CN210719032U - 位移测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种位移测试系统，包括离心机、微光纤探头、特征点标定标签、微光纤插入部、显像和图像采集设备、冷光源、光纤传像束、物镜、目镜、网线、工控机；本实用新型中将光纤内窥镜运用在离心动态试验任务中，充分发挥光纤内窥镜的优势，相比传统位移测量方式，产品破坏性小，基本实现原位测试，操作简单易行；利用光学成像技术对位移进行测量，通过深一步挖掘和开发图像处理算法和技术，可提高位移测量的精度和准确性，精度最高可达数个μm级别；由于光纤内窥镜直径较小，对产品破坏性也就小；且前端插入部可根据需求做不同长度，满足不同距离下的测试需求。

Description

位移测试系统

技术领域

本实用新型属于测试技术领域，具体涉及位移测试系统。

背景技术

在复杂结构产品环境适应性试验中，往往需要检测结构的径向和周向位移，了解相应位移的动态响应规律，从而提高对设备性能变化的科学评估和预测能力，同时要求降低检测器件对产品的检测损伤。因此研制一套可长距离、低损伤、高精度的位移测试系统，开展相关测试技术攻关的需求日益强烈。

传统位移测量采用差动位移传感器、电涡流传感器、激光位移计等，这些设备只能测量单方向的位移变化，体积较大，实际测试时产品补加工多，对产品破坏性较大，虽可满足结构径向位移测量，但对周向位移的测量基本失效。

为了解决以上问题我方研发出了位移测试系统。

发明内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供位移测试系统。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

位移测试系统，包括：

离心机；离心机包括吊篮、离心机臂、主轴，测试产品置于吊篮内；测试产品的外壁上设置有开孔；

微光纤探头；微光纤探头一端置于测试产品的开孔内；

特征点标定标签；在测试产品的上层结构和下层结构上均设置有特征点标定标签；

微光纤插入部；微光纤插入部顺着离心机臂固定安装；

显像和图像采集设备；

冷光源；冷光源、显像和图像采集设备均安装在主轴附近；从冷光源发出的照明光，经光纤传光束传输后用于照明被标定标签；

光纤传像束；光纤传光束、光纤传像束均设置在离心机臂上；

物镜；

目镜；

网线；

工控机；特征点标定标签经物镜成像后经光纤传像束传出至目镜处，并在目镜处放大，显像和图像采集设备用于将光信号转变为电信号，并经网线传输至工控机。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型的位移测试系统；

1、本申请将光纤内窥镜运用在离心动态试验任务中，充分发挥光纤内窥镜的优势，相比传统位移测量方式，产品破坏性小，基本实现原位测试，操作简单易行。

2、利用光学成像技术对位移进行测量，通过深一步挖掘和开发图像处理算法和技术，可提高位移测量的精度和准确性，精度最高可达数个μm级别。

3、由于光纤内窥镜直径较小，对产品破坏性也就小。且前端插入部可根据需求做不同长度，满足不同距离下的测试需求。

4、前端成像是纯光学技术，不涉及光电转换，不发热发烫，安装在一些特殊产品中或者旁边测量时更安全，稳定、可靠。

5、光纤内窥镜还可外接各类特殊用途的工业相机如紫外相机、红外相机、高速相机等外接视频化成像，成像也更直接、真实感更强、富有立体感和层次性，不像电子镜那样影像平面化，在位移图像采集时更真实可靠，处理计算时精度可更高。

附图说明

图1是本申请中位移测试系统的结构示意图。

图2是本申请的径向位移计算示意图；

图3是本申请的周向位移计算示意图；

图4是本申请中图像灰度化处理的示意图；

图5是本申请中图像灰度值直方图；

图6是本申请中图像二值化处理的示意图；

图7是本申请中图像边缘膨胀化处理的示意图；

图8是本申请中图像进行sobel边缘检测的示意图；

图9是本申请中特征点Ⅰ识别的示意图；

图10是本申请中特征点Ⅱ识别的示意图；

图11是本申请中特征点Ⅲ识别的示意图；

图12是本申请中特征点Ⅳ识别的示意图；

图13是本申请中位移测试方法的流程图；

图14是本申请中引伸计标定仪的结构示意图。

图中：1、吊篮，2、上层结构，3、特征点标定标签，4、下层结构，5、微光纤探头，6、安装支架，7、微光纤插入部，8、传像束，9、传光束，10、离心机臂，11、主轴，12、目镜，13、显像和图像采集设备，14、冷光源，15、网线，16、工控机，17、引伸计标定仪，18、上凹面标定块，19、下凸面标定块。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1所示；

位移测试系统，包括：

离心机；离心机包括吊篮1、离心机臂10、主轴11，测试产品置于吊篮1内；测试产品的外壁上设置有开孔；

微光纤探头5；微光纤探头5一端置于测试产品的开孔内；

安装支架6，微光纤探头5还固定在安装支架6上；

特征点标定标签3；在测试产品的上层结构和下层结构上均设置有特征点标定标签3；

微光纤插入部7；微光纤插入部7顺着离心机臂固定安装；并做防护措施；

显像和图像采集设备13；

冷光源14；冷光源14、显像和图像采集设备13均安装在主轴附近；从冷光源14发出的照明光，经光纤传光束9传输后用于照明被标定标签；

光纤传像束8；光纤传光束9、光纤传像束8均设置在离心机臂上；

物镜；

目镜12；

网线15；

工控机16；特征点标定标签3经物镜成像后经光纤传像束8传出至目镜12处，并在目镜12处放大，显像和图像采集设备13用于将光信号转变为电信号，并经网线15传输至工控机16。

如图1所示，微光纤探头5和微光纤插入部7一体设置。

显像和图像采集设备13的分辨率应高于前端微光纤探头5的分辨率。

如图13所示，位移测试方法，包括：

标定标签图像采集；在测量前，利用标准引伸计标定仪17(如图14所示)和特征点标定标签3进行系统标定，采集标定标签图像(在标准引伸计标定仪17和测试产品两个位置都设置有特征点标定标签，一个标定用，一个正式测量用)；具体地，采用量程为25mm的标准引伸计标定仪17，分辨率0.0002mm，根据要求配作上凹面标定块18与下凸面标定块19，上凹面标定块18调整好位置后固定不动，移动下凸面标定块19，控制标定块间的距离；标定测量前，升起下凸面标定块19，使曲面模型的凸面和凹面贴紧，用塞尺调节凸面和凹面的间隙足够小，此时标定仪上的读数作为初始间隙，在上凹面标定块18和下凸面标定块19上分别粘贴特征点标定标签，将微光纤探头5固定在安装支架6上，对准上凹面标定块18和下凸面标定块19上的特征点标定标签，从冷光源14发出的照明光，经光纤传光束9传输到探头端，照明标定块上的特征点标定标签，通过物镜成像后经光纤传像束8传出，在目镜12处放大，再通过放置在目镜12后处的显像和图像采集设备13把光信号图像转变成电信号，经过网线15传输显示在外部工控机16上，完成特征点标定标签图像采集。

标定图像处理；图像信息传入工控机16，工控机16对标定图像进行图像数字化处理；图像数字化处理方法包括图像灰度化处理、二值化和边缘膨胀化处理、特征点识别。

位移/像素参数计算；计算出特征点的形心坐标，从而算出该位移的像素值，然后将标定图像平面坐标的像素值和已知位移量值对应，从而获得特征点标定标签上双特征点形心实际距离；标定装置产生的是已知且确定的位移量，通过特征点形心变化量和位移变化量的对应即建立像素-位移对应关系。

标定标签上双特征点形心实际距离获得方法为：

在标定图像的二值图像中搜索并确定特征点Ⅰ和特征点Ⅱ；

确定特征点Ⅰ和特征点Ⅱ的形心坐标；

根据特征点Ⅰ和特征点Ⅱ的形心坐标算出该位移的像素值，据标定装置得到的像素-位移对应关系和位移修正系数，将图像位移转换成物理尺寸，计算出位移的变化值。

特征点Ⅰ、特征点Ⅱ形心坐标计算方法为：

双特征点形心实际距离计算方法为：

上式中，X_i、Y_i分别为特征图像的坐标；

N为组成特征点图像总的像素点数量；

X_c，Y_c为物体的形心坐标。

在一些实施例中，事先在上下层结构粘贴特征点标签，当产品产生径向或者周向位移后，特征点形心坐标会发生变化。比较一定时间间隔的n张图像，在第一幅图像的二值图像中确定特征点，并计算获得该特征点的形心坐标，接着依次计算第2、3、4…n幅相同特征点的形心坐标，算出形心坐标偏离的像素值，根据标定试验得到的像素-位移对应关系和位移修正系数，将图像位移(单位：像素)转换成物理尺寸(单位：um)，计算出位移的变化值。由于标定装置产生的是已知且确定的位移量，通过特征点形心变化量和位移变化量的对应即可建立像素－位移对应关系。计算原理图如图2、图3所示。

径向/周向位移图像采集；测量时，在被测对象粘贴相同特征点标定标签，安装光纤内窥镜采集测量点图像；具体为将微光纤探头5固定在安装支架6上，对准测试产品上的特征点标定标签，从冷光源14发出的照明光，经光纤传光束9传输到探头端，照明标定块上的特征点标定标签，通过物镜成像后经光纤传像束8传出，在目镜12处放大，再通过放置在目镜12后处的显像和图像采集设备13把光信号图像转变成电信号，经过网线15传输显示在外部工控机16上。

检测参数设定；包括设定微光纤探头5距离特征点标定标签中心的像素值，每个像素对应的位移值和位移修正系数(实际测量位移和标定测量位移的偏差系数，默认为1)。

测量图像处理；进行相应图像数字化处理(通过图像处理系统进行灰度变换、二值化、特征点识别等图像数字化处理)，算出特征点的形心坐标，从而算出该位移的像素值，据标定装置得到的像素-位移对应关系和位移修正系数，将图像位移(单位：像素)转换成物理尺寸(单位：um)，计算出位移的变化值。

位移显示存储；将以上位移的变化值在工控机16上进行显示和存储。

在一些实施例中，测量时，在被测对象粘贴相同特征点标定标签，安装光纤内窥镜采集测量点图像，设定检测参数，然后进行相应图像数字化处理，得到标定标签双特征点形心平面坐标，再利用已得到的双特征点形心实际距离，求出特征点标定标签上特征点的实际平面位移变化量，在工控机16上进行显示和存储。下面以实际特征点图像为例，具体说明本实用新型的位移计算流程。

步骤1：图像灰度化处理

图像的灰度化是图像分割、特征点提取的基础，因此对图像的灰度处理显得尤其重要。图像的灰度化处理就是将彩色图像(图中未示出，表现为图4的彩色图形)通过合适的函数处理成灰度图像，将其中的彩色去掉得到其灰度图，通过matlab软件处理获得其灰度如图4所示。从直方图(如图5所示)可以看出其灰度值主要分布在140-180之间，说明亮度中等。根据后期处理结果来看，亮度能满足要求。

步骤2：二值化和边缘膨胀化

图像的灰度分成不同的等级，采用设置灰度门限(阈值)的方法可以确定有意义的区域或分割物体的边界。常用的阈值化处理是将图像二值化处理，即选择阈值，将图像转换为黑白二值图像，用于图像分割及边缘跟踪等处理。本申请采用自适应阈值方法选取阈值，再对二值化图像进行边缘膨化处理，可提高图像特征点的识别能力，通过计算得到图像二值化后见图6，图像边缘膨化处理后见图7。

步骤3边缘检测分析

对二值化和膨化处理后的图像进行sobel边缘检测，其处理后的图片如图8所示。通过对图像分析可知，进行sobel边缘检测得到的图像边缘清晰可见，而且采用阈值化处理时已将图片中由于背景色而造成的大部分噪声滤去。

步骤4特征点获取及其形心计算

对sobel边缘检测法检测得到的图8进行分析，可以看出图像包含了希望识别的特征点Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。通过对特征点外形(周长和面积)识别计算，并进行图像匹配，可以获得图9、图10、图11、图12所示的完全去除噪声的特征点图像，并通过计算分别得到特征点Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的形心坐标值。

按相同步骤完成其它帧图像的数字化处理，得到各帧图像特征点形心数据，与第一帧视频特征点形心坐标比较，即可以得到形心(XY)变化量，由于标定装置产生的是已知且确定的位移量，通过特征点形心变化量和位移变化量的对应即可建立像素－位移对应函数关系。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。

Claims (3)

1.位移测试系统，包括离心机；离心机包括吊篮、离心机臂、主轴，测试产品置于吊篮内；测试产品的外壁上设置有开孔；其特征在于，位移测试系统还包括：

微光纤探头；微光纤探头一端置于测试产品的开孔内；

特征点标定标签；在测试产品的上层结构和下层结构上均设置有特征点标定标签；

微光纤插入部；微光纤插入部顺着离心机臂固定安装；

显像和图像采集设备；

冷光源；冷光源、显像和图像采集设备均安装在主轴附近；从冷光源发出的照明光，经光纤传光束传输后用于照明被标定标签；

光纤传像束；光纤传光束、光纤传像束均设置在离心机臂上；

物镜；

目镜；

网线；

工控机；特征点标定标签经物镜成像后经光纤传像束传出至目镜处，并在目镜处放大，显像和图像采集设备用于将光信号转变为电信号，并经网线传输至工控机。

2.根据权利要求1所述的位移测试系统，其特征在于，微光纤探头和微光纤插入部一体设置。

3.根据权利要求1所述的位移测试系统，其特征在于，显像和图像采集设备的分辨率应高于前端微光纤探头的分辨率。

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