基于机器视觉的视频引伸计设计

李枝焱 李柏炎 张龙旭 许为鑫 刘洪席 张丙震

【摘 要】引伸计是在某种条件下、测定金属材料、非金属材料性能的机械仪器，可以对材料进行拉伸试验。引伸计在研究探索新材料过程中，是必不可少的测试仪器。本文首先阐述了国内外视觉引伸计的发展现状，介绍了视觉引伸计特性，然后确定引伸计的传动方案、加载方案和动力方案，最后选择合适的处理器及相机，搭建好图像采集，信号传输等的系统。使用视觉引伸计对材料应变进行测量，简化了拉伸实验的操作，提高对材料力学性能检测的效率。

【关键词】材料性能测定;视觉引伸计;图像采集;信号传输

一、背景介绍

在材料力学实验中，往往需要对材料的力学性能进行测定，这时就需要用到引伸计。引伸计主要用来对金属材料、非金属材料、机械零件等进行实验测量，得到材料在各种条件下的力学性能参数。在引伸计对材料进行试验时，材料所表现出各种力学性能现象参数的过程会被记录下来，然后计算出材料的参数并根据测试标准来衡量材料试件的性能否合格。因此引伸计本身的试验性能也是一个关键，只有引伸计本身的试验性能良好，测出的力学性能才足够的准确[1]。

在实际材料性能测试中经常会一些特殊试样进行检测，如小尺寸试件，复杂成形件。在材料连续形变的实验中，往往需要根据应变来控制试件的加载方式。这就需要应变检测装置对材料应变实时检测并反馈给控制系统。这些需求都是机械引伸计无法满足的，本文开发了一种基于视觉反馈的材料应变检测装置，可快速对材料变形位置进行检测，并输出电压信号方便与实验设备进行通讯。

二、国内外研究现状

近来我国关于视觉引伸计的开发较大进步。北京浩普中兴公司研制出HPSP-V动态视频引伸计可动态实时测量应变、位移、泊松比等，其采集数据频率可达20HZ，位移分辨率为10um，检测距离最大800mm，支持点模式、线模式。济南大学曹若兰设计了直线、圆形、双直线型三类识别标准相关算法的非接触式视觉引伸计，在拉伸试验过程中对标志点识别提取并进行亚像素差值细分，使得测量精度能够达到亚微米级别[3]。

国外技术发展更为成熟。具有代表性的是英国英斯特朗引入机器视觉的技术应用到材料的应变测量中，为该试验机研发了AVE2.0视觉引伸计。该引伸计具有专用的LED照明方案，降低的环境自然光線的影响，通过AVE2.0对试件的应变进行测量，取代接触式引伸计，其测量精度达到ISO 9513标准0.5级要求，测量范围最大可以达到670mm，采样速度最大可达490HZ[3]。

虽然目前市场的视觉引伸计发展较为成熟，但依然存在传感器价格昂贵，操作复杂，对硬件要求高，反馈速度慢，模拟信号输出有限，量程较低等问题。

三、视觉引伸计硬件设计

（一）视觉引伸计工作原理

视觉引伸计主要由外触发CMOS相机完成图像采集，以友善公司Tiny4412核心板来完成图像处理与信号传输。视觉引伸计模拟机械引伸计的0-5V输出，与PC通讯。将材料固定在拉力机两端准备进行试验后，打开相机调节好焦距、曝光、帧率等参数后即可开始拉伸试验。

（二）图像采集系统设计

图像采集系统工作流程是在连接好相机等待拉伸试验开始后，通过硬件外触发方式发送信号到Tiny4412，Tiny4412通过外部中断收到开始信号后控制相机对试件进行拍照采集，设定拍照时间间隔为10ms，并且将照片以当前时间为名称命名直接存储在SD卡和EMMC设备中等待后续进行处理。

图像处理流程是首先进行图像灰度化，用高斯滤波对的得到的灰度图像进行处理，减少噪音，然后转换为二值图像减少后续处理的工作量。以第一次所拍摄图像作为基准，后面每次拍摄的图片与第一张图片处理的方式相同，并与第一张图片进行合并，通过findCounter函数获取图片的轮廓信息，找出最大和次大的轮廓作为视觉引伸计的位移量，算出两个轮廓的质心坐标并且算出距离 [4～5]。

四、结论

本文主要对视觉引伸计硬件组成和图像处理流程进行介绍。视觉引伸计的图像采集系统选择UBS300C相机采集图像，然后将数据传输到处理器Tiny4412上进行存储，并使用OpenCV进行图像处理，计算出试件的拉伸量将像素距离转换成实际距离，最终将数据通过DAC8554转换成模拟信号或者直接通过网络传输给上位机，上位机最终根据拉力与材料形变计算出材料应变、位移、泊松比等信息。所设计视觉引伸计具有成本低，使用灵活，处理速度快等优点。

【参考文献】

[1]王永红，王欢庆，吴双乐，赵琪涵，孙方圆.基于机器视觉的材料力学性能全场测量方法[J].测控技术，2020，39（08）：35-46.

[2]骆佩文，陈从桂，雷臻宇，周聪，陈磊.视觉引伸计动态测量系统设计[J].机电工程技术，2019，48（09）：190-192+256.

[3]张立见，田秋红，谢森栋，陈本永.基于无标定视觉伺服的激光标记自动跟踪视频引伸计控制系统设计[J].浙江理工大学学报，2014，31（05）：292-296.

[4]任彬，张中然，张无极，冯彪，高翔，王洪旭，高松，方辉.基于视觉识别的点胶用直角坐标机械手[J].机械工程与自动化，2018（05）：168-170.

[5]张中然，焦波，孙志勇，丁明娜.一般光照条件下铝塑泡罩药品包装检测系统[J].哈尔滨理工大学学报，2017，22（05）：65-69+75.