CN116164854A - 一种基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法及系统 - Google Patents

一种基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN116164854A
CN116164854A CN202310178230.6A CN202310178230A CN116164854A CN 116164854 A CN116164854 A CN 116164854A CN 202310178230 A CN202310178230 A CN 202310178230A CN 116164854 A CN116164854 A CN 116164854A
Authority
CN
China
Prior art keywords
thermal expansion
negative thermal
expansion structure
temperature
negative
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310178230.6A
Other languages
English (en)
Inventor
张征凯
李鹏举
温庆国
马亚雯
朱建伟
卢鸿杰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xian University of Architecture and Technology
Original Assignee
Xian University of Architecture and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xian University of Architecture and Technology filed Critical Xian University of Architecture and Technology
Priority to CN202310178230.6A priority Critical patent/CN116164854A/zh
Publication of CN116164854A publication Critical patent/CN116164854A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K5/00—Measuring temperature based on the expansion or contraction of a material
    • G01K5/48—Measuring temperature based on the expansion or contraction of a material the material being a solid
    • G01K5/56—Measuring temperature based on the expansion or contraction of a material the material being a solid constrained so that expansion or contraction causes a deformation of the solid
    • G01K5/62—Measuring temperature based on the expansion or contraction of a material the material being a solid constrained so that expansion or contraction causes a deformation of the solid the solid body being formed of compounded strips or plates, e.g. bimetallic strip
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K5/00—Measuring temperature based on the expansion or contraction of a material
    • G01K5/48—Measuring temperature based on the expansion or contraction of a material the material being a solid
    • G01K5/56—Measuring temperature based on the expansion or contraction of a material the material being a solid constrained so that expansion or contraction causes a deformation of the solid
    • G01K5/62—Measuring temperature based on the expansion or contraction of a material the material being a solid constrained so that expansion or contraction causes a deformation of the solid the solid body being formed of compounded strips or plates, e.g. bimetallic strip
    • G01K5/70—Measuring temperature based on the expansion or contraction of a material the material being a solid constrained so that expansion or contraction causes a deformation of the solid the solid body being formed of compounded strips or plates, e.g. bimetallic strip specially adapted for indicating or recording
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06V—IMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
    • G06V10/00—Arrangements for image or video recognition or understanding
    • G06V10/20—Image preprocessing
    • G06V10/26—Segmentation of patterns in the image field; Cutting or merging of image elements to establish the pattern region, e.g. clustering-based techniques; Detection of occlusion
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06V—IMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
    • G06V10/00—Arrangements for image or video recognition or understanding
    • G06V10/20—Image preprocessing
    • G06V10/28—Quantising the image, e.g. histogram thresholding for discrimination between background and foreground patterns

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法及系统，属于温度测量技术领域，通过负热膨胀结构热缩冷胀产生的形变量，对温度进行快速测量，该测温方法包括：将负热膨胀结构置于待测环境中，工业相机与负热膨胀结构水平放置；工业相机采集形变图像，并进行灰度化处理；对得到的灰度图像进行灰度图像二值化；再对获得的图像进行边缘检测及坐标提取；根据负热膨胀结构的形变量计算所处环境的温度。该测温系统包括：负热膨胀结构，镜头，工业相机和相机支架；工业相机置于相机支架上，并与负热膨胀结构水平放置。解决了由于距离问题影响温度传感器测量精度的问题，对于远距离测量以及较高温度或较低温度的测量有较为明显的优势。

Description

一种基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法及系统
技术领域
本发明属于温度测量技术领域，具体涉及一种基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法及系统。
背景技术
目前，温度检测技术已经较为成熟，对于温度检测方法，有压力式测温、热电阻测温、辐射高温测量以及红外测量。压力式测温结构简单，机械强度高，但热损失大，响应时间较慢，且压力温度传感器只能进行接触式测量。热电偶测温测量精度高，再现性好，但需外接电源，不能在有机震动场合使用。辐射高温即可对较高温度进行测量，且响应速度快，但被测对象的辐射率、辐射通道中间介质的吸收率会对测量结果造成一定影响。
绝大多数材料具有热胀冷缩的性质，但是材料的热胀冷缩会加速机器部件老化、使用性能下降、甚至接触面分离，脱落，而采用负热膨胀材料可极大的减少由于温度变化引起的热应力。
针对现有温度检测方法存在的由于热损、使用场合局限等影响温度传感器测量精度的问题，有必要找到一种可以在多种场合及较高温度或较低温度下获得较为精确的现场温度的测温方法。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法及系统，以解决现有技术中由于热损、使用场合局限影响温度传感器测量精度的问题，能够对待测环境的温度进行快速测量，对于远、近距离测量以及高、低温测量有较为明显的优势。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法，包括以下步骤：
将负热膨胀结构置于待测环境中，工业相机与负热膨胀结构水平放置；利用工业相机采集形变图像，并进行灰度化处理，对得到的灰度图像进行灰度图像二值化；再对二值化获得的图像进行边缘检测及坐标提取；温度变化时，负热膨胀结构热缩冷胀，出现形状变化，产生相应形变量，根据负热膨胀结构的形变量计算所处环境的温度。
优选地，负热膨胀结构的热膨胀系数与温度之间满足如下关系：
α＝2a/l(T-T0)
其中，α为负热膨胀结构的热膨胀系数，a为I形双材料杆变形后的顶点B相对于中心点o水平方向的位移，l为负热膨胀结构的原始长度，T为测量温度，T0为原始温度。
进一步优选地，a与负热膨胀结构的结构变化中的各分量之间满足如下关系：
a＝u+hsinθ
其中，u为I形双材料杆水平位移的1/2，h为I形双材料杆的高度，θ为I形双材料杆变形后B点与竖直方向的夹角。
优选地，负热膨胀结构在水平方向的总位移与1/2的I形双材料杆的水平位移满足如下关系：
u＝x/2m
其中，x为负热膨胀结构在水平方向的总位移，m为I形双材料杆在负热膨胀结构中的单行组成数量；
传感器通过识别负热膨胀结构在水平方向的总位移x计算温度数值，不需要识别单个I形双材料杆在水平方向的形变量u。
进一步优选地，x满足如下关系：
x＝x1+x2
其中，x1为负热膨胀结构受热在水平方向上左侧收缩位移；x2为负热膨胀结构受热在水平方向上右侧收缩位移。
优选地，工业相机为红外相机或普通相机。
优选地，负热膨胀结构为胞元结构的负热膨胀结构。
优选地，采用动态阈值分割法进行灰度图像二值化处理。
优选地，该测温方法的灵敏度随着负热膨胀结构对温度的敏感度而变化。
本发明还公开了上述测温方法采用的基于机器视觉及负热膨胀结构的测温系统，包括负热膨胀结构和视觉机构；
所述视觉机构包括：相机支架，置于相机支架上、并与负热膨胀结构水平放置的工业相机以及置于工业相机前端的镜头。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法，将负热膨胀结构置于待测环境中，随着待测环境的温度变化，负热膨胀结构热缩冷胀产生相应形变，工业相机与负热膨胀结构水平放置，准确采集负热膨胀结构的形变图像，并进行灰度化处理，简化矩阵提高运算速度，再对得到的灰度图像进行灰度图像二值化，获得视觉差较大的图像，以便对获得的图像进行边缘检测及坐标提取，得到负热膨胀结构的原始坐标以及形变坐标之后，获得负热膨胀结构的形变量，根据负热膨胀结构的形变量计算所处环境的温度。利用负热膨胀结构在受到温度变化时产生的热缩冷张的性质，将对温度的测量通过关系式，转换为对负热膨胀结构受温度变化所引起的水平形变位移的测量，可以在较远距离下获得较为精确的现场温度，且负热膨胀材料在温度变化时产生的热应力较少，使用性能较优，对于远距离测量以及高温测量有较为明显优势。
进一步的，工业相机为红外相机或普通相机，可针对不同应用环境选择不同的相机，相机种类不受限制，选择范围广，该设置扩大了本测温方法的使用范围。
进一步的，负热膨胀结构不受限制，可为任意胞元结构的负热膨胀结构。
进一步的，所述检测方法基于机器视觉识别技术，该检测方法的灵敏度随所采用的负热膨胀材料对温度的敏感度的大小而变化。
本发明还公开了基于机器视觉及负热膨胀结构的测温系统，包括负热膨胀结构以及由镜头，工业相机和相机支架组成的视觉机构；负热膨胀结构置于待测环境中，工业相机置于相机支架上，并与负热膨胀结构水平放置，由于温度变化负热膨胀结构产生相应形变，工业相机与负热膨胀结构水平放置，准确采集形变图像之后，进行灰度化处理及灰度图像二值化，再进行边缘检测及坐标提取，得到原始坐标以及形变坐标之后获得负热膨胀结构的形变量，根据关系式得到所处环境温度，该基于机器视觉及负热膨胀结构的测温系统，可选结构灵活多样，整体设计简便，组成部分相互独立，且无物理连接，很好地解决了现有技术中由于距离等中间介质传输因素影响传感器测量精度的问题。
附图说明
图1为本发明公开的基于机器视觉及负热膨胀结构的测温系统示意图；
图2为本发明负热膨胀结构受热变形后的形状变化示意图；
图3为本发明负热膨胀结构的单胞结构受热变形示意图。
其中：1-负热膨胀结构；2-镜头；3-工业相机；4-相机支架。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
将负热膨胀结构置于待测环境中，工业相机置于相机支架上与负热膨胀结构水平放置。
由于温度变化负热膨胀结构产生相应形变，工业相机将形变图像采集之后，进行灰度化处理，对得到的灰度图像再进行动态阈值分割(灰度图像二值化)，获得视觉差较大的图像，以便进行边缘检测及坐标提取，得到原始坐标以及形变坐标之后获得负热膨胀结构的形变量，根据关系式得到所处环境温度。
参见图1为本发明公开的基于机器视觉及负热膨胀结构的测温系统示意图；从图中可以看出该基于机器视觉及负热膨胀结构的测温系统，包括负热膨胀结构1以及由镜头2，工业相机3和相机支架4组成的视觉机构；负热膨胀结构1置于待测环境中，工业相机3置于相机支架4上，并与负热膨胀结构1水平放置，镜头2置于工业相机3前端，由于温度变化负热膨胀结构1产生相应形变，工业相机3与负热膨胀结构1水平放置，准确采集形变图像之后，进行灰度化处理及灰度图像二值化，再进行边缘检测及坐标提取，得到原始坐标以及形变坐标之后获得负热膨胀结构1的形变量，根据关系式得到所处环境温度。
参见图2为本发明负热膨胀结构受热变形后的形状变化示意图；从图中可以看出，x1为负热膨胀结构受热在水平方向上左侧收缩位移；x2为负热膨胀结构受热在水平方向上右侧收缩位移。
参见图3为本发明负热膨胀结构的单胞结构受热变形示意图；从图中可以看出，h为I形双材料杆的高度，θ为I形双材料杆变形后B点与竖直方向的夹角，l为负热膨胀结构的原始长度，u为I形双材料杆水平位移的1/2。
本发明公开的一种基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法，具体包括：
S1、将负热膨胀结构1置于待测环境中，负热膨胀结构1与工业相机3水平放置，由于温度变化负热膨胀结构1产生相应形变，工业相机3采集形变图像，通过工业相机3标定获取工业相机3内外参数矩阵，对工业相机3所摄图片进行矫正；
S2、工业相机3采集形变前后的图像经过灰度化处理及灰度二值化处理传输到计算机处理模块，获得视觉差较大的图像，以便进行边缘检测及坐标提取，得到原始坐标以及形变坐标之后，获得负热膨胀结构1的形变量，获得I形杆水平方向位移；
S3、利用负热膨胀结构1受温度变化会发生热缩冷张的性质，与水平方向所产生的位移建立关系式，使对位移的测量通过关系式输出相应的温度值。
负热膨胀结构1的热膨胀系数与其形变量的关系为：
α＝2a/l(T-T0)
其中，α为负热膨胀结构1的热膨胀系数，a为I形双材料杆变形后的顶点B相对于中心点o水平方向的位移，l为负热膨胀结构1的原始长度，T为测量温度，T0为原始温度；
进一步的，a与负热膨胀结构1的结构变化中各分量的关系为：
a＝u+hsinθ
其中，u为I形双材料杆水平位移的1/2，h为I形双材料杆的高度，θ为I形双材料杆变形后B点与竖直方向的夹角。
进一步的，负热膨胀结构1在水平方向的总位移与1/2的I形双材料杆的水平位移的关系：
u＝x/2m
其中x为负热膨胀结构1在水平方向的总位移，m为I形双材料杆在负热膨胀结构中的单行组成数量。
进一步的，
x＝x1+x2
其中，x1为负热膨胀结构1受热在水平方向上左侧收缩位移；x2为负热膨胀结构1受热在水平方向上右侧收缩距离。
工业相机3为红外相机或普通相机；
负热膨胀结构1为胞元结构的负热膨胀结构；
采用动态阈值分割法进行灰度图像二值化处理；
检测方法基于机器视觉识别技术，该检测方法的灵敏度随所采用的负热膨胀材料对温度的敏感度的大小而变化。
综上所述，本发明提供了一种基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法及系统，用于对温度的快速测量，以解决现有技术中由于距离等中间介质传输因素影响传感器测量精度的问题。基于机器视觉和负热膨胀结构组成的测温系统可以在较远距离下获得较为精确的现场温度，且负热膨胀材料在温度变化时产生的热应力较少，使用性能较优，对于远距离测量以及高温测量有较为明显优势。该基于机器视觉及负热膨胀结构的测温系统，可选结构灵活多样，整体设计简便，组成部分相互独立，无物理连接。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法，其特征在于，包括以下步骤：
将负热膨胀结构置于待测环境中，工业相机与负热膨胀结构水平放置；利用工业相机采集形变图像，并进行灰度化处理，对得到的灰度图像进行灰度图像二值化；再对二值化获得的图像进行边缘检测及坐标提取；温度变化时，负热膨胀结构热缩冷胀，出现形状变化，产生相应形变量，根据负热膨胀结构的形变量计算所处环境的温度。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法，其特征在于，负热膨胀结构的热膨胀系数与温度之间满足如下关系：
α＝2a/l(T-T0)
其中，α为负热膨胀结构的热膨胀系数，a为I形双材料杆变形后的顶点B相对于中心点o水平方向的位移，l为负热膨胀结构的原始长度，T为测量温度，T0为原始温度。
3.根据权利要求2所述的基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法，其特征在于，a与负热膨胀结构的结构变化中的各分量之间满足如下关系：
a＝u+hsinθ
其中，u为I形双材料杆水平位移的1/2，h为I形双材料杆的高度，θ为I形双材料杆变形后B点与竖直方向的夹角。
4.根据权利要求1所述的基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法，其特征在于，负热膨胀结构在水平方向的总位移与1/2的I形双材料杆的水平位移满足如下关系：
u＝x/2m
其中，x为负热膨胀结构在水平方向的总位移，m为I形双材料杆在负热膨胀结构中的单行组成数量；
传感器通过识别负热膨胀结构在水平方向的总位移x计算温度数值，不需要识别单个I形双材料杆在水平方向的形变量u。
5.根据权利要求4所述的基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法，其特征在于，x满足如下关系：
x＝x1+x2
其中，x1为负热膨胀结构受热在水平方向上左侧收缩位移；x2为负热膨胀结构受热在水平方向上右侧收缩位移。
6.根据权利要求1所述的基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法，其特征在于，工业相机为红外相机或普通相机。
7.根据权利要求1所述的基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法，其特征在于，负热膨胀结构为胞元结构的负热膨胀结构。
8.根据权利要求1所述的基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法，其特征在于，采用动态阈值分割法进行灰度图像二值化处理。
9.根据权利要求1所述的基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法，其特征在于，该测温方法的灵敏度随着负热膨胀结构对温度的敏感度而变化。
10.权利要求1～9任意一项所述的测温方法采用的基于机器视觉及负热膨胀结构的测温系统，其特征在于，包括负热膨胀结构(1)和视觉机构；
所述视觉机构包括：相机支架(4)，置于相机支架(4)上、并与负热膨胀结构(1)水平放置的工业相机(3)以及置于工业相机(3)前端的镜头(2)。
CN202310178230.6A 2023-02-28 2023-02-28 一种基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法及系统 Pending CN116164854A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310178230.6A CN116164854A (zh) 2023-02-28 2023-02-28 一种基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310178230.6A CN116164854A (zh) 2023-02-28 2023-02-28 一种基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法及系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116164854A true CN116164854A (zh) 2023-05-26

Family

ID=86419746

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310178230.6A Pending CN116164854A (zh) 2023-02-28 2023-02-28 一种基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116164854A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103471910B (zh) 一种基于随机点跟踪的金属材料断裂伸长率智能测试方法
CN103575227B (zh) 一种基于数字散斑的视觉引伸计实现方法
CN103149087B (zh) 一种基于随动视窗与数字图像的非接触式实时应变测量方法
US11119016B2 (en) Image measurement device and method for the surface deformation of specimen based on sub-pixel corner detection
CN104048744A (zh) 一种非接触式的基于影像的实时在线振动测量方法
CN1693874A (zh) 高精度拉伸位移测量方法
CN109751964B (zh) 一种高精度非接触式管径测量方法及装置
CN105181737B (zh) 超高温热膨胀系数非接触原位测试的方法及装置
CN1776358A (zh) 一种非接触式测量物体在三维空间位移和形变的新方法
CN111608731B (zh) 一种盾构隧道安全状态监测预警装置及其监测预警方法
CN107907064A (zh) 一种裂隙监测系统及方法
CN113793367A (zh) 一种工程结构转角位移视觉测量及动力识别系统及方法
CN104990498B (zh) 基于ccd摄影的电站锅炉高温管系宏观位移测量装置及方法
CN202939142U (zh) 金属线膨胀系数的测定装置
CN110763146A (zh) 基于双相机的高精度光学引伸计及测量方法
CN112816120B (zh) 一种索力测量方法
CN113446932A (zh) 非接触式裂纹测量方法及其系统
CN112906095B (zh) 基于激光条纹中心追踪的桥梁模态识别方法及其系统
CN116164854A (zh) 一种基于机器视觉及负热膨胀结构的测温方法及系统
CN116124081B (zh) 一种非接触式的工件检测方法、装置、电子设备及介质
CN108955551A (zh) 一种用于修正热气流对数字图像相关测量精度影响的方法
CN110532725B (zh) 基于数字图像的工程结构力学参数识别方法及系统
CN110501237A (zh) 一种非接触式管材高温csr值测试系统及方法
CN112504156A (zh) 一种基于前景网格的结构表面应变测量系统及测量方法
Liu et al. Computer Vision‐Based Structural Displacement Monitoring and Modal Identification with Subpixel Localization Refinement

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination