基于機器視覺的視頻引伸計設計

李枝焱 李柏炎 張龍旭 許為鑫 劉洪席 張丙震

【摘 要】引伸計是在某種條件下、測定金屬材料、非金屬材料性能的機械儀器，可以對材料進行拉伸試驗。引伸計在研究探索新材料過程中，是必不可少的測試儀器。本文首先闡述了國內外視覺引伸計的發展現狀，介紹了視覺引伸計特性，然后確定引伸計的傳動方案、加載方案和動力方案，最后選擇合適的處理器及相機，搭建好圖像采集，信號傳輸等的系統。使用視覺引伸計對材料應變進行測量，簡化了拉伸實驗的操作，提高對材料力學性能檢測的效率。

【關鍵詞】材料性能測定;視覺引伸計;圖像采集;信號傳輸

一、背景介紹

在材料力學實驗中，往往需要對材料的力學性能進行測定，這時就需要用到引伸計。引伸計主要用來對金屬材料、非金屬材料、機械零件等進行實驗測量，得到材料在各種條件下的力學性能參數。在引伸計對材料進行試驗時，材料所表現出各種力學性能現象參數的過程會被記錄下來，然后計算出材料的參數并根據測試標準來衡量材料試件的性能否合格。因此引伸計本身的試驗性能也是一個關鍵，只有引伸計本身的試驗性能良好，測出的力學性能才足夠的準確[1]。

在實際材料性能測試中經常會一些特殊試樣進行檢測，如小尺寸試件，復雜成形件。在材料連續形變的實驗中，往往需要根據應變來控制試件的加載方式。這就需要應變檢測裝置對材料應變實時檢測并反饋給控制系統。這些需求都是機械引伸計無法滿足的，本文開發了一種基于視覺反饋的材料應變檢測裝置，可快速對材料變形位置進行檢測，并輸出電壓信號方便與實驗設備進行通訊。

二、國內外研究現狀

近來我國關于視覺引伸計的開發較大進步。北京浩普中興公司研制出HPSP-V動態視頻引伸計可動態實時測量應變、位移、泊松比等，其采集數據頻率可達20HZ，位移分辨率為10um，檢測距離最大800mm，支持點模式、線模式。濟南大學曹若蘭設計了直線、圓形、雙直線型三類識別標準相關算法的非接觸式視覺引伸計，在拉伸試驗過程中對標志點識別提取并進行亞像素差值細分，使得測量精度能夠達到亞微米級別[3]。

國外技術發展更為成熟。具有代表性的是英國英斯特朗引入機器視覺的技術應用到材料的應變測量中，為該試驗機研發了AVE2.0視覺引伸計。該引伸計具有專用的LED照明方案，降低的環境自然光線的影響，通過AVE2.0對試件的應變進行測量，取代接觸式引伸計，其測量精度達到ISO 9513標準0.5級要求，測量范圍最大可以達到670mm，采樣速度最大可達490HZ[3]。

雖然目前市場的視覺引伸計發展較為成熟，但依然存在傳感器價格昂貴，操作復雜，對硬件要求高，反饋速度慢，模擬信號輸出有限，量程較低等問題。

三、視覺引伸計硬件設計

（一）視覺引伸計工作原理

視覺引伸計主要由外觸發CMOS相機完成圖像采集，以友善公司Tiny4412核心板來完成圖像處理與信號傳輸。視覺引伸計模擬機械引伸計的0-5V輸出，與PC通訊。將材料固定在拉力機兩端準備進行試驗后，打開相機調節好焦距、曝光、幀率等參數后即可開始拉伸試驗。

（二）圖像采集系統設計

圖像采集系統工作流程是在連接好相機等待拉伸試驗開始后，通過硬件外觸發方式發送信號到Tiny4412，Tiny4412通過外部中斷收到開始信號后控制相機對試件進行拍照采集，設定拍照時間間隔為10ms，并且將照片以當前時間為名稱命名直接存儲在SD卡和EMMC設備中等待后續進行處理。

圖像處理流程是首先進行圖像灰度化，用高斯濾波對的得到的灰度圖像進行處理，減少噪音，然后轉換為二值圖像減少后續處理的工作量。以第一次所拍攝圖像作為基準，后面每次拍攝的圖片與第一張圖片處理的方式相同，并與第一張圖片進行合并，通過findCounter函數獲取圖片的輪廓信息，找出最大和次大的輪廓作為視覺引伸計的位移量，算出兩個輪廓的質心坐標并且算出距離 [4～5]。

四、結論

本文主要對視覺引伸計硬件組成和圖像處理流程進行介紹。視覺引伸計的圖像采集系統選擇UBS300C相機采集圖像，然后將數據傳輸到處理器Tiny4412上進行存儲，并使用OpenCV進行圖像處理，計算出試件的拉伸量將像素距離轉換成實際距離，最終將數據通過DAC8554轉換成模擬信號或者直接通過網絡傳輸給上位機，上位機最終根據拉力與材料形變計算出材料應變、位移、泊松比等信息。所設計視覺引伸計具有成本低，使用靈活，處理速度快等優點。

【參考文獻】

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