基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量方法及系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量方法，該方法包括以下步驟：光源提供光線后，調(diào)整光線范圍并將光線散射，為接觸體提供均勻光場(chǎng)；加載接觸體，形成接觸區(qū)域；利用相機(jī)對(duì)處于均勻光場(chǎng)下受載的接觸體進(jìn)行拍攝，采集接觸部位圖像；分析所述接觸部位圖像，進(jìn)行邊界識(shí)別，確定接觸寬度并計(jì)算出接觸體間的接觸面積。本發(fā)明還公開(kāi)了一種基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)與接觸體相配合，用于測(cè)量接觸體間的接觸面積，該系統(tǒng)包括：背光模塊、圖像采集模塊和接觸面積識(shí)別模塊。該方法及系統(tǒng)具有非接觸、高精度、連續(xù)和可滿足高溫環(huán)境測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，可以自動(dòng)化的完成各種工況下接觸面積的測(cè)量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請(qǐng)涉及工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和圖像測(cè)量領(lǐng)域，具體地說(shuō)，是涉及一種基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量方法及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]接觸在工程應(yīng)用中十分常見(jiàn)，如兩個(gè)齒輪之間的嚙合、軋鋼機(jī)的軋輥軋制鋼板的過(guò)程、車(chē)輪在鋼軌上的滾動(dòng)以及橋梁滾座的接觸等。
[0003]兩個(gè)物體的接觸形式分為點(diǎn)接觸和線接觸，前者如球體與平面間的接觸，后者如圓柱體與平面之間的接觸，兩種接觸模型如圖1所示。為了研究接觸結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，例如測(cè)量接觸體的接觸強(qiáng)度，研究人員需要測(cè)量接觸體間的接觸面積。由于接觸區(qū)域是被遮擋起來(lái)無(wú)法直接觀測(cè)的，因而接觸面積的測(cè)量變得十分困難。
[0004]測(cè)量接觸面積方法的發(fā)展歷程歷經(jīng)兩個(gè)階段，第一階段的代表方法是壓痕法與劃痕法，這類(lèi)方法通過(guò)觀察接觸體在接觸過(guò)程中留下的痕跡測(cè)量接觸面積，具體是在兩物體接觸加載后進(jìn)行卸載，通過(guò)觀察和測(cè)量被壓物體因受壓變形而殘留的壓痕與劃痕的幾何尺寸來(lái)計(jì)算接觸面積。該類(lèi)方法存在著兩點(diǎn)明顯的缺陷:其一，壓痕法與劃痕法因?yàn)檫B續(xù)加卸載的實(shí)驗(yàn)方式造成無(wú)法連續(xù)測(cè)量；其二，其測(cè)量分辨率很低，當(dāng)接觸面積比較小時(shí)，壓痕與劃痕經(jīng)常會(huì)觀測(cè)不到。
[0005]為了解決上述兩種方法的缺陷，測(cè)量接觸面積方法發(fā)展至第二階段，其代表是壓力紙法和壓電薄膜法，這類(lèi)方法在兩個(gè)接觸體之間放置傳感器，將接觸物體的接觸面積轉(zhuǎn)換為其他信息來(lái)進(jìn)行測(cè)量。壓力紙法是將兩片壓力紙(一片內(nèi)部充滿染色劑膠囊，一片上附有顯色劑)放置在接觸體之間，當(dāng)物體接觸受壓時(shí)，染色劑膠囊破裂，在有顯色劑的一層壓力紙上接觸部分會(huì)顯為紅色，最后通過(guò)測(cè)量紅色區(qū)域面積來(lái)計(jì)算接觸面積。壓電薄膜法是在兩接觸物體間放入電子傳感器或敏感柵，當(dāng)物體接觸受壓時(shí)接觸區(qū)域會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，通過(guò)分析電信號(hào)產(chǎn)生的位置就可以測(cè)量得到接觸面積。這一類(lèi)測(cè)量接觸面積的方法解決了壓痕法與劃痕法不能連續(xù)測(cè)量的問(wèn)題，并將測(cè)量精度大大提高。但是這類(lèi)新方法也存在著自身的問(wèn)題:其一，壓力紙與壓電薄膜無(wú)法使用在高溫等極端實(shí)驗(yàn)環(huán)境中；其二，在接觸區(qū)域布置傳感介質(zhì)有可能會(huì)改變界面的性質(zhì)，從而改變接觸區(qū)域的局部力學(xué)性質(zhì)，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性。由此看來(lái)，目前已有的接觸面積測(cè)量方法或者測(cè)量環(huán)境要求較高，或者測(cè)量精度較差，難以滿足各種接觸面積的測(cè)量需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出了一種能夠滿足不同環(huán)境下使用的接觸面積連續(xù)測(cè)量方法，同時(shí)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)。該方法基于圖像測(cè)量技術(shù)，通過(guò)采集接觸部位的圖像并對(duì)其進(jìn)行分析來(lái)獲取接觸面積，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的高精度測(cè)量?；诖朔椒ù罱ǖ臏y(cè)量系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，低消耗，數(shù)據(jù)處理可以自動(dòng)化完成。針對(duì)現(xiàn)有測(cè)量接觸面積的技術(shù)和方法中存在的無(wú)法滿足高溫環(huán)境下的測(cè)量、無(wú)法連續(xù)觀測(cè)、影響接觸體本身力學(xué)性質(zhì)、精度不高等缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種能夠滿足不同環(huán)境下使用的接觸面積連續(xù)測(cè)量方法，同時(shí)提供了相應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)。
[0007]本發(fā)明提供了一種基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量方法，該方法包括以下步驟:
[0008]光源提供光線后，調(diào)整光線范圍并將光線散射，為接觸體提供均勻光場(chǎng)；
[0009]加載接觸體，形成接觸區(qū)域；
[0010]利用相機(jī)對(duì)處于均勻光場(chǎng)下受載的接觸體進(jìn)行拍攝，采集接觸部位圖像；
[0011]分析所述接觸部位圖像，進(jìn)行邊界識(shí)別，確定接觸寬度并計(jì)算出接觸體間的接觸面積。
[0012]優(yōu)選地，所述光源提供光線后，調(diào)整光線范圍并將光線散射，為接觸體提供均勻光場(chǎng)，進(jìn)一步為:所述光源提供光線后，利用移動(dòng)光圈調(diào)整照射范圍，利用白幕將光線散射，為接觸體提供均勻光場(chǎng)。
[0013]優(yōu)選地，所述分析所述接觸部位圖像，進(jìn)行邊界識(shí)別，確定接觸寬度以及接觸體間的接觸面積，進(jìn)一步為:
[0014]當(dāng)接觸體為球體與立方體形成的接觸體時(shí)，接觸區(qū)域?yàn)閳A形，確定的接觸寬度為接觸區(qū)域的直徑d，接觸面積等于π X (d/2)2 ；
[0015]當(dāng)接觸體為圓柱體與立方體形成的接觸體時(shí)，接觸區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)方形，接觸面積等于確定的接觸寬度乘以圓柱體的長(zhǎng)度。
[0016]本發(fā)明還提供一種基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)與接觸體相配合，用于測(cè)量接觸體間的接觸面積，該系統(tǒng)包括:背光模塊、圖像采集模塊和接觸面積識(shí)別模塊，其中，
[0017]所述背光模塊，與所述接觸體相耦接，用于為所述接觸體提供均勻光場(chǎng)；
[0018]所述接觸體，分別與所述背光模塊和所述圖像采集模塊相耦接，用于在所述背光模塊的光場(chǎng)中形成接觸面積，并被所述圖像采集模塊采集到接觸部位圖像；
[0019]所述圖像采集模塊，分別與所述接觸體和所述接觸面積識(shí)別模塊相耦接，用于采集到接觸體的接觸部位圖像并發(fā)送至所述接觸面積識(shí)別模塊；
[0020]所述接觸面積識(shí)別模塊，與所述圖像采集模塊相耦接，用于接收所述圖像采集模塊發(fā)送的接觸部位圖像進(jìn)行邊界識(shí)別得到接觸寬度并計(jì)算出接觸體間的接觸面積。
[0021]優(yōu)選地，所述背光模塊，包括:光源、移動(dòng)光圈和白幕，其中，
[0022]所述光源，與所述移動(dòng)光圈相耦接，用于提供光線；
[0023]所述移動(dòng)光圈，分別與所述光源和所述白幕相耦接，用于調(diào)整所述光源的照射區(qū)域；
[0024]所述白幕，分別與所述移動(dòng)光圈和所述接觸體相耦接，用于將所述光線進(jìn)行散射發(fā)送至所述接觸體，同時(shí)該白幕還用作白色背景。
[0025]優(yōu)選地，所述圖像采集模塊中進(jìn)一步還設(shè)有相機(jī)，該相機(jī)分別與所述接觸體和所述接觸面積識(shí)別模塊相耦接，用于采集到接觸體的接觸部位圖像發(fā)送至所述接觸面積識(shí)別模塊。
[0026]優(yōu)選地，所述接觸體，進(jìn)一步為圓柱體與立方體形成的接觸體；或進(jìn)一步為球體與立方體形成的接觸體。
[0027]優(yōu)選地，所述接觸體，進(jìn)一步為石墨圓柱與石墨方磚形成的接觸體；或進(jìn)一步為石墨球與石墨方磚形成的接觸體。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請(qǐng)所述的基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量方法及系統(tǒng)，該方法及系統(tǒng)具有非接觸、高精度、連續(xù)和可滿足高溫環(huán)境測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，可以自動(dòng)化的完成各種工況下接觸面積的測(cè)量，達(dá)到了如下效果:
[0029]I)本發(fā)明提供的基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量方法及系統(tǒng)，可以將測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)量物體隔絕開(kāi)來(lái)，這樣解決了高溫等極端條件下下無(wú)法測(cè)量接觸面積的問(wèn)題；
[0030]2)本發(fā)明提供的基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量方法及系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)拍攝的測(cè)量方式，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了加載過(guò)程中的實(shí)時(shí)采集；
[0031]3)本發(fā)明提供的基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量方法及系統(tǒng)，測(cè)量精度可達(dá)到亞像素級(jí)別。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0032]此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。在附圖中:
[0033]圖1為點(diǎn)接觸和線接觸示意圖；
[0034]圖2為本發(fā)明提供的基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量方法流程示意圖；
[0035]圖3為本發(fā)明提供的基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖4為石墨線接觸標(biāo)定圖片；
[0037]圖5為石墨線接觸實(shí)驗(yàn)采集圖像及對(duì)其邊界識(shí)別后的接觸體輪廓；
[0038]圖6為石墨線接觸半寬隨載荷變化曲線；
[0039]圖7為高溫環(huán)境下石墨點(diǎn)接觸實(shí)驗(yàn)采集圖像及對(duì)其邊界識(shí)別后接觸體輪廓；
[0040]圖8為高溫環(huán)境下石墨點(diǎn)接觸半徑隨載荷變化曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0041]如在說(shuō)明書(shū)及權(quán)利要求當(dāng)中使用了某些詞匯來(lái)指稱(chēng)特定組件。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)可理解，硬件制造商可能會(huì)用不同名詞來(lái)稱(chēng)呼同一個(gè)組件。本說(shuō)明書(shū)及權(quán)利要求并不以名稱(chēng)的差異來(lái)作為區(qū)分組件的方式，而是以組件在功能上的差異來(lái)作為區(qū)分的準(zhǔn)則。如在通篇說(shuō)明書(shū)及權(quán)利要求當(dāng)中所提及的“包含”為一開(kāi)放式用語(yǔ)，故應(yīng)解釋成“包含但不限定于”?！按笾隆笔侵冈诳山邮盏恼`差范圍內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在一定誤差范圍內(nèi)解決所述技術(shù)問(wèn)題，基本達(dá)到所述技術(shù)效果。此外，“耦接”一詞在此包含任何直接及間接的電性耦接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接于一第二裝置，則代表所述第一裝置可直接電性耦接于所述第二裝置，或通過(guò)其他裝置或耦接手段間接地電性耦接至所述第二裝置。說(shuō)明書(shū)后續(xù)描述為實(shí)施本申請(qǐng)的較佳實(shí)施方式，然所述描述乃以說(shuō)明本申請(qǐng)的一般原則為目的，并非用以限定本申請(qǐng)的范圍。本申請(qǐng)的保護(hù)范圍當(dāng)視所附權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。
[0042]以下結(jié)合附圖對(duì)本申請(qǐng)作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但不作為對(duì)本申請(qǐng)的限定。
[0043]實(shí)施例一:
[0044]本實(shí)施例以測(cè)量石墨材料制成的圓柱型構(gòu)件與方磚之間的接觸面積為例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，【具體實(shí)施方式】如下:
[0045]如圖3所示本實(shí)施例提供一種基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)與接觸體302相配合，用于測(cè)量接觸體間的接觸面積，包括:背光模塊301、圖像采集模塊303和接觸面積識(shí)別模塊304。
[0046]背光模塊301的作用是為接觸體302提供一個(gè)均勻的光場(chǎng)，該模塊由光源3011、移動(dòng)光圈3012、白幕3013三部分組成。光源3011的作用在接觸體302的背面提供光線。移動(dòng)光圈3012利用兩個(gè)可以移動(dòng)的遮擋物體組成，可以合理的調(diào)整光源的照射區(qū)域。白幕3013的作用有兩個(gè)，第一是要將光源3011射出的光線進(jìn)行散射，將光線散射的原因是使拍攝的圖片中接觸體輪廓更加清晰，因?yàn)樵跍y(cè)量過(guò)程中，拍攝區(qū)域需要光線強(qiáng)度分布均勻的光場(chǎng)，對(duì)于類(lèi)似LED燈提供的直線光源來(lái)說(shuō)，無(wú)論如何調(diào)整光源位置與光線強(qiáng)度都無(wú)法滿足要求，而將光線散射后便可達(dá)到這種效果；第二個(gè)作用是要起到一種白色背景布的作用，使得相機(jī)拍攝的接觸區(qū)域色差明顯，輪廓更加清晰。對(duì)于白幕3013有兩個(gè)要求，首先材料性質(zhì)分布不均勻，這里的材料性質(zhì)分布不均勻是指材料并非各向同性，組成白幕的材料中夾雜著雜質(zhì)或者不均勻團(tuán)塊使得光在透過(guò)白幕的時(shí)候會(huì)發(fā)生散射，這樣可以滿足將光線散射的要求，其次是物體顏色為白色，可以滿足其作為白色背景布的要求。
[0047]接觸體302，分別與背光模塊301和圖像采集模塊303相耦接，用于在背光模塊301的均勻光場(chǎng)中形成接觸面積，并被圖像采集模塊303采集到接觸部位圖像。接觸體302進(jìn)一步為圓柱體與立方體形成的接觸體；或進(jìn)一步為球體與立方體形成的接觸體。本實(shí)施例中接觸體302為石墨圓柱與石墨方磚形成的接觸體，接觸體間形成線接觸。當(dāng)然這里不對(duì)接觸體302的形式作具體限定，接觸體302還可以是三角型椎體和平面形成的接觸體，也可以是橢圓柱與平面形成的接觸體，具體的依實(shí)際情況而定。
[0048]圖像采集模塊303，分別與接觸體302和接觸面積識(shí)別模塊304相耦接，用于采集到接觸體302的接觸部位圖像并發(fā)送至接觸面積識(shí)別模塊304。本實(shí)施例中圖像采集模塊303中進(jìn)一步設(shè)置了相機(jī)3031，進(jìn)一步的相機(jī)3031為IPX-16M3-L高分辨率相機(jī)。圖像采集模塊303的作用:對(duì)處于均勻光場(chǎng)下受載的接觸體進(jìn)行連續(xù)拍攝，獲得數(shù)字圖像信息。在對(duì)接觸體302進(jìn)行拍攝之前，要先調(diào)整模塊中使用的相機(jī)與鏡頭，為了滿足后處理計(jì)算時(shí)的要求，需要將接觸體整體特征部分(比如圓柱體或球體的一半以上的部分)容納進(jìn)圖片之中。在選定拍攝區(qū)域之后，調(diào)整焦距，使接觸區(qū)域呈現(xiàn)出清晰的像。因?yàn)橄鄼C(jī)3031采集圖片的分辨率單位是像素，所以在圖像調(diào)整清晰后需在接觸區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定，使采集圖片的分辨率單位轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度單位。焦距調(diào)整完畢后，在接觸體302輪廓整體可以識(shí)別的前提下盡可能將光圈調(diào)大，這樣可以增大白幕3013背景的光強(qiáng)大小，使接觸體302與背景灰度差別更加明顯，便于識(shí)別。在相機(jī)鏡頭調(diào)整完畢后，設(shè)定好相機(jī)采集速度便可在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。
[0049]接觸面積識(shí)別模塊304，與圖像采集模塊303相耦接，用于接收?qǐng)D像采集模塊303發(fā)送的接觸部位圖像并進(jìn)行邊界識(shí)別得到接觸寬度，并計(jì)算出接觸體間的接觸面積，本實(shí)施例中為圓柱體和立方體的接觸，其接觸區(qū)域是一個(gè)長(zhǎng)方體，測(cè)得的接觸寬度乘以圓柱體的長(zhǎng)度就可以計(jì)算出接觸面積。接觸面積識(shí)別模塊304作用是將圖像采集模塊中采集的圖像進(jìn)行邊界識(shí)別。在圖像中，邊界代表著一個(gè)特征區(qū)域的終點(diǎn)和另一個(gè)特征區(qū)域的起點(diǎn)。邊界所分開(kāi)區(qū)域的內(nèi)部特征或?qū)傩允且恢碌?，而不同區(qū)域的內(nèi)部特征或?qū)傩允怯休^大差異的，邊界識(shí)別正是利用物體和背景在某種圖像特性上的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種差異包括灰度、顏色等。邊界識(shí)別實(shí)際上就是檢測(cè)圖像特性發(fā)生變化的位置。本發(fā)明中的邊界特征是圖像的灰度值，邊界亮一側(cè)的灰度值比較大，邊界另一側(cè)灰度值小，邊界的一邊是灰度值較大區(qū)域的終點(diǎn)，另一邊是灰度值較小區(qū)域的起點(diǎn)。相機(jī)3031拍攝圖像為灰度圖像，將拍攝圖像讀入軟件中，可以得到每一個(gè)像素點(diǎn)的灰度值，接觸體部分灰度低，而白幕3013灰度值高，邊界兩側(cè)灰度值差別非常大。在將邊界識(shí)別之后，便可以得到接觸體輪廓，輪廓的“連通”部分便是接觸物體的接觸區(qū)域，通過(guò)得到的接觸區(qū)域?qū)挾缺憧梢缘玫浇佑|體間的接觸面積(接觸體有上下兩個(gè)，位于上方的接觸體和下方接觸體的接觸區(qū)域?qū)嶋H上是一個(gè)，對(duì)圖像進(jìn)行邊界識(shí)別的時(shí)候，會(huì)識(shí)別出上方接觸體的輪廓與下方接觸體的輪廓，兩個(gè)輪廓之間會(huì)有一個(gè)重疊區(qū)域是連通在一塊兒的，這個(gè)連通部分就是兩個(gè)接觸體的接觸區(qū)域)。
[0050]本實(shí)施例還提供一種基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量方法，如圖2所示，該方法包括以下步驟:
[0051]步驟201:光源提供光線，調(diào)整光線范圍并將光線散射，為接觸體提供均勻光場(chǎng)；
[0052]步驟202:加載接觸體，形成接觸區(qū)域；
[0053]步驟203:利用相機(jī)對(duì)處于均勻光場(chǎng)下受載的接觸體進(jìn)行拍攝，采集接觸部位圖像；
[0054]步驟204:分析所述接觸部位圖像，進(jìn)行邊界識(shí)別，確定接觸寬度，并計(jì)算出接觸體間的接觸面積。
[0055]步驟204中還可以得到接觸體間的接觸半寬隨加載的載荷變化曲線。
[0056]步驟201，進(jìn)一步為:所述光源提供光線后，利用移動(dòng)光圈調(diào)整照射范圍，利用白幕將光線散射，為接觸體提供均勻光場(chǎng)。
[0057]步驟203，進(jìn)一步為:
[0058]利用IPX-16M3-L高分辨率相機(jī)對(duì)處于均勻光場(chǎng)下受載的接觸體進(jìn)行拍攝，采集接觸部位圖像。
[0059]步驟204，進(jìn)一步為:
[0060]當(dāng)接觸體為球體與立方體形成的接觸體時(shí)，接觸區(qū)域?yàn)閳A形，確定的接觸寬度為接觸區(qū)域的直徑d，接觸面積等于π X (d/2)2 ；
[0061]當(dāng)接觸體為圓柱體與立方體形成的接觸體時(shí)，接觸區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)方形，接觸面積等于確定的接觸寬度乘以圓柱體的長(zhǎng)度。本實(shí)施例中的石墨圓柱的尺寸為Φ50Χ60ι?πι,石墨方磚的尺寸為100X 100X60mm。加載設(shè)備是MTS810材料性能試驗(yàn)機(jī)。在本實(shí)施例前，首先搭設(shè)背光模塊中的光源3011、移動(dòng)光圈3012、白幕3013，在本實(shí)施例中，光源3011使用LED燈，移動(dòng)光圈3012使用低碳鋼塊組成，白幕3013適用普通A4白紙。當(dāng)背光模塊301各部分搭建完成后在環(huán)境箱外部用三腳架架設(shè)IPX-16M3-L高分辨率相機(jī)。
[0062]在將相機(jī)架設(shè)完畢后，進(jìn)入圖像采集模塊303。調(diào)整相機(jī)焦距將石墨端面拍攝清晰，并將帶有刻度的標(biāo)定紙粘貼在圓柱端面，此時(shí)拍攝一張圖片用于標(biāo)定物面分辨率，石墨接觸體302的標(biāo)定圖片如圖4所示。拍攝完成后，將粘貼的標(biāo)定紙摘下，并將相機(jī)光圈調(diào)至最大。相機(jī)調(diào)試完畢后，開(kāi)啟試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，加載速度為0.lmm/min,同時(shí)開(kāi)啟高分辨率相機(jī)的圖像采集系統(tǒng)，采集速度為0.2fps。當(dāng)載荷達(dá)到50KN時(shí)，同時(shí)停止試驗(yàn)機(jī)加載和相機(jī)圖像采集。
[0063]本實(shí)施例圖像采集結(jié)束后，將本實(shí)施例所采集的圖像導(dǎo)入接觸面積識(shí)別模塊304，利用軟件對(duì)圖像中接觸體邊界進(jìn)行識(shí)別。經(jīng)過(guò)邊界識(shí)別后得到的圖像，接觸體輪廓顯示為白色，而剩余區(qū)域顯示為黑色，石墨圓柱邊界與石墨磚輪廓交點(diǎn)即為兩者接觸點(diǎn)，本實(shí)施例采集的圖像及對(duì)圖像進(jìn)行邊界識(shí)別后的接觸體輪廓如圖5所示，兩個(gè)接觸點(diǎn)之間的部分為石墨圓柱與石墨磚的接觸寬度，通過(guò)得到的接觸寬度可以得到石墨線接觸的接觸面積。圖6為通過(guò)本實(shí)施例獲得的石墨接觸體連續(xù)加載過(guò)程中接觸半寬的變化結(jié)果。
[0064]實(shí)施例二:
[0065]本實(shí)施例以測(cè)量高溫環(huán)境中石墨材料制成的球形構(gòu)件與方磚之間的接觸面積為例，對(duì)本發(fā)明在高溫環(huán)境中【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0066]如圖3所示本實(shí)施例提供一種基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)與接觸體302相配合，用于測(cè)量接觸體間的接觸面積，包括:背光模塊301、圖像采集模塊303和接觸面積識(shí)別模塊304。
[0067]背光模塊301的作用是為接觸體302提供一個(gè)均勻的光場(chǎng)，該模塊由光源3011、移動(dòng)光圈3012、白幕3013三部分組成。光源3011的作用在接觸體302的背面提供光線。移動(dòng)光圈3012利用兩個(gè)可以移動(dòng)的遮擋物體組成，可以合理的調(diào)整光源的照射區(qū)域。白幕3013的作用有兩個(gè)，第一是要將光源3011射出的光線進(jìn)行散射，將光線散射的原因是使拍攝的圖片中接觸體輪廓更加清晰，因?yàn)樵跍y(cè)量過(guò)程中，拍攝區(qū)域需要光線強(qiáng)度分布均勻的光場(chǎng)，對(duì)于類(lèi)似LED燈提供的直線光源來(lái)說(shuō)，無(wú)論如何調(diào)整光源位置與光線強(qiáng)度都無(wú)法滿足要求，而將光線散射后便可達(dá)到這種效果；第二個(gè)作用是要起到一種白色背景布的作用，使得相機(jī)拍攝的接觸區(qū)域色差明顯，輪廓更加清晰。對(duì)于白幕3013的要求與實(shí)施例一中相同。
[0068]接觸體302，分別與背光模塊301和圖像采集模塊303相耦接，用于在背光模塊301的均勻光場(chǎng)中形成接觸面積，并被圖像采集模塊303采集到接觸部位圖像。接觸體302進(jìn)一步為圓柱體與立方體形成的接觸體，或進(jìn)一步為球體與立方體形成的接觸體。本實(shí)施例中接觸體302為石墨球與石墨方磚形成的接觸體，接觸體間形成點(diǎn)接觸。當(dāng)然這里不對(duì)接觸體302的形式作具體限定，接觸體302還可以是三角型椎體和平面形成的接觸體，也可以是橢圓柱與平面形成的接觸體，具體的依實(shí)際情況而定。
[0069]圖像采集模塊303，分別與接觸體302和接觸面積識(shí)別模塊304相耦接，用于采集到接觸體302的接觸部位圖像并發(fā)送至接觸面積識(shí)別模塊304。本實(shí)施例中圖像采集模塊303中進(jìn)一步設(shè)置了相機(jī)3031，進(jìn)一步的相機(jī)3031為IPX-16M3-L高分辨率相機(jī)。圖像采集模塊303的作用:對(duì)處于均勻光場(chǎng)下受載的接觸體進(jìn)行連續(xù)拍攝，獲得數(shù)字圖像信息。在對(duì)接觸體302進(jìn)行拍攝之前，要先調(diào)整模塊中使用的相機(jī)與鏡頭，為了滿足后處理計(jì)算時(shí)的要求，需要將接觸體整體特征部分(比如圓柱體或球體的一半以上的部分)容納進(jìn)圖片之中。在選定拍攝區(qū)域之后，調(diào)整焦距，使接觸區(qū)域呈現(xiàn)出清晰的像。因?yàn)橄鄼C(jī)3031采集圖片的分辨率單位是像素，所以在圖像調(diào)整清晰后需在接觸區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定，使采集圖片的分辨率單位轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度單位。焦距調(diào)整完畢后，在接觸體302輪廓整體可以識(shí)別的前提下盡可能將光圈調(diào)大，這樣可以增大白幕3013背景的光強(qiáng)大小，使接觸體302與背景灰度差別更加明顯，便于識(shí)別。在相機(jī)鏡頭調(diào)整完畢后，設(shè)定好相機(jī)采集速度便可在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。
[0070]接觸面積識(shí)別模塊304，與圖像采集模塊303相耦接，用于接收?qǐng)D像采集模塊303發(fā)送的接觸部位圖像并進(jìn)行邊界識(shí)別得到接觸寬度，并計(jì)算出接觸體間的接觸面積(本實(shí)施例中像為球體和立方體的接觸，接觸寬度實(shí)際上就是接觸區(qū)域(圓形)的直徑d，π X (d/2)2即為接觸區(qū)域面積)。接觸面積識(shí)別模塊304作用是將圖像采集模塊中采集的圖像進(jìn)行邊界識(shí)別。在圖像中，邊界代表著一個(gè)特征區(qū)域的終點(diǎn)和另一個(gè)特征區(qū)域的起點(diǎn)，邊界所分開(kāi)區(qū)域的內(nèi)部特征或?qū)傩允且恢碌模煌瑓^(qū)域的內(nèi)部特征或?qū)傩允怯休^大差異的，邊界識(shí)別正是利用物體和背景在某種圖像特性上的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種差異包括灰度、顏色等。邊界識(shí)別實(shí)際上就是檢測(cè)圖像特性發(fā)生變化的位置。相機(jī)3031拍攝圖像為灰度圖像，將拍攝圖像讀入軟件中，可以得到每一個(gè)像素點(diǎn)的灰度值，接觸體部分灰度低，而白幕3013灰度值高，邊界兩側(cè)灰度值差別非常大。在將邊界識(shí)別之后，便可以得到接觸體輪廓，輪廓的“連通”部分便是接觸物體的接觸區(qū)域，通過(guò)得到的接觸區(qū)域?qū)挾缺憧梢缘玫浇佑|體間的接觸面積(接觸體有上下兩個(gè)，位于上方的接觸體和下方接觸體的接觸區(qū)域?qū)嶋H上是一個(gè)，對(duì)圖像進(jìn)行邊界識(shí)別的時(shí)候，會(huì)識(shí)別出上方接觸體的輪廓與下方接觸體的輪廓，兩個(gè)輪廓之間會(huì)有一個(gè)重疊區(qū)域是連通在一塊兒的，這個(gè)連通部分就是兩個(gè)接觸體的接觸區(qū)域)。
[0071]本實(shí)施例還提供一種基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量方法，如圖2所示，該方法包括以下步驟:
[0072]步驟201:光源提供光線，調(diào)整光線范圍并將光線散射，為接觸體提供均勻光場(chǎng)；
[0073]步驟202:加載接觸體，形成接觸區(qū)域；
[0074]步驟203:利用相機(jī)對(duì)處于均勻光場(chǎng)下受載的接觸體進(jìn)行拍攝，采集接觸部位圖像；
[0075]步驟204:分析所述接觸部位圖像，進(jìn)行邊界識(shí)別，確定接觸寬度，繼而計(jì)算出接觸體間的接觸面積。
[0076]步驟204中還可以得到接觸體間的接觸半寬隨加載的載荷變化曲線。
[0077]步驟201，進(jìn)一步為:所述光源提供光線后，利用移動(dòng)光圈調(diào)整光線范圍，利用白幕將光線散射，為接觸體提供均勻光場(chǎng)。
[0078]步驟203，進(jìn)一步為:
[0079]利用IPX-16M3-L高分辨率相機(jī)對(duì)處于均勻光場(chǎng)下受載的接觸體進(jìn)行拍攝，采集接觸部位圖像。
[0080]步驟204，進(jìn)一步為:
[0081]當(dāng)接觸體為球體與立方體形成的接觸體時(shí)，接觸區(qū)域?yàn)閳A形，確定的接觸寬度為接觸區(qū)域的直徑d，接觸面積等于π X (d/2)2 ；
[0082]當(dāng)接觸體為圓柱體與立方體形成的接觸體時(shí)，接觸區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)方形，接觸面積等于確定的接觸寬度乘以圓柱體的長(zhǎng)度。
[0083]本實(shí)施例中的石墨球直徑40mm,石墨方磚及加載設(shè)備與實(shí)施例一中相同。加溫設(shè)備為MTS8651環(huán)境箱。為了確保拍攝圖像的質(zhì)量，環(huán)境箱觀察窗使用耐1600°C高溫的超白石英玻璃。在測(cè)量前，需要在環(huán)境箱內(nèi)搭設(shè)背光模塊中的光源3011、移動(dòng)光圈3012、白幕3013。在本實(shí)施例中，光源3011使用500攝氏度耐高溫?zé)簦苿?dòng)光圈3012則由石棉包裹的低碳鋼塊組成，白幕3013則使用陶瓷纖維制成的耐高溫紙。當(dāng)光源模塊各部分搭建完成后在環(huán)境箱外部用三腳架架設(shè)IPX-16M3-L高分辨率相機(jī)。
[0084]在將相機(jī)架設(shè)完畢后，進(jìn)入圖像采集模塊。打開(kāi)耐高溫?zé)?，將事先?zhǔn)備好的標(biāo)定物表面與接觸面對(duì)齊，調(diào)整相機(jī)焦距將標(biāo)定物表面拍攝清晰，此時(shí)拍攝一張圖片用于標(biāo)定物面分辨。拍攝完成后，將標(biāo)定物取出，并將相機(jī)光圈調(diào)至最大。相機(jī)調(diào)試完畢后，打開(kāi)環(huán)境箱加溫裝置，將溫度升至200°C。待環(huán)境箱溫度穩(wěn)定時(shí)，開(kāi)啟試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，加載速度為0.lmm/min,同時(shí)開(kāi)啟高分辨率相機(jī)的圖像采集系統(tǒng)，采集速度為0.2fps。當(dāng)載荷達(dá)到12KN時(shí)，同時(shí)停止試驗(yàn)機(jī)加載和相機(jī)圖像采集。
[0085]本實(shí)施例中在高溫條件下進(jìn)行接觸面積識(shí)別模塊流程與實(shí)施例一相同，圖7為高溫實(shí)驗(yàn)采集的圖像及對(duì)圖像進(jìn)行邊界識(shí)別后的接觸體輪廓，圖8為通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得的石墨接觸體連續(xù)加載過(guò)程中接觸半徑的變化結(jié)果。
[0086]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請(qǐng)所述的基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量方法及系統(tǒng)，該方法及系統(tǒng)具有非接觸、高精度、連續(xù)和可滿足高溫環(huán)境測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，可以自動(dòng)化的完成各種工況下接觸面積的測(cè)量，達(dá)到了如下效果:
[0087]本發(fā)明提供的基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量方法及系統(tǒng)，可以將測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)量物體隔絕開(kāi)來(lái)，這樣解決了高溫下無(wú)法測(cè)量接觸面積的問(wèn)題；本發(fā)明提供的基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量方法及系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)拍攝的測(cè)量方式，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了加載過(guò)程中的實(shí)時(shí)采集；本發(fā)明提供的基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量方法及系統(tǒng)，測(cè)量精度可達(dá)到亞像素級(jí)別。
[0088]上述說(shuō)明示出并描述了本申請(qǐng)的若干優(yōu)選實(shí)施例，但如前所述，應(yīng)當(dāng)理解本申請(qǐng)并非局限于本文所披露的形式，不應(yīng)看作是對(duì)其他實(shí)施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環(huán)境，并能夠在本文所述申請(qǐng)構(gòu)想范圍內(nèi)，通過(guò)上述教導(dǎo)或相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)或知識(shí)進(jìn)行改動(dòng)。而本領(lǐng)域人員所進(jìn)行的改動(dòng)和變化不脫離本申請(qǐng)的精神和范圍，則都應(yīng)在本申請(qǐng)所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 光源提供光線后，調(diào)整光線范圍并將光線散射，為接觸體提供均勻光場(chǎng)； 加載接觸體，形成接觸區(qū)域； 利用相機(jī)對(duì)處于均勻光場(chǎng)下受載的接觸體進(jìn)行拍攝，采集接觸部位圖像； 分析所述接觸部位圖像，進(jìn)行邊界識(shí)別，確定接觸寬度并計(jì)算出接觸體間的接觸面積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量方法，其特征在于，所述光源提供光線后，調(diào)整光線范圍并將光線散射，為接觸體提供均勻光場(chǎng)，進(jìn)一步為:所述光源提供光線后，利用移動(dòng)光圈調(diào)整照射范圍，利用白幕將光線散射，為接觸體提供均勻光場(chǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量方法，其特征在于，所述分析所述接觸部位圖像，進(jìn)行邊界識(shí)別，確定接觸寬度以及接觸體間的接觸面積，進(jìn)一步為: 當(dāng)接觸體為球體與立方體形成的接觸體時(shí)，接觸區(qū)域?yàn)閳A形，確定的接觸寬度為接觸區(qū)域的直徑山接觸面積等于X X ((1/2)2 ； 當(dāng)接觸體為圓柱體與立方體形成的接觸體時(shí)，接觸區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)方形，接觸面積等于確定的接觸寬度乘以圓柱體的長(zhǎng)度。
4.一種基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)與接觸體相配合，用于測(cè)量接觸體間的接觸面積，其特征在于，該系統(tǒng)包括:背光模塊、圖像采集模塊和接觸面積識(shí)別模塊，其中， 所述背光模塊，與所述接觸體相耦接，用于為所述接觸體提供均勻光場(chǎng)； 所述接觸體，分別與所述背光模塊和所述圖像采集模塊相耦接，用于在所述背光模塊的光場(chǎng)中形成接觸面積，并被所述圖像采集模塊采集到接觸部位圖像； 所述圖像采集模塊，分別與所述接觸體和所述接觸面積識(shí)別模塊相耦接，用于采集到接觸體的接觸部位圖像并發(fā)送至所述接觸面積識(shí)別模塊； 所述接觸面積識(shí)別模塊，與所述圖像采集模塊相耦接，用于接收所述圖像采集模塊發(fā)送的接觸部位圖像進(jìn)行邊界識(shí)別得到接觸寬度并計(jì)算出接觸體間的接觸面積。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述背光模塊，包括:光源、移動(dòng)光圈和白幕，其中， 所述光源，與所述移動(dòng)光圈相耦接，用于提供光線； 所述移動(dòng)光圈，分別與所述光源和所述白幕相耦接，用于調(diào)整所述光源的照射區(qū)域；所述白幕，分別與所述移動(dòng)光圈和所述接觸體相耦接，用于將所述光線進(jìn)行散射發(fā)送至所述接觸體，同時(shí)該白幕還用作白色背景。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像采集模塊中進(jìn)一步還設(shè)有相機(jī)，該相機(jī)分別與所述接觸體和所述接觸面積識(shí)別模塊相耦接，用于采集到接觸體的接觸部位圖像發(fā)送至所述接觸面積識(shí)別模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述接觸體，進(jìn)一步為圓柱體與立方體形成的接觸體；或進(jìn)一步為球體與立方體形成的接觸體。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于圖像測(cè)量技術(shù)的接觸面積測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，所述接觸體，進(jìn)一步為石墨圓柱與石墨方磚形成的接觸體；或進(jìn)一步為石墨球與石墨方磚形成的接觸體。
【文檔編號(hào)】G01B11/28GK104359429SQ201410743752
【公開(kāi)日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月8日
【發(fā)明者】馬沁巍, 劉賀同, 馬少鵬 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)