CN113701657B - 一种非原位手持式视频引伸计及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非原位手持式视频引伸计及测量方法，引伸计包括：两个摄像装置；位姿固定装置固定两摄像装置呈30‑40°夹角置于引伸计外罩内；两摄像装置中间安装频闪窄带蓝光光源；引伸计外罩两侧连接手持式把手。该方法包括如下步骤：(1)在被测物表面制备高耐久性特征点；(2)根据测量需要，间隔一定时间手持引伸计采集被测物表面图像，通过三维数字图像相关方法获得特征点的三维坐标；(3)通过同一时刻下两特征点的三维坐标计算两点间的距离，由不同时刻下距离的变化值计算两点间的线应变ε。与常规视频引伸计相比，本发明具有操作简单，对环境要求低，无需架设的特点，可实现手持状态下的高精度线应变测量，实现结构的非原位测量。
Description
技术领域
本发明涉及光测实验固体力学领域，具体涉及一种非原位手持式视频引伸计及测量方法。
背景技术
长期以来，应变测量常使用电阻应变计、光纤应变计、半导体应变计或机械引伸计等接触式的传感方式。这种接触式测量不仅给被测试样增加了额外的质量，其中有些由于粘结剂的使用在一定程度上对试样起到了增强作用，使得接触式测量方式在越来越多的材料测量中不能被接受。非接触式的视频引伸计是利用光电测量技术和图像处理技术，利用数字图像计算得到被测物表面的变形，具有非接触、高精度、受环境影响小的优点。
常规视频引伸计通常架设在固定的三脚架上，在野外复杂环境的结构测量中，视频引伸计的架设受环境的影响大，布置条件复杂，难度大。尤其在非原位测量中，单次测量的测量时间较短，引伸计的架设占据了大部分的测量时间。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种非原位手持式视频引伸计及测量方法，操作简单，对环境要求低，无需架设，可以十分便捷地实现结构的非原位测量。
实现本发明目的的技术解决方案为：
技术方案：本发明提出一种非原位手持式视频引伸计，该引伸计包括：第一摄像装置，第二摄像装置，所述第一摄像装置包括配有窄带蓝光滤镜的镜头(1)、光圈调节装置(2)、焦距调节装置(3)和图像传感器(4)；并且所述光圈调节装置(2)与配有窄带蓝光滤镜的镜头(1)连接，焦距调节装置(3)与光圈调节装置(2)连接，图像传感器(4)与焦距调节装置(3)连接；第二摄像装置与第一摄像装置完全一致；所述第二摄像装置与第一摄像装置呈30-40°夹角置于引伸计外罩(11)内，第二摄像装置与第一摄像装置中间安装频闪窄带蓝光光源(6)。
进一步的，所述引伸计外罩(11)两侧设置有手持式把手(9)。
进一步的，第二摄像装置与第一摄像装置通过位姿固定装置(5)固定呈30-40°夹角。
进一步的，光圈调节装置(2)上连接光圈固定装置(7)，光圈固定装置(7)用于固定光圈调节装置(2)的旋转；焦距调节装置(3)上连接焦距固定装置(8)，焦距固定装置(8)用于固定焦距调节装置(3)的旋转。
测量时，引伸计无需设置在三脚架上，支持在手持状态下进行应变测量；在手部的轻微晃动下，引伸计仍能实现高精度的线应变测量；在非原位测量中，可以大幅减少引伸计的架设时间。
本发明还提出一种基于权利要求1所述的非原位手持式视频引伸计测量方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、使用激光蚀刻技术在被测物表面直接蚀刻特征点或使用高分子材料制备特征点并转印到被测物表面；
步骤2、将工作距离设置在摄像装置景深范围内，手持引伸计间隔一定时间采集被测物表面图像，通过三维数字图像方法获得被测物表面所有特征点的三维坐标；
步骤3、通过同一时刻任意两特征点的三维坐标计算两点间的距离，由不同时刻下距离的变化值计算两特征点间的线应变ε。
进一步的，所述步骤1中的特征点是散斑、编码点或二维码的有灰度梯度特征的光学标记任一种或多种。
进一步的，所述步骤3中计算同一时刻任意两特征点间的距离以及由不同时刻下距离的变化值计算两特征点间线应变ε的具体方法如下：
选取第一次测量的图像作为参考图，通过三维数字图像方法得到两个特征点P、Q的三维坐标P(X1,Y1,Z1)，Q(X2,Y2,Z2)；由公式
得到特征点P、Q之间的距离lPQ；通过三维数字图像方法得到后续测量中两特征点的新位置P′(X′1,Y′1,Z′1)，Q′(X′2,Y′2,Z′2)；由公式
得到特征点P′、Q′之间的距离l′PQ；最后由线应变公式：
计算得到P、Q特征点间的线应变ε，通过上述方法获得任意时刻、任意两个特征点间的线应变。
与常规视频引伸计相比，本发明具有操作简单，对环境要求低，无需架设的特点，可以十分便捷地实现结构的非原位测量。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
在利用三维数字图像相关方法高精度、高鲁棒性和无需隔震的优势基础上，本发明通过使用频闪窄带蓝光光源来降低图像采集的曝光时间，从而降低手持状态下手部晃动造成的图像运动模糊对应变测量精度的影响；通过距离和距离的变化值来直接求解线应变，降低晃动引起的应变测量误差。测量时，引伸计无需设置在三脚架上，支持在手持状态下进行应变测量；在手部的轻微晃动下，引伸计仍能实现高精度的线应变测量；在非原位测量中，可以大幅减少引伸计的架设时间。与常规视频引伸计相比，本发明具有操作简单，对环境要求低，无需架设的特点，可以十分便捷地实现结构的非原位测量。
附图说明
图1为本发明非原位手持式视频引伸计实测示意图；
图2为本发明测量方法中不同时刻下被测物及表面特征点示意图；
图3为本发明测量方法流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明提出一种非原位手持式视频引伸计，该引伸计包括第一摄像装置，第二摄像装置，所述第一摄像装置包括配有窄带蓝光滤镜的镜头(1)、光圈调节装置(2)、焦距调节装置(3)和图像传感器(4)；并且所述光圈调节装置(2)与配有窄带蓝光滤镜的镜头(1)连接，焦距调节装置(3)与光圈调节装置(2)连接，图像传感器(4)与焦距调节装置(3)连接；第二摄像装置与第一摄像装置完全一致；所述第二摄像装置与第一摄像装置呈30-40°夹角置于引伸计外罩(11)内，第二摄像装置与第一摄像装置中间安装频闪窄带蓝光光源(6)。
进一步的，所述引伸计外罩(11)两侧设置有手持式把手(9)。
进一步的，第二摄像装置与第一摄像装置通过位姿固定装置(5)固定呈30-40°夹角。
进一步的，光圈调节装置(2)上连接光圈固定装置(7)，光圈固定装置(7)用于固定光圈调节装置(2)的旋转；焦距调节装置(3)上连接焦距固定装置(8)，焦距固定装置(8)用于固定焦距调节装置(3)的旋转。
进一步的，通过位姿固定装置(5)固定两摄像装置的相对位姿。
如图1所示，引伸计实测过程中，引伸计外部(无线)连接工作站(10)；表面布置有特征点1、2的单向拉伸试件(12)置于引伸计前方。
如图3所示，一种非原位手持式视频引伸计的测量方法，包括以下步骤：
步骤1、使用激光蚀刻技术在被测物表面蚀刻特征点1、2；
步骤2、将工作距离设置在摄像装置景深范围内，在t1(未加载)和t2(加载后)时刻下分别手持引伸计采集试件表面图像，通过三维数字图像相关方法获得特征点1、2在t1时刻的三维坐标P(X1,Y1,Z1)，Q(X2,Y2,Z2)以及变形后在t2时刻的新坐标P′(X′1,Y′1,Z′1)，Q′(X′2,Y′2,Z′2)；
步骤3、通过同一时刻任意两特征点的三维坐标计算两点间的距离，由不同时刻下距离的变化值计算两特征点间的线应变ε。其中计算同一时刻任意两特征点间的距离以及由不同时刻下距离的变化值计算两特征点间线应变ε的具体方法如下：
选取t1时刻的图像作为参考图，通过三维数字图像相关方法得到特征点1、2的三维坐标P(X1,Y1,Z1)，Q(X2,Y2,Z2)；由公式
计算得到特征点之间的距离lPQ；通过三维数字图像相关方法得到t2时刻图像中两特征点的新位置P′(X′1,Y′1,Z′1)，Q′(X′2,Y′2,Z′2)；由公式
得到特征点之间的距离l′PQ；最后由线应变公式：
计算得到特征点1、2之间的线应变ε；同理可以获得任意时刻、任意两个特征点间的线应变。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于非原位手持式视频引伸计的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1、使用激光蚀刻技术在被测物表面直接蚀刻特征点或使用高分子材料制备特征点并转印到被测物表面；
步骤2、将工作距离设置在摄像装置景深范围内，手持引伸计间隔一定时间采集被测物表面图像，通过三维数字图像方法获得被测物表面所有特征点的三维坐标；
步骤3、通过同一时刻任意两特征点的三维坐标计算两点间的距离，由不同时刻下距离的变化值计算两特征点间的线应变ε；
所述非原位手持式视频引伸计包括第一摄像装置，第二摄像装置，所述第一摄像装置包括配有窄带蓝光滤镜的镜头(1)、光圈调节装置(2)、焦距调节装置(3)和图像传感器(4)；并且所述光圈调节装置(2)与配有窄带蓝光滤镜的镜头(1)连接，焦距调节装置(3)与光圈调节装置(2)连接，图像传感器(4)与焦距调节装置(3)连接；第二摄像装置与第一摄像装置完全一致；所述第二摄像装置与第一摄像装置呈30-40°夹角置于引伸计外罩(11)内，第二摄像装置与第一摄像装置中间安装频闪窄带蓝光光源(6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于非原位手持式视频引伸计的测量方法，其特征在于，所述引伸计外罩(11)两侧设置有手持式把手(9)。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于非原位手持式视频引伸计的测量方法，其特征在于，第二摄像装置与第一摄像装置通过位姿固定装置(5)固定呈30-40°夹角。
4.根据权利要求1所述的一种基于非原位手持式视频引伸计的测量方法，其特征在于，所述光圈调节装置(2)上连接光圈固定装置(7)，光圈固定装置(7)用于固定光圈调节装置(2)的旋转；焦距调节装置(3)上连接焦距固定装置(8)，焦距固定装置(8)用于固定焦距调节装置(3)的旋转。
5.根据权利要求1所述的一种基于非原位手持式视频引伸计的测量方法，其特征在于，所述步骤1中的特征点是散斑、编码点或二维码的有灰度梯度特征的光学标记中的任一种或多种。
6.根据权利要求1或5所述的一种基于非原位手持式视频引伸计的测量方法，其特征在于，所述步骤3中，计算同一时刻任意两特征点间的距离以及由不同时刻下距离的变化值计算两特征点间线应变ε的具体方法如下：
选取第一次测量的图像作为参考图，通过三维数字图像方法得到两个特征点P、Q的三维坐标P(X1,Y1,Z1)，Q(X2,Y2,Z2)；由公式
得到特征点P、Q之间的距离lPQ；通过三维数字图像方法得到后续测量中两特征点的新位置P′(X′1,Y′1,Z′1)，Q′(X′2,Y′2,Z′2)；由公式
得到特征点P′、Q′之间的距离l′PQ；最后由线应变公式：
计算得到P、Q特征点间的线应变ε，通过上述方法获得任意时刻、任意两个特征点间的线应变。
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