测量标记的位移图像传输到处理装置中，处理装置对图像进行处理得出系缆的伸长量，本装置在检测过程中采用非接触式的图片成像技术获取测量标记的位移图像，并通过图像处理的方式获悉标记段在加载状态的伸长量，无需人工亲自测量，避免在测量过程中人工测量带来的安全问题，同时采用图像获取和图像处理的方式取代肉眼的观测和判断，能有效提高测量效率和测量精度。
如图1和图2所示，系缆加载装置包括设备控制系统3、液压缸4、第一索具13和固定设置的第二索具14，液压缸4将设备控制系统3和第一索具13连接，第一索具13和第二索具14用于固定系缆7的两端，设备控制系统3通过液压缸4和第一索具13向系缆7施加载荷，带动系缆做往复直线运动，使得系缆伸长，系缆7的一端连接固定的第二索套14，另一端连接用于加载的第一锁具13，此种连接方式与系缆7实际工作时一端固定另一端浮动的连接方式相同，能有效提高系缆伸长量检测结果的可靠性和真实性，为后续系缆的动刚度实验、蠕变实验和疲劳破坏实验提供更真实的系缆伸长量数据。
如图1和图2所示，测量标记的颜色与系缆7的颜色为鲜明的对比色，比如系缆7为白色则测量标记为黑色，比如系缆7为黄色则测量标记为紫色，测量标记通过胶带缠绕在系缆7上形成，或采用记号笔标记在系缆7上形成，测量标记包括第一标记11和第二标记12，第一标记11和第二标记12分别设置在系缆的不同位置。
如图1和图2所示，两工业相机包括第一工业相机6和第二工业相机8，第一标记11位于第一工业相机的成像区域18内，第二标记12位于第二工业相机的成像区域19内，以便两工业相机实时获取两测量标记的位移图像，第一工业相机6和第二工业相机8采用录像或连续抓图的方式获取系缆7的位移图像，连续抓图时，每秒至少获取5张图片，相同的测量时间段内工业相机获取的系缆位移图片越多，系缆伸长量检测结果的精度就越高。
如图1和图2所示，第一工业相机6上设置用于支撑第一工业相机6的第一支架5，第二工业相机8上设置用于支撑第二工业相机8的第二支架7，第一工业相机6、第一支架5、第二工业相机8和第二支架7在系缆7进行伸长量测量的过程中均不与系缆7和测量标记接触，均不与系缆7和测量标记产生运动干涉，以保证系缆7的非接触式测量，同时保证其测量结果和测量精度不受到第一工业相机6、第一支架5、第二工业相机8和第二支架7的影响。
如图1和图2所示，第一支架5第二支架7共同连接有导轨16，第一支架5和第二支架7均可在导轨16滑动，以便依据两测量标记调节两工业相机的位置，提高本装置的工作柔性，以适应不同位置测量标记和不同长度系缆7的测量需求。
如图1和图2所示，背景底板15设置在系缆7下方，第一工业相机6和第二工业相机8采集系缆的状态时以背景底板15作为背景，辅助两工业相机获取两测量段的位移图像，使得工业相机在对测量标记进行图像获取时具备更佳的成像条件，背景底板15的颜色与系缆的颜色相同，保证第一工业相机6和第二工业相机8捕获的图像只有两种颜色，进而使得图像更能清晰地反应标记段的位置，方便进行图像处理。
如图1和图2所示，处理装置包括第一计算机1和第二计算机2，第一计算机1和第一工业相机6之间设置第一网线9，第一计算机1通过第一网线9获取第一标记11的位移图像，第二计算机2和第二工业相机8之间设置第二网线10，第二计算机2通过第二网线10获取第二标记12的位移图像。
如图1和图2所示，第一计算机1和第二计算机2中均设有图像处理软件，图像处理软件可以是VM算法平台或matlab图像处理模块，用于处理从第一工业相机6和第二工业相机8中获取的第一标记11和第二标记12的位移图像，以此得出系缆标记段在受载后的伸长量，通过VM算法平台或matlab图像处理模块对两测量标记的位移图像进行数字化的图像分析和处理，取代肉眼的判断和测量，能有效提高测量的效率和测量精度。
实施例2：
本发明实施例2依据实施例1提供的测量方法，包括如下步骤：
在待检测系缆7的不同位置设置两个测量标记，两个测量标记之间的系缆7记为待检测的标记段，两测量标记段的颜色和系缆的颜色为对比色，若系缆7为白色则两标记段为黑色，若系缆7为黄色则两标记段为紫色，各测量标记段通过胶带缠绕在系缆7上形成，或采用记号笔标记在系缆7上形成，两测量标记分别为第一标记11和第二标记2。
将待检测系缆7的两端分别固定在第一索具13和第二索具14上，并对系缆7施加预加载荷，使得系缆7处于平直状态，第二锁具14用于固定系缆7，液压缸4通过第一锁具13为系缆7施加载荷，系缆17所受的载荷的波形可以是任意的波形，比如正弦载荷波、余弦载荷波、三角波或定常载荷波，亦可是不同大小的定常载荷波持续施加，亦可是锯齿波等函数波，亦可是多点保持、多点折现、半余弦谱载等可编辑波，亦可是类似于波浪的随机载荷波或同步输入波形等，这种一端固定一端浮动的固定方式与系缆7实际的工作方式相同，使得系缆7伸长量的检测结果更佳真实可靠，更具备说服力，能为后期系缆7的动刚度实验、蠕变实验和疲劳破坏实验提供更真实的伸长量数据。
打开第一工业相机6和第二工业相机8，滑动第一支架5和第二支架7，调整第一工业相机6和第二工业相机8的位置，使得第一标记11和第二标记12分别位于第一工业相机6和第二工业相机8的成像区域内，以便工业相机实时获取测量标记的位移图像，调试第一工业相机6和第二工业相机8的参数，包括采样帧率和曝光时间，调节镜头的光圈值、焦距和拍摄距离等，确保第一标记11和第二标记12的成像清晰。
打开第一计算机1和第二计算机2，调试第一计算机1和第二计算机2确保第一计算机1和第二计算机2可以接收并处理采集装置发送的数据。
启动设备控制系统3和液压缸4，模拟系缆7实际服役时所受载荷的形式、大小和时间为系缆7施加拉力，以确保测得伸长量的真实性和可靠性，液压缸4通过第一索具13向系缆7施加载荷，系缆7在载荷作用下产生形变伸长。
测量过程中确保第一标记11始终位于第一工业相机的成像区域18内，第二标记12始终位于第二工业相机的成像区域19内，保证系缆7在加载变形过程中产生位移时工业相机仍可捕获到测量标记的位移图像，避免工业相机无法捕获测量标记以致测量暂停。
两工业相机每秒至少获取5张图像，在固定的测量时间内获取更多的图像有助于提高系缆7伸长量测量结果的精确度。
第一计算机1获取第一工业相机6传递的数据，第二计算机2获取第二工业相机8传递的数据，第一计算机1和第二计算机2处理获得的数据并得出系缆的伸长量和应变量。
系缆17在加载前沿系缆17布置用于测量长度的刻度尺，系缆17加载时刻度尺不受载，然后采用图像分析软件求解标记段的伸长量和应变量，其步骤包括：
Step1：求解各测量标记所属位移图像的单位像素对应的实际距离：
S1.1：根据各工业相机在系缆17加载时拍摄的带刻度尺的黑白色的位移图像，
获取刻度尺上任意两点对应的像素位置坐标(X1,Y1)和(X2,Y2)，求解刻度尺上两点所对应的像素距离
；
获取刻度尺上这两点在实际场景中对应的坐标(KX1,KY1)和(KX2,KY2)，求解实际场景中两坐标点所对应的刻度距离
；
S1.2：基于像素距离
和刻度距离
，求解单位像素对应的实际距离即换算系数
。
本实施例中，在实际场景中沿着系缆17布置刻度尺，取刻度尺上40cm刻度处的点和60cm刻度处的点为实际场景中的两个点，这两个点的在实际场景中的距离为20cm即为
，而这两个点在位移图像中的坐标分别为(X1a,Y1a)和(X2b,Y2b)，则这两点的像素距离为
，则计算可得单位像素对应的实际距离即换算系数
。
Step2：基于各测量标记在不同时刻位移图像中像素距离的变化值，求解实际场景中各测量标记在对应时间间隔的位移：
根据单位像素对应的实际距离即换算系数
，再根据不同时刻位移图像中测量标记像素距离的变化值
，则可以计算出实际场景中对应经历
时刻后，测量标记的位移为
；
Step3：求解实际场景中各测量标记不同时刻的位移：
分析各不同时刻各测量标记的位移图像，求解实际场景中各时刻对应不同时间间隔各测量标记的位移：第一标记11的位移S1和第二标记12的位移S2。
本实施例中，若实际场景中第一标记11和第二标记12的初始间隔距离为L1，通过分析同一时刻两测量标记的位移图像，可以求解该时刻实际场景中第一标记11和第二标记12的间隔L=L1+S1-S2。
Step4：基于各时刻各测量标记在实际场景中的位移，求解各时刻标记段的伸长量：
。
Step5：基于各时刻标记段的伸长量和标记段的初始长度求解各时刻标记段的应变量：
。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.系缆伸长量的非接触测量装置，其特征在于：包括：
系缆加载装置，用于为系缆(17)施加载荷，模拟系缆(17)受载；
测量标记，设置于系缆(17)上，用于在系缆(17)上形成待测的标记段；
图像采集单元，用于在与测量标记和系缆(17)非接触情况下，获取系缆(17)受载前后测量标记的位移图像；
处理装置，与图像采集单元相连接，用于根据图像采集单元采集的位移图像分析计算系缆(17)受载前后标记段的伸长量。
2.根据权利要求1所述的系缆伸长量的非接触测量装置，其特征在于：所述测量标记至少设置有两个，位于标记段的两端。
3.根据权利要求2所述的系缆伸长量的非接触测量装置，其特征在于：所述图像采集单元至少设置两个，各所述图像采集单元与各所述测量标记配套设置。
4.根据权利要求1所述的系缆伸长量的非接触测量装置，其特征在于：所述图像采集单元为工业相机。
5.根据权利要求1所述的系缆伸长量的非接触测量装置，其特征在于：包括背景底板(15)，用于在位移图像中形成测量标记的背景图像。
6.根据权利要求5所述的系缆伸长量的非接触测量装置，其特征在于：所述背景底板(15)和系缆(17)的颜色相同，与所述测量标记的颜色不同。
7.一种基于权利要求1至6任一项所述测量装置的测量方法，其特征在于，所述方法包括：
通过系缆加载装置为系缆(17)施加载荷；
通过图像采集单元采集系缆(17)加载荷前后测量标记的位移图像并传送至处理装置；
处理装置根据测量标记的位移图像分析计算系缆(17)加载后标记段的伸长量。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于：
测量过程中各所述测量标记始终位于与之配套的图像采集单元的图像采集范围之内；
测量过程中各测量标记和系缆(17)的相对位置保持不变。
9.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于：
图像采集单元每秒至少获取5张图像。
10.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于：
分析计算系缆（17）加载后标记段的伸长量和应变量的方法包括如下步骤：
求解各测量标记所属位移图像的单位像素对应的实际距离；
基于各测量标记在不同时刻位移图像中像素距离的变化值，求解实际场景中各测量标记在对应时间间隔的位移；
求解实际场景中各测量标记不同时刻的位移；
基于各时刻测量标记在实际场景中的位移，求解各时刻标记段的伸长量。
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| 连宇顺等: "深水系泊高强聚乙烯缆绳的蠕变及破断实验研究", 《海洋工程》 * |
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