包覆層厚度測量的懸臂梁撓度校正方法

張 帥， 金 永, 王召巴

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引 言

采用文獻(xiàn)[1]所提及的一種包覆層厚度自動檢測裝置及方法，能夠?qū)崿F(xiàn)固體火箭發(fā)動機(jī)包覆層厚度的準(zhǔn)確測量。該方法是將激光測距傳感器安裝在懸臂梁的一端，在伺服電機(jī)的驅(qū)動下，懸臂梁伸入到發(fā)動機(jī)內(nèi)部，將粘貼包覆層前后的距離值相減，以實(shí)現(xiàn)不同截面上的包覆層厚度測量。在測量較短的發(fā)動機(jī)時(shí)，由于懸臂梁的撓度小，該方法的測量精度可以達(dá)到0.05 mm，但在測量較長的固體火箭發(fā)動機(jī)時(shí)，由于懸臂梁的撓度變大，再加上機(jī)械振動和其他因素的影響，導(dǎo)致粘貼前后的兩次測量時(shí)測距傳感器的基準(zhǔn)位置發(fā)生變化，使得測量結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差。因此，需要測量懸臂梁在各個檢測截面上的撓度或位移值，以校正檢測截面上的測量誤差。

當(dāng)前撓度或位移的測量方法主要用于鋼架、橋梁等大型結(jié)構(gòu)，其檢測精度最高只能達(dá)到0.2 mm，難以滿足小于0.05 mm的檢測精度要求。本文研究一種基于機(jī)器視覺的懸臂梁撓度檢測方法，在懸臂梁支架上安裝一點(diǎn)激光器，另一端安裝一個反射板，利用電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)相機(jī)采集反射板上的激光點(diǎn)，對光電圖像進(jìn)行處理，計(jì)算出光點(diǎn)中心坐標(biāo)，根據(jù)不同位置的光點(diǎn)坐標(biāo)值，修正兩次測量的撓度誤差。

1 測量原理

懸臂梁的撓度測量原理如圖1所示，將撓度值的改變量轉(zhuǎn)換為激光光斑中心點(diǎn)的偏移量。固定在懸臂梁支架上的點(diǎn)激光器發(fā)出準(zhǔn)直光束，在被測點(diǎn)的反射板上形成一個圓形光斑，當(dāng)懸臂梁被測點(diǎn)的撓度發(fā)生變化時(shí)，點(diǎn)激光器照射在反射板上的光斑中心的位置也會同步發(fā)生豎直方向上的變化。此時(shí)CCD相機(jī)采集光斑圖像，對圖像進(jìn)行處理，很容易得到懸臂梁的撓度值。

圖1 懸臂梁撓度測量原理

2 激光光斑中心定位

激光光斑中心定位技術(shù)是撓度校正中至關(guān)重要的一部分，光斑中心的定位運(yùn)用數(shù)字圖像處理的知識，定位精度將直接影響撓度測量的精度，因此,如何對光斑圖像進(jìn)行處理是非常重要的。

2.1 圖像預(yù)處理

懸臂梁撓度校正時(shí)圖像中的有用信息是光斑圖像，但實(shí)際圖像會出現(xiàn)諸如圖像模糊、圖像偏斜、暈圈過大、對比度低等多種變形。這將導(dǎo)致在計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的中心時(shí)產(chǎn)生誤差，因此,在計(jì)算之前必須進(jìn)行圖像預(yù)處理。

2.1.1 小波軟閾值去噪

采用小波軟閾值去噪方法[2]，對光斑圖像進(jìn)行去噪，發(fā)現(xiàn)算法去噪效果[3]并不明顯，將其用Log算子進(jìn)行非線性轉(zhuǎn)換，放大灰度值較小的部分，再進(jìn)行去噪。結(jié)果如圖2所示。

圖2 圖像去噪

2.1.2 閾值分割

采用最大類間方差法[4]，對圖像進(jìn)行閾值分割。針對背景和目標(biāo)差異明顯的光斑圖像，最大類間方差法可以使光斑周圍的相關(guān)信息得以保存，減少了激光器射出的光斑不均、光暈較大對定位光斑精確度的影響，有益于后續(xù)分析降低誤差。分割后圖像如圖3所示。

圖3 閾值分割后的圖像

經(jīng)過Log變換、小波軟閾值去噪以及閾值分割處理后，光斑圖像已經(jīng)濾除大部分噪聲和光暈，光斑輪廓可以清楚地看到，但是仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)，光斑邊緣有部分孤立點(diǎn)和毛刺，需要對邊緣進(jìn)行優(yōu)化，否則會對之后的中心點(diǎn)定位帶來一定的誤差。

2.1.3 形態(tài)學(xué)處理

通過計(jì)算各個連通域的面積，從中濾除面積小于某一特定的值，去除小的、孤立的區(qū)域[6]；通過判斷某非零灰度值點(diǎn)領(lǐng)域周圍像素灰度值是否為零來濾除孤立點(diǎn)等方法。經(jīng)過微處理后圖像邊緣變平滑，孤立點(diǎn)和毛刺部分大大減少，從而減小了中心點(diǎn)的誤差。如圖4所示。

圖4 邊緣優(yōu)化后的圖像

2.2 確定光斑中心點(diǎn)

為了提高撓度測量的精度，采用重心法，對光斑中心進(jìn)行更加精確的亞像素級定位。重心法實(shí)現(xiàn)簡單，運(yùn)算速度快。圖5為重心法求得光斑中心點(diǎn)的坐標(biāo)。

圖5 重心法求光斑中心點(diǎn)坐標(biāo)圖像

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 系統(tǒng)標(biāo)定

采用如圖6所示的標(biāo)定模板，通過計(jì)算采集的圖像的實(shí)心圓的像素距離，得到像素距離和實(shí)際距離的轉(zhuǎn)換參數(shù)，以便將測量得到的中心點(diǎn)的像素位移轉(zhuǎn)換為實(shí)際距離[5]。即轉(zhuǎn)換參數(shù)(mm/pixel)= 實(shí)際距離(mm)/ 像素距離(pixel)。

圖6 標(biāo)定摸板

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將點(diǎn)激光器固定在機(jī)械運(yùn)動平臺上，CCD相機(jī)和反射板放置在距離激光器10 m遠(yuǎn)處，通過上下移動點(diǎn)激光器的位置，來模擬懸臂梁撓度值的改變，從而驗(yàn)證了懸臂梁撓度校正方法的精度。機(jī)械運(yùn)動平臺每次步進(jìn)0.06 mm,共步進(jìn)5次，分別對應(yīng)位置：0.00,0.06,0.12,0.18,0.24,0.30 mm，通過在MATLAB數(shù)字圖像處理得到6幅圖像的數(shù)據(jù)：上述求得的轉(zhuǎn)換參數(shù)為0.056 5 mm/pixel，設(shè)點(diǎn)激光位置Y1[i]，光斑中心點(diǎn)Y軸坐標(biāo)Y2[i]，光斑中心點(diǎn)X軸坐標(biāo)的偏移像素ΔY1[i]，光斑偏移的實(shí)際距離ΔY2[i]，誤差δ[i]，則有如下關(guān)系

ΔY1[i]=Y2[i+1]-Y2[i]

(1)

ΔY2[i]=ΔY1[i]×0.056 5

(2)

δ[i]=Y1[i]-ΔY2[i]

(3)

由表1數(shù)據(jù)可以看出，測得的光斑中心偏移的實(shí)際距離和點(diǎn)激光器的實(shí)際位移誤差最大不超過0.03 mm，而包覆層厚度的測量精度為0.05 mm，由此可以得出，該校正方法滿足檢測要求。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

該懸臂梁撓度校正方法能夠準(zhǔn)確測量懸臂梁的撓度，從而對固體火箭發(fā)動機(jī)包覆層的厚度檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，使得包覆層的厚度檢測滿足0.05 mm的檢測精度要求。運(yùn)用圖像處理的方法，提高了撓度測量的精度[7]，對發(fā)動機(jī)包覆層的厚度檢測具有突破性的意義。