英国Imetrum公司,2003年从英国布里斯托大学分出,成立独立的公司。公司15年致力于非接触式视频精确测量领域的研究和开发工作,使其成为这一领域的佼佼者。非接触式应变位移视频测量仪于2007年投入市场,以其非接触式、实时监测和高精度等优势,很快被广泛应用于各大院校、科学研究所和企事业单位,在国防和军工单位也有大量的客户。
比如:NPL(英国国家物理实验室)
AWE(英国原子武器研究所)
MBDA(欧洲导弹集团)
Airbus(欧洲空中客车公司)
Rolls Royce(劳斯莱斯)
ThyssenKrupp(蒂森克虏伯)
采用高分辨数字工业摄像机,并选用合适的镜头,视频测量仪器可以对小到1mm、大到超过100m的被测物进行测量。
此仪器采用亚像素技术。亚像素技术,是一种图像计算方法,一般情况下,图像的最小单位是像素,即是说,图像是有一系列的像素点组成。但是,利用这种亚像素技术,可以将一个像素再进行细分,认为一个像素是有多个亚像素组成。比如:通过一种计算方法,可以把一个像素细分成10个亚像素,这样的话,可以识别的最小单位由原来的一个像素,变成1/10个像素,那么测量精度也就提高了10倍。此仪器在测量小试样的时候,可分辨1/500个像素。
视频测量仪器利用英国Imetrum公司专利的图像计算方法,利用亚像素技术,可精确测量摄像机图像上目标点的位置。不需要设定专门的目标点。比如以下特征点都可以用做测量的目标点。
l 自然的纹理(比如:建筑物的表面特征)
l 标记笔做的标记
l 喷漆产生的斑点
在Imetrum视频分析软件中,用户可以任意指定一系列的目标点,系统将准确跟踪视频中这些目标点的位置,从而达到测量应变和位移的目的。
准确跟踪视频中指定的目标点的位置,一个目标点相当于一个位移传感器,两个目标点相当于一个应变传感器。
2 可实时精确测量二维参数:
• 位移 应变
• 距离 角位移
• 速度 加速度
• 泊松比
• 应力/应变曲线、模数(需要另外提供载荷信号)
2 可实时测量多个目标点,目标点的最大数量取决于所用计算机的性能。
2 可同步测量多个参数;比如:同时测量位移、变形、泊松比等等。
2 可拍摄实验过程,后期对录像进行再分析。
非接触式应变位移测量仪与传统的传感器相比,在保证测量精度高(应变精度5个微应变,位移精度0.05微米)的情况下,可以进行:
非接触式测量 动态实时测量 同步多点测量 同步测量多个参数 |
此仪器可以解决接触式传感器普遍遇到的一些问题。比如:小试样、大变形、表面光滑等等。具体区别见下表:
非接触式应变位移测量仪 | 传统传感器(如:引伸计、应变片等) | ||
性能 | 可能遇到的问题 | ||
工作方式 | 非接触式 | 接触式 | 打滑(特别是在疲劳试验时) 无法固定在试样上 试样断裂可能损坏传感器 |
测量对象 | 所有材质的试样; 试样尺寸范围广 | 常规尺寸的材料 | 特殊材料无法测量 小试样无法测量 大试样需要贴大量应变片 |
测量量程 | 任意设定标距: 从几个毫米,到几米均可 | 容易超出量程 | |
测量环境 | 宽泛:高温、潮湿、高速等 | 常规条件 | |
测量方向 | 平面内任意方向 多点同时测量 | 单一方向 | 测量不同方向需要更多的应变片 |
可测参数 | 位移、应变、泊松比等等 | 一种传感器实现一种功能 |
非接触式应变位移测量仪,可以解决接触式传感器存在的以上问题。
非接触式应变位移测量仪可以动态实时测量应变、位移、泊松比等等。广泛应用于:材料测试领域、结构检测领域、组合件测量领域。
在材料领域里,主要是用于测量小试样的变形。广泛应用于各种力学试验机上,作为一种非接触式的多点式引伸计进行使用。
这时采用材料测试专用镜头,非接触式应变位移测量仪的测量精度为:
应变:5个微应变
位移:0.05微米
测量误差:
在拉伸机上,测量铝制试样的变形。
与传统的应变片相比,误差在0.5%。同时测量了泊松比为0.33, 铝的标准值。具有英国皇家认可委员会认证书。
l 各种材料的力学测试(可与试验机相连)。
比如:金属、塑料、橡胶、复合材料、高分子材料、混凝土、皮革、光纤、薄膜、木材、岩土、生物材料等等
l 可调整标距
l 可实现测量信号的反馈控制
比如:与疲劳试验机相连,实现应变信号的反馈控制。
l 特殊条件下的测量:
高温测量:800度以上时,可能需要滤光片
高速冲击、高频振动:需要高速摄像机
损伤和破坏性实验:
疲劳试验、测泊松比、裂纹的繁衍 等等
非接触式应变位移测量仪能够与试验机结合使用,可测量:
应力-应变曲线 弹性模量 泊松比等等。
视频测量仪利用一个数字/模拟输入/输出模块,可以将测量数据以数字或者模拟信号的方式实时输出,以供其它设备使用。从而能够与大多数力学实验机结合使用
优势:
• 标距可调;
标距可以小于1毫米。因此可以测量小尺寸试样。
• 非接触式;
因为采用非接触的方式进行测量,所以,安装方便,并且不会在被测物上附加任何重量,可以测量柔软的材料。
优势:
n 这种材料很难使用引伸计或者应变片进行测量。
n 视频测量仪可以同时测量多个部位的应变。如上图,测量4个部位的变形。
优势:
2 视频测量仪不会出现打滑现象;传统的引伸计容易出现打滑
2 视频测量仪可长时间的工作;传统的应变片无法长时间工作
2 视频测量仪可实现测量信号的反馈控制。
测量高温试验,需要在加热炉上开观察窗,视频测量仪通过观察窗进行测量。
说明:
从上图中可以看到,在1000度的情况下,视频测量仪仍然可以捕捉到清晰的图像,即,视频测量仪可以完成测量工作。
非接触式应变位移测量仪与高速摄像机相结合,可用于研究断裂瞬间试样变形、高速冲击碰撞瞬间变形。
非接触式视频测量仪的分析软件,可以对高速摄像机拍摄的非压缩avi格式的视频进行测量,可很容易得到实验过程中的应变和位移。
下图6显示的数据来自于一个碳纤维布料在大约每秒400%的变形速度下的测试实验。此实验利用25000帧/秒的高速摄像机采集图像。
图6 与高速摄像机结合,测量变形
说明:目前,测量瞬态力学是一个难题,因为需要超高的采集频率。普通的采集设备很难达到这么高的采集频率。视频测量仪为您提供了一种新的测量方法。
说明:上图中红色框即为被测点,同时测量7个点,可以测量每个点的水平和垂直方向的位移。
说明:利用视频测量测量两个被测点(上图中两个红色框)的应变。
说明:动态测量图中4个被测点的位移。
非接触式视频测量仪与显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、扫描探针显微镜(SPM)相结合,可以实现纳米测量。
通过采集这类显微镜下的图像,结合视频分析软件,可以对这些微观图像进行测量分析。从而达到测量变形的目的。
利用非接触式应变位移测量仪,可以测量几米甚至上百米的结构件的变形和位移。具有一下优势:
非接触式 测量精度高 多角度多点同步动态测量 |
可同时连接8台摄像机,即可同时对8个面进行测量。
l 24小时监测
可以实现测量数据的长距离光纤传输或者无线传输。
l 不定期监测
可保证每次测量数据的连贯性。
l 动态挠度
l 位移、应变
l 速度、加速度、弯曲度
非接触式应变位移测量仪的测量精度和摄像机采集的视场大小有关,位移分辨率为视场大小的十万分之一,最高可达到二十万分之一。比如:
采用焦距为50mm的镜头(镜头可根据实际需求,进行调配),则测量精度为:
物距/米 (摄像机到被测物距离) | 位移测量精度 (毫米) |
1m | 0.0012mm |
10m | 0.012mm |
100m | 0.12mm |
1000m | 1.2mm |
l 风洞试验 振动台
l 桥梁、建筑、钢结构、井架
l 航空航天
l 堤坝、烟囱、电站
在航空航天领域、土木结构领域,需要研究空气动力学、建筑桥梁抗风性能,这些都需要做风洞试验,以便在模拟的气流条件下,测量飞行器的飞行能力;或者建筑、桥梁等的抗风能力。
为了减轻对风洞中气流的影响,采用非接触式的测量仪是最好的选择。
非接触式应变位移测量仪可以在风洞外,透过透明的玻璃,对风洞内的被测物进行测量。
采用多个摄像机,可实现多角度,多点同步测量。
在测量钢结构、桥梁、建筑的时候,无需在被测物体上做标记点,因为这些大型结构表面的天然纹理就可以当做标记点。
测量距离:目测在1公里以上。
测量过程:塔吊所吊重物的下降过程,即被测点4的下降过程。
利用视频测量仪可以非常方便的测量桥梁上各个点的动态挠度。
(a) 安装省时、简单(安装少于30分钟)
非接触式应变位移测量仪是属于便携式测量仪,非常方便携带及安装。
(b) 同步测量上百个点
目前,市场上有其它类型的非接触式的测量仪,但是,能够同时测量多个被测点的测量仪却非常少。
(c) 可测量X、Y两个方向上的参数
视频测量仪可以测量二维平面上任何方向上的参数。
(d) 无需做标记点
此仪器采用图像散斑识别技术跟踪被测点,在进行结构监测时,一般被测物表面存在灰度不均匀的纹理,这些天然的纹理就可以作为被测目标点,而无需再贴任何标记。当然,也可以贴标记点作为被测点。
(e) 测量精度高
被测距离100米的时候,测量精度可达到0.12毫米。
(f) 测量数据处理简单
非接触式应变位移测量仪测量得到的结果,可以以文本格式存储,可利用Excel、Original等软件进行作图或处理。
(g)可对拍摄的录像,进行后续处理,使您能够对被测物进行更为详细的分析。
5.1. 设备工作环境
电源:交流电220V 50Hz
操作系统:Windows2000/XP
5.2. 工作方式
非接触式
5.3. 测量精度
测量位移和应变的精度取决于:摄像机的有效像素和视场的大小。
• 大型结构测试的分辨率(采用高分辨镜头):1/100至1/200个像素
位移分辨率:10微米(以1米的视场为例)
应变分辨率:20个微应变
• 材料测试的分辨率(用特制的材料测试专用镜头,25mm的视场):1/500个像素
位移分辨率:0.05微米
应变分辨率:5个微应变
5.4. 测量准确性
仪器测量的准确性分为位移和应变两个方面。
1.位移的准确性
在测量位移方面,视频测量仪器与一个已校准的千分表相对比,两个设备的测量结果误差在1%。此实验有空客公司独立操作。
2.应变的准确性
在测量应变方面,视频测量仪器与一个已校准的应变片相对比,两个设备的测量结果误差在0.5%。
5.5. 采样频率
设备的采样频率取决于摄像机的拍摄频率,可根据实际需求进行调整。
标准配置设备的采样频率为15Hz。
5.6. 测量数据处理
- 测量结果可以通过数模转换模块,与拉伸机相连。
- 可以文本方式记录测试结果,便宜导入Excel,进行分析。
- 可以以数据曲线的方式,实时显示测量结果。
- 测量结果,数据简单,部分参数的测量,无需进行标定。
5.7. 可扩展性
- 系统支持8个视频通道的输入,即可同时连接8台摄像机。
- 支持的摄像机端口:USB2.0以上接口或者Fireware接口
5.8. 与其他设备结合使用
USB数字&模拟 输入&输出模块:利用此模块,可以将外部其他设备的测量信号输入进来,也可以将此设备的测量结果以数字或者模拟信号的方式,输出给其他设备,以供外部设备使用。
利用此模块可以与拉伸机或MTS机结合使用。
5.9. 软件分析功能
(a)实时动态分析
实时同步测量多个参数。比如:同步测量不同点的位移和应变。
(b)后处理功能
利用设备的分析软件,可以对任何非压缩式AVI格式的视频文件,进行分析处理。
整套设备包括:
• 英国Imetrum视频分析软件
• 视频采集部分
• 其他配件
以下是主要设备的技术参数:
1) 专用CCD部件
性能指标:
- 成像设备:1/2’’黑白 逐行扫描 CCD
- 有效成像:1280×960像素
- 像素尺寸:4.65mm×4.65mm像素大小
- 帧率:每秒钟15,7.5,3.75,或者1.875帧。
- 曝光时间:快门速度1/10000s到17.5s
- 触发输入:TTL,>10ms脉冲时间
- 1394a Fireware接口连接电脑
2) 镜头
整套设备将配备高分辨镜头和材料测试专用镜头。
高分辨镜头:主要应用于测试大型结构或者组合件。
高分辨镜头 | ||||||||||
焦距 (mm) | 最小物距 (mm) | 最大物距 (mm) | 最小物距 | 1m物距 | ||||||
视场 (mm) | 位移分辨率 (μm) | 应变分辨率 (με) | 测量长度(mm) | 视场 (mm) | 位移分辨率 (μm) | 应变分辨率 (με) | 测量长度 (mm) | |||
25 | 148.3 | ∞ | 35.3 | 0.35 | 20 | 9-26 | 238 | 2.4 | 20 | 60-179 |
50 | 191.8 | ∞ | 22.8 | 0.23 | 20 | 6-17 | 119 | 1.2 | 20 | 30-89 |
材料测试专用镜头:专门应用于材料实验,它比高分辨镜头提供更高的分辨率和测量精度。
材料测试专用镜头 | |||||
物距 (mm) | 视场(mm) | 最小测量长度 (mm) | 最大测量长度 (mm) | 最大异面距离 (mm) | 应变分辨率 (με) |
543 | 25 | 6 | 19 | 5 | 5 |
3) USB数字&模拟 输入&输出
此设备提供数字和模拟信号的输入和输出
模拟输入:通道:16单/8双
分辨率:16位
电压范围:+/-0.2V到+/-10V
模拟输出:通道:2
分辨率:16位
电压范围:+/-10V
数字输入:通道:4
逻辑电平:TTL
数字输出:通道:4
逻辑电平:TTL
1年
是
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