CN109751955A - 非接触式物***移测量装置及使用其的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非接触式物***移测量装置及使用其的测量方法，该非接触物***移测量装置包括：标准量块，标准量块用于提供高温环境下的标准长度，高温环境为温度值大于或等于500℃的温度环境；光学***和相机，光学***用于将目标物体和标准量块成像在相机的探测器上，相机用于采集目标物体和标准量块的图像并将采集到的目标物体和标准量块的图像输出至图像处理与控制单元；图像处理与控制单元，图像处理与控制单元用于根据标准量块提供的标准长度和目标物体的图像计算获取目标物体在高温环境下的形变位移量。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中在进行高温物***移测量时标定复杂的技术问题。

Description

非接触式物***移测量装置及使用其的测量方法

技术领域

本发明涉及位移测量技术领域，尤其涉及一种非接触式物***移测量装置及使用其的测量方法。

背景技术

随着热力工程技术的发展，越来越多的高温设备被应用到工业生产领域当中，其中热动力机械几乎是热力工程中不可缺少的部分，热动力机械在运动过程中的稳定性是其寿命的关键参数，在研制与试验过程中需要对热动力机械设备做在线监测，在高温状态下，高温部件的运动位移量很难直接用长度测量工具进行接触测量，因此需要采用非接触的方式进行位移测量。

非接触测量方法中，基于图像的方法已经实现了高温物***移的测量，但现有方法的标定过程是固定的，当被测物体发生离面位移后，就需要重新标定，且需要避开高温区进行标定，操作过程较麻烦。

发明内容

本发明提供了一种非接触式物***移测量装置及使用其的测量方法，能够解决现有技术中在进行高温物***移测量时标定复杂的技术问题。

根据本发明的一方面，提供了一种非接触式物***移测量装置，该非接触物***移测量装置包括：标准量块，标准量块用于提供高温环境下的标准长度，高温环境为温度值大于或等于500℃的温度环境；光学***和相机，光学***用于将目标物体和标准量块成像在相机的探测器上，相机用于采集目标物体和标准量块的图像并将采集到的目标物体和标准量块的图像输出至图像处理与控制单元；图像处理与控制单元，图像处理与控制单元用于根据标准量块提供的标准长度和目标物体的图像计算获取目标物体在高温环境下的形变位移量。

进一步地，标准量块通过固定夹具与目标物体相固定，目标物体的被测平面在高温环境下与标准量块的端面始终处于同一平面。

进一步地，标准量块的材质包括氧化锆或殷钢。

进一步地，光学***包括至少一个光能衰减片，至少一个光能衰减片用于降低进入相机的光能量以使目标物体清晰成像在相机的探测器上。

进一步地，光学***还包括调节镜筒、光圈和透镜，光能衰减片、光圈和透镜设置在调节镜筒内。

根据本发明的另一方面，提供了一种使用非接触式物***移测量装置的位移测量方法，非接触式物***移测量装置为如上所述的非接触式物***移测量装置。

进一步地，位移测量方法包括：将标准量块与目标物体相固定，标准量块与目标物体的被测面位于同一平面内；通过光学***以将目标物体和标准量块成像在相机的探测器上；相机采集目标物体和标准量块的图像并将采集到的目标物体和标准量块的图像输出至图像处理与控制单元；图像处理与控制单元根据标准量块提供的标准长度和目标物体的图像获取目标物体在高温环境下的形变位移量。

进一步地，图像处理与控制单元根据标准量块提供的标准长度和目标物体的图像获取目标物体在高温环境下的形变位移量具体包括：图像处理与控制单元根据标准量块的图像和标准长度获取图像的实际长度与像素数目的比值；图像处理与控制单元计算获取表示目标物体的形变位移量的像素数目、像素灰度值和相关模量；根据图像的实际长度与像素数目的比值以及像素数目、像素灰度值和相关模量以获取目标物体的形变位移量。

应用本发明的技术方案，通过标准量块能够实现在高温环境条件下对采集图像的相机进行实时在线标定，解决了高温物***移非接触测量过程中无法实时标定的问题，降低了标定难度，提高了非接触测量的效率。标定完成后，图像处理与控制单元对采集的数字图像进行计算处理，并实时输出目标物体的形变位移量，此种方式简单、方便，极大地提高了物***移的测量效率。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的非接触式物***移测量装置的简化结构示意框图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的光学***的结构示意图；

图3示出了根据本发明的具体实施例提供的目标物体与标准量块装配时的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、标准量块；20、光学***；21、光能衰减片；22、调节镜筒；23、光圈；24、透镜；30、相机；40、图像处理与控制单元；50、目标物体；60、固定夹具；70、基座。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种非接触式的物***移测量装置，该非接触物***移测量装置包括标准量块10、光学***20、相机30和图像处理与控制单元40，其中，标准量块10用于提供高温环境下的标准长度，高温环境为温度值大于或等于500℃的温度环境，光学***20用于将目标物体和标准量块10成像在相机30的探测器上，相机30用于采集目标物体50和标准量块10的图像并将采集到的目标物体50和标准量块10的图像输出至图像处理与控制单元40，图像处理与控制单元40用于根据标准量块10提供的标准长度和目标物体的图像计算获取目标物体在高温环境下的形变位移量。

应用此种配置方式，图像处理与控制单元40自动捕捉标准量块10的图像，由于标准量块10能够提供高温环境下的标准长度，且标准量块在高温环境下的膨胀量可以忽略不计，因此标准量块10作为长度标准在图像上作为标尺，图像处理与控制单元40使用标准量块10在图像中的长度来标定相机采集的图像，并记录保存以作为计算像素长度的依据，由此通过标准量块10实现在高温环境条件下对采集图像的相机进行实时在线标定，解决了高温物***移非接触测量过程中无法实时标定的问题，降低了标定难度，提高了非接触测量的效率。标定完成后，图像处理与控制单元40对采集的数字图像进行计算处理，并实时输出目标物体50的形变位移量，此种方式简单、方便，极大地提高了位移测量效率。

进一步地，在本发明中，如图3所示，为了保证目标物***移的测量精度，可将标准量块10通过固定夹具60与目标物体50相固定，目标物体50的被测平面在高温环境下与标准量块10的端面始终处于同一平面。

作为本发明的一个具体实施例，固定夹具60由高温材料制成，固定夹具60的一端固定标准量块10，另一端嵌入目标物体50的基座70，以保证被测平面与标准量块10的端面处于同一平面，当高温目标物体发生离面位移时，标准量块10也发生相应的位移，从而使得目标物体50的被测平面在高温环境下与标准量块10的端面始终处于同一平面。

在本发明中，为了保证标准量块在高温环境下基本不发生膨胀从而用于提供高温环境下的标准长度，可将标准量块10的材质配置为包括氧化锆或殷钢。高温标准量块是一类耐高温材料制备成的标准量块，标准量块10的尺寸遵循国家量块标准，量块材料首选氧化锆，其次选殷钢，也可以选择此两者之外的材料，在大于1600℃的高温环境中，标准量块的材料的热膨胀系数的数量级保证在10^-6量级。

此外，本发明的相机30为可见光相机，相机的像素分辨率不小于1024*768，该相机30具备外部控制功能，该外部控制功能是一种相机附带功能，表现为硬件结构和软件驱动程序相配合。通过外部控制，可以实现相机的拍摄时间、曝光时间、帧频等参数的控制。

进一步地，在本发明中，如果进入相机的光能量过高，会导致相机所采集的图像的对比度下降，其次会饱和部分区域，使得相机所采集的图像无法辨别。如果能量过高，则会损坏相机探测器，因此，在进行目标物体的位移测量时，需要将光能量调整到相机所允许的线性动态范围内。基于此，为了保证被测目标在相机的探测器上呈现清晰的图像，可将光学***20包括至少一个光能衰减片21，至少一个光能衰减片21用于降低进入相机30的光能量以使目标物体清晰成像在相机30的探测器上。其中，作为本发明的一个具体实施例，光学***20包括多个光能衰减片21，当被测目标物体处于不同温度范围时，选用相应的光能衰减片，以保证被测目标在相机的探测器上呈现清晰的图像。

作为本发明的一个具体实施例，例如，当目标物体50处于1000℃至2000℃的温度范围内时，可采用衰减倍率为X％的光能衰减片，使其曝光强度落在相机的动态范围；当目标物体50处于2000℃至3000℃的温度范围内时，可采用衰减倍率为Y％的光能衰减片，使其曝光强度落在相机的动态范围内。光能衰减片21的衰减倍率根据相机参数不同而变化，其中，相机30的动态范围是可调的，光源强度是多变的，光学***20的光圈23是可调的，相机30的曝光时间也是可调的，在进行光能衰减片21的选择时，只要能够保证目标物体50的被测面在相机探测器上能够呈现清晰的图像即可。

在本发明中，如图2所示，光学***20还包括调节镜筒22、光圈23和透镜24，光能衰减片21、光圈23和透镜24设置在调节镜筒22内。其中，调节镜筒22能够调节透镜24距离相机探测器的距离，从而能够调节光学***20的放大倍数。在调节镜筒22上设置有光圈调节机构，通过光圈调节机构能够改变光圈打开大小，从而控制进入相机30内的光线量。其中，光学***20与相机30的空间分辨率相匹配，光学***衍射产生的一级衍射斑的直径小于相机探测器单个像素的物理尺寸。

作为本发明的一个具体实施例，可采用计算机及应用软件作为图像处理与控制单元40。该应用软件为专用的数据处理软件，其包含了动态标定功能，当被测目标物体发生移动时，软件自动重新标定，标定完成后，即时就可以对采集的数字图像进行计算处理，并实时输出物体的位移结果。

当使用本发明的装置进行目标物体的位移测量时，目标物体50和标准量块10同时进入相机30的视场，光学***20配置相应的光能衰减片21，可以适当的降低进入相机30的光能量，光学***20的放大倍率可调，通过调节光学***20的放大倍率以及光圈23可以将不同温度目标清晰成像在相机探测器上，相机30用于采集并输出高温目标物体以及高温标准量块所成的数字图像，相机30与计算机及应用软件电连接，计算机及应用软件用于控制相机30完成数字图像采集并处理数字图像，并显示计算的结果。

根据本发明的另一方面，提供了一种使用非接触式物***移测量装置的位移测量方法，该非接触式物***移测量装置为如上所述的非接触式物***移测量装置。本发明的位移测量方法包括：将标准量块10与目标物体50相固定，标准量块10与目标物体的被测面位于同一平面内；通过光学***20以将目标物体和标准量块10成像在相机30的探测器上；相机30采集目标物体和标准量块10的图像并将采集到的目标物体和标准量块10的图像输出至图像处理与控制单元40；图像处理与控制单元40根据标准量块10提供的标准长度和目标物体的图像获取目标物体在高温环境下的形变位移量。

应用本发明的位移测量方法，通过高温标准量块10实现高温环境中图像的实时标定，解决了传统标定板在高温环境中无法使用的问题，使得非接触测量高温目标物体的***的测量效率可以大幅度提升。

进一步地，在本发明中，图像处理与控制单元40根据标准量块10提供的标准长度和目标物体的图像获取目标物体在高温环境下的形变位移量具体包括：图像处理与控制单元40根据标准量块10的图像和标准长度获取图像的像素数目与实际长度的比值；图像处理与控制单元40计算获取表示目标物体的形变位移量的像素数目、像素灰度值和相关模量；根据图像的像素数目与实际长度的比值以及像素数目、像素灰度值和相关模量以获取目标物体的形变位移量。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图3对使用本发明的非接触式物***移测量装置的方法进行详细说明。

作为本发明的一个具体实施例，可采用计算机及应用软件作为图像处理与控制单元40。在测量过程中，当目标物体发生离面位移后，在应用软件上会显示模糊的图像，应用软件自动提示***调整参数，通过人工或者自动调整光学***20以使得物平面前后移动，直至在相机探测器上能够呈现清晰的图像为止。

此时，相机30采集目标物体50和标准量块10的图像并将采集到的目标物体50和标准量块10的图像输出至计算机及应用软件，应用软件自动捕捉高温标准量块的图像，因高温标准量块在高温环境下的膨胀量可以忽略不计，所以高温标准量块作为长度标准在图像上作为标尺，应用软件使用标准量块10在图像中的长度来标定相机30的图像，并记录保存，以作为计算像素长度的依据，如此，完成自动重新标定。例如，在相机图像中，标准量块10的图像的像素数目是100个，标准量块10的实际长度是10mm，则图像实际长度与像素数目的比例就是1mm：10个，该比例值可作为计算像素长度的依据。

当高温目标物体本身因温度变化而发生膨胀时，其局部区域就会发生相应的变形，表现在相机30上就是相机30所采集到的图像会发生不规则的位移。针对目标物体不同的子区域，其膨胀的长度可能会有较大区别，那么实际的形变量在相机图像上所体现的是其覆盖像素的范围的变换。其中，像素数目可以直接测量获得，像素灰度值可以通过相机直接获取，相关模量通过计算可以获取。在进行形变位移量的计算时，首先选取两幅图像，在该两幅图像上分别各取一个区域，在第一副图像上取一个区域A，在第二副图像上取一个区域B，A区域和B区域的形状、大小以及像素数目均相同，但是A区域和B区域中的灰度值不同，通过两个区域的像素数目及像素灰度值计算得出A和B两个区域的相关模量，依此类推，获取一系列的相关模量，并根据一系列的相关模量结合当前图像的实际长度与像素数目的比值计算获得目标物体的形变位移量。

其中，针对平行移动可以直接由线性比例关系计算出物体的形变位移量。当物体发生整体面内位移，那么应用软件可以捕捉整体特征在视场内的偏移像素数，同样可以计算出物体的偏移量。由此即完成了物***移量的测量。

综上所述，本发明的非接触式物***移测量方法相对于现有技术而言，通过使用标准量块能够实现在高温环境条件下对采集图像的相机进行实时在线标定，解决了高温物***移非接触测量过程中无法实时标定的问题，降低了标定难度，提高了非接触测量的效率。标定完成后，图像处理与控制单元对采集的数字图像进行计算处理，并实时输出目标物体的形变位移量，此种方式简单、方便，极大地提高了目标物体的位移测量效率。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种非接触式物***移测量装置，其特征在于，所述非接触物***移测量装置包括：

标准量块(10)，所述标准量块(10)用于提供高温环境下的标准长度，所述高温环境为温度值大于或等于500℃的温度环境；

光学***(20)和相机(30)，所述光学***(20)用于将目标物体和所述标准量块(10)成像在相机(30)的探测器上，所述相机(30)用于采集所述目标物体和所述标准量块(10)的图像并将采集到的所述目标物体和所述标准量块(10)的图像输出至图像处理与控制单元(40)；

图像处理与控制单元(40)，所述图像处理与控制单元(40)用于根据所述标准量块(10)提供的标准长度和所述目标物体的图像计算获取所述目标物体在所述高温环境下的形变位移量。

2.根据权利要求1所述的非接触式物***移测量装置，其特征在于，所述标准量块(10)通过固定夹具与所述目标物体相固定，所述目标物体的被测平面在所述高温环境下与所述标准量块(10)的端面始终处于同一平面。

3.根据权利要求1所述的非接触式物***移测量装置，其特征在于，所述标准量块(10)的材质包括氧化锆或殷钢。

4.根据权利要求1所述的非接触式物***移测量装置，其特征在于，所述光学***(20)包括至少一个光能衰减片(21)，至少一个所述光能衰减片(21)用于降低进入所述相机(30)的光能量以使所述目标物体清晰成像在所述相机(30)的探测器上。

5.根据权利要求4所述的非接触式物***移测量装置，其特征在于，所述光学***(20)还包括调节镜筒(22)、光圈(23)和透镜(24)，所述光能衰减片(21)、所述光圈(23)和所述透镜(24)设置在所述调节镜筒(22)内。

6.一种使用非接触式物***移测量装置的位移测量方法，其特征在于，所述非接触式物***移测量装置为权利要求1至5中任一项所述的非接触式物***移测量装置。

7.根据权利要求6所述的位移测量方法，其特征在于，所述位移测量方法包括：

将标准量块(10)与目标物体相固定，所述标准量块(10)与所述目标物体的被测面位于同一平面内；

通过光学***(20)以将所述目标物体和所述标准量块(10)成像在相机(30)的探测器上；

所述相机(30)采集所述目标物体和所述标准量块(10)的图像并将采集到的所述目标物体和所述标准量块(10)的图像输出至图像处理与控制单元(40)；

所述图像处理与控制单元(40)根据所述标准量块(10)提供的标准长度和所述目标物体的图像获取所述目标物体在所述高温环境下的形变位移量。

8.根据权利要求7所述的位移测量方法，其特征在于，所述图像处理与控制单元(40)根据所述标准量块(10)提供的标准长度和所述目标物体的图像获取所述目标物体在所述高温环境下的形变位移量具体包括：

所述图像处理与控制单元(40)根据所述标准量块(10)的图像和标准长度获取图像的实际长度与像素数目的比值；

所述图像处理与控制单元(40)计算获取表示所述目标物体的形变位移量的像素数目、像素灰度值和相关模量；

根据图像的实际长度与像素数目的比值以及像素数目、像素灰度值和相关模量以获取所述目标物体的形变位移量。