一种钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置及其的检测方法
一种钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置及其的检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于压力装置对混凝土柱的动态力学试验时的实时监测与预测领域，特别 涉及一种钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置及检测方法。
【背景技术】
[0002] 混凝土是使用最为广泛的建筑材料，而因地震、城市建设改造产生了大量的废弃 建筑垃圾。为了提高再生资源利用和抗震性，把再生混凝土与普通混凝土混合放入型钢(例 如：圆钢、方钢）内，形成钢-再生混凝土柱这种新型装配式组合件，提高其综合力学性能。 人们采用压力装备对这种新型组合件进行静态和动态力学试验，采用压力传感器记录其变 形情况，试验直到试件发生鼓曲和裂纹，通过压力传感器检测可以得到压力与时间的函数 关系。但是很难知道鼓曲和裂纹什么时间开始发生，到什么时间的变形程度和变形的大小， 也就是压力量与时间量的函数关系无法确定。而在实际柱梁受动态力或者地震时，如果柱 产生了一个小的变形或裂纹，也能通过科学的方法测量获得时间量-变形量的关系，特别 在大地震时，如果能获得1分钟时间与柱断裂的函数关系，也可以通过科学预警，就可尽最 大能力减少不必要的人和物的损伤，这样是意义重大的。这对组合件极限受力时，变形、裂 纹实时检测技术和装置提出了很高的要求。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种钢-混凝土组合件受力变形的实时 检测装置，本发明的检测装置可实时精确得到试件受压过程中鼓曲和裂纹情况。
[0004] 本发明的另一目的在于提供一种钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置的 检测方法。本发明检测方法操作简单，方便实用。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采取的方案：本发明的钢-混凝土组合件受力变形的 实时检测装置，包括机架、用于放置试件的工作台、压力装置、计算机、多个用于检测试件受 力变形所受压力的压力传感器、多个用于采集试件图像的视觉传感器，视觉传感器和压力 传感器分别与计算机连接，压力装置安装在机架上，工作台位于压力装置的下方，视觉传感 器分别与计算机连接。
[0006] 本发明的钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置的检测方法，包括如下步 骤： 1) 压力装置对放置在工作台上的试件加压，同时视觉传感器对试件拍摄，得到实时 的目标图像；压力传感器实时检测试件所受的瞬时压力，计算机建立压力与时间的函数关 系； 2) 计算机利用模板匹配原理将采集到实时目标图像与预设的图像库中的图像模板进 行匹配，通过实时目标图像与图像库中的图像模板的相似程度作为判断试件表面有鼓曲、 裂缝的依据，若相似度足以判断为鼓曲、裂缝，则进一步计算其鼓曲程度、裂缝长度和宽度， 得到一系列的数据点后，最终利用曲线拟合的方法得到鼓曲程度、裂缝长度和宽度与时间 的函数关系； 3)利用步骤2)得到鼓曲程度、裂缝长度和宽度与时间的函数关系和步骤1)建立的压 力与时间的函数关系，以时间作为连接变量，最终得到压力与时间和鼓曲程度、裂缝长度和 宽度的关系。
[0007] 与现有方法相比，本发明具有如下优点： (1)本发明通过利用视觉传感器实时检测钢-混凝土组合件试件在受压过程中的变化 图像，利用模板匹配原理将采集到实时目标图像与预设的图像库中的图像模板进行匹配， 通过实时目标图像与图像库中的图像模板的相似程度作为判断试件表面有鼓曲、裂缝大小 的依据，若相似度足以判断为鼓曲、裂缝，则进一步计算其鼓曲程度、裂缝大小和宽度，得到 一系列的数据点后，最终利用曲线拟合的方法得到鼓曲程度、裂缝长度和宽度与时间的函 数关系。相比于传统方法，即可以精确得到鼓曲和裂纹是什么时候产生的，并且可以精确得 出鼓曲的程度、裂纹的长度和宽度。
[0008] (2)本发明采用模板匹配原理，这种方法的优点在于匹配算法较为简单、数据处理 能力强、在图像变化微弱的情况下识别率高，这对检测精度的提高有重大意义。
[0009] (3)本发明可以实现全自动化检测和实时监控功能，与传统的钢-混凝土组合件 的检测方法相比，进一步减少人工干预的环节，节省人力物力，具有重大意义。
【附图说明】
[0010] 图1是本发明实施例的检测装置使用时的主视图。
[0011] 图2是本发明实施例的视觉传感器与试件安装位置关系俯视图。
[0012]图3是本发明实施例的视觉传感器与试件安装位置关系立体图。
[0013] 图4是本发明实施例的支撑台的调节机构的传动原理图。
[0014] 图5是本发明实施例的支撑台的俯视图。
[0015] 图6是本发明实施例的检测装置网络控制图。
[0016] 图7是本发明实施例的检测装置的总工作流程图。
[0017] 图8是本发明实施例的检测装置的视觉传感器预处理流程图。
[0018]图9是本发明实施例的检测装置的视觉传感器获取鼓曲程度的流程图。
[0019]图10是本发明实施例的检测装置的视觉传感器获取裂缝长度和宽度的流程图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。在本 发明的描述中，需要理解的是，若有术语"上"、"下"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"等指示的方 位或位置关系为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， 而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因 此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。 实施例
[0021] 本实施例的钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置的结构如图1至6所示， 包括机架1、用于放置试件8的工作台2、压力装置3、计算机4、多个用于检测试件8受力变 形所受压力的压力传感器5、多个用于采集试件8图像的视觉传感器6,其中，压力传感器5、 视觉传感器6分别通过网络数据线与交换机9连接，交换机9与计算机4连接。所述视觉 传感器6设置在工作台2的圆周周围，试件8位于工作台2中部，视觉传感器6能对试件8 进行拍摄，压力传感器5环形分布于试件8的侧壁，且装在试件8下方容易产生鼓曲、裂缝 的位置，一般离试件8底部约20mm的位置。
[0022] 本实施例中，视觉传感器6有三个，三个视觉传感器6均布在工作台2的圆周周 围。
[0023]上述工作台2的周围还设有多个支撑台7,支撑台7的数量与视觉传感器6的数 量一致，支撑台7包括台板71和台脚，台板71安装在台脚上，台板71能相对台脚转动，视 觉传感器6安装在支撑台7的台板71的上面，为了便于视觉传感器6的安装，视觉传感器 6与台板71之间设有插装板72,视觉传感器6与插装板72螺纹连接，插装板72与台板71 上的插装板槽配合连接，每个支撑台7上设有可使台板71水平方向转动的调节机构，本实 施例中，所述调节机构包括相互啮合的第一圆锥齿轮61和第二圆锥齿轮62、相互啮合的第 一直齿轮63和第二直齿轮64,第二圆锥齿轮62与第一直齿轮63的转轴连接，使得第二圆 锥齿轮62与第一直齿轮63同步转动，支撑台7的台板71与第二直齿轮64的转轴连接，第 二直齿轮64通过轴65传动带动支撑台7的台板71转动，从而使得视觉传感器6、插装板 72与台板71同步转动，第一圆锥齿轮61还连接有调节轮10,通过转动调节轮10带动第一 圆锥齿轮61转动，再通过齿轮传动，使视觉传感器6可以实现一定范围的转动，并且通过合 理选择齿轮传动比，可以实现视觉传感器6转动角度的微调。
[0024] 为了对试件安装工作区到保护作用，工作台2的周围设有护栏11。
[0025] 本发明的检测装置使用时，首先建立图像库和色彩模型分类库：安装在支撑台7 的视觉传感器6是在采集到需要的图像后利用色彩模型、模板匹配原理与优化决策判断理 论，先分类建立一个图像库和色彩模型分类库。色彩模型分类库包括不同颜色空间下图像 应有的参数，以便模板匹配前把图像转换特定的颜色空间上，提前选择好最佳颜色分量进 行模板匹配和裂缝、鼓曲检测。图像库包括无鼓曲、裂缝图的样本、符合正常限制标准的鼓 曲、裂缝图的模板样本，还包括不符合限制标准的鼓曲、裂缝图像的模板样本，它包括不同 宽度大小的裂缝、相同宽度的不同长度裂缝、多种鼓曲直径图像的模板，并给出危害和危险 程度分类，以便模板匹配后对比，决策判断。
[0026] 本发明的检测装置的检测方法包括如下步骤，如图7至10所示。
[0027] 步骤1 :先把钢管试件8放在工作台2中部，并在试件8侧面加刷红色的颜色标记 15,压力装置3对放置在工作台2上的试件8加压，同时视觉传感器6对试件8拍摄，得到 实时的目标图像，压力传感器5实时检测试件8所受压力，计算机4建立压力与时间的函数 关系。
[0028] 步骤2 :对步骤1得到的目标图像进行预处理：首先从预设的色彩模型分类库中选 取R颜色分量，即可明显区别出试件8和周边的物体，把实验环境周边的设备、工作台2等 颜色与红色差别较大的杂物的噪声去除。然后把图像转换为灰度图像，再进行灰度增强操 作，如增大对比度，这样就可以把裂缝或鼓曲特征充分凸显出来。此外，由于设备或环境因 素的影响，图像上常常会出现一些与图像无关的噪声，经过平滑去噪可以大大减少噪声，便 于后续的图 像处理操作，如图8所示。
[0029] 步骤3 :计算机4接收上述预处理后的目标图像，计算机4利用模板匹配原理将上 述预处理目标图像与预设的图像库中的图像模板进行匹配，通过实时目标图像与图像库中 的图像模板的相似程度作为判断试件表面有鼓曲、裂缝的依据，若相似度足以判断为鼓曲、 裂缝，则进一步计算其鼓曲程度、裂缝长度和宽度，得到一系列的数据点后，最终利用曲线 拟合的方法得到鼓曲程度、裂缝长度和宽度与时间的函数关系；若判断为鼓曲或者裂缝不 存在，输出0值。
[0030] 步骤3中，当目标图像与图像库中图像模板的鼓曲相似度大于阈值时即判定鼓曲 存在，这时即可进行鼓曲程度检测，检测过程如下：检测前先进行预处理。由于经过了颜色 分量的选择，这时图像中试件的灰度与背景的灰度有明显的差异，合理选取阈值进行图像 二值化处理可以分割出鼓曲图像。阈值分割可能会产生一些噪声，进行边缘平滑可以大大 减少噪声。然后进行二值化图像的轮廓提取，计算轮廓在水平方向的最大长度并记录，以此 作为鼓曲程度的度量，实现对鼓曲程度的检测。当前图像检测完毕后，视觉传感器6刷新图 像，继续进行上述过程，直到试验停止为止。若当目标图像与图像库中图像模板的鼓曲相似 度小于阈值时即判定鼓曲不存在，输出鼓曲程度为〇值。
[0031] 步骤3中，当目标图像与图像库中图像模板的裂缝相似度大于阈值时即判定裂缝 存在，即可进行裂缝长度、宽度检测，检测过程如下：检测前也先进行预处理。出于与检测鼓 曲程度相同的原因，先进行图像二值化和二值化图像边缘平滑。然后进行边缘检测，把边缘 图像细化后提取骨架，然后在边缘上取多个点，根据边缘的形状选取合适的函数模型把这 些点进行曲线拟合，最终获得边缘图像的表达式。但是由于试件的裂缝实际上是空间曲线， 而所拟合出的边缘图像表达式只是裂缝在镜头上的投影的表达式，因此不能直接计算拟合 曲线的长度作为裂缝长度。为了得到裂缝曲线真实的表达式，考虑到每一个试件的形状基 本上是规则的，在笛卡尔坐标系中可以用确定的、简单的表达式表示，所以可以在试验进行 前先对试件的必要尺寸进行测量，得到试件表面的空间表达式，联立试件表面的表达式和 拟合出的边缘图像表达式，即可解出裂缝在三维空间中的表达式，将裂缝的三维曲线对弧 长积分即得到裂缝长度，对于裂缝宽度，只需将边缘图像往试件的径向投影，直接测出其宽 度得到。当前图像检测完毕后，视觉传感器6刷新图像，继续进行上述过程，直到试验停止 为止；当目标图像与图像库中图像模板的裂缝相似度小于阈值时即判定裂缝不存在，输出 裂缝宽度和长度为〇值。
[0032] 针对步骤3中，解出裂缝在三维空间中的表达式具体方法如下：试件8是半径 为a的圆柱体，设视觉传感器6正对试件8的方向为x轴方向，试件轴线方向为z轴方 向，两者交点为原点〇,过〇与^2轴正交的射线方向为y方向。由于前面已经得出二 维的边缘图像的表达式f(y，z)=0,而在三维空间中f(y，z)=0表示的是以裂缝图像为准 线，而母线垂直于yoz面的柱体，此柱体的每一个横截面都是二维图形f(y，z)=0。因 为试件是一个圆柱体，所以试件在三维空间中的表达式跟其横截面的表达式相同，同为
3联立两个柱面方程f(y，z)=0与
，消去x或y任意一者，可得到两 个柱体的交线方程。由于圆柱体有对称性，所以交线会出现两条，但是只有离视觉传感器8 较近的那条才是代表裂缝的三维曲线，另外那条是柱体f(y，z)=0穿过圆柱
后， 在其后方形成的交线，没有实际意义。记这条裂缝的三维曲线为L，弧微分为ds，计算
即得到裂缝长度；裂缝宽度通过将边缘图像往试件的径向投影，直接测出其宽度得到。
[0033] 步骤4 :利用步骤2)得到鼓曲程度、裂缝长度和宽度与时间的函数关系和步骤1) 建立的压力与时间的函数关系，以时间作为连接变量，最终得到压力与时间和鼓曲程度、裂 缝长度和宽度的关系。
[0034] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以 理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换 和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
【主权项】
1. 一种钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置，包括机架（I)、用于放置试件的工 作台（2)、压力装置（3)、计算机（4)及多个用于检测试件受力变形所受压力的压力传感器 (5)，压力传感器（5)分别与计算机（4)连接，压力装置（3)安装在机架（1)上，工作台（2)位 于压力装置（3)的下方，其特征在于：还包括多个用于采集试件图像的视觉传感器（6)，视 觉传感器（6 )分别与计算机（4 )连接。2. 根据权利要求1所述的钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置，其特征在于： 所述视觉传感器（6)设置在工作台（2)的圆周周围。3. 根据权利要求1所述的钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置，其特征在于： 所述压力传感器（5 )和视觉传感器（6 )通过交换机（8 )与计算机（4 )连接。4. 根据权利要求1至3任一项所述的钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置，其 特征在于：还包括支撑台（7)，支撑台（7)设于工作台（2)的周围，视觉传感器（6)设于支撑 台（7 )上，支撑台（7 )上设有能使视觉传感器（6 )转动的调节机构。5. 根据权利要求4所述的钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置，其特征在于： 所述调节机构包括相互啮合的第一圆锥齿轮（61)和第二圆锥齿轮（62)，相互啮合的第一 直齿轮（63)和第二直齿轮（64)，第二圆锥齿轮（62)与第一直齿轮（63)的转轴连接，支撑台 (7)包括台板（71)和台脚，台板（71)安装在台脚上，台板（71)能相对台脚转动，台板（71) 与第二直齿轮（64)的转轴连接，视觉传感器（6)安装在支撑台（7)的台板（71)上。6. -种钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置的检测方法，其特征在于包括如下 步骤： 1) 压力装置（3)对放置在工作台（2)上的试件加压，同时视觉传感器（6)对试件拍摄， 得到实时的目标图像；压力传感器（5)实时检测试件所受的瞬时压力，计算机（4)建立压力 与时间的函数关系； 2) 计算机（4)利用模板匹配原理将采集到实时目标图像与预设的图像库中的图像模 板进行匹配，通过实时目标图像与图像库中的图像模板的相似程度作为判断试件表面有鼓 曲、裂缝的依据，若相似度足以判断为鼓曲、裂缝，则进一步计算其鼓曲程度、裂缝长度和宽 度，得到一系列的数据点后，最终利用曲线拟合的方法得到鼓曲程度、裂缝长度和宽度与时 间的函数关系； 3) 利用步骤2)得到鼓曲程度、裂缝长度和宽度与时间的函数关系和步骤1)建立的压 力与时间的函数关系，以时间作为连接变量，最终得到压力与时间和鼓曲程度、裂缝长度和 宽度的关系。7. 根据权利要求6的检测方法，其特征在于，对试件加压之前，需要对试件表面进行颜 色标记。8. 根据权利要求7的检测方法，其特征在于，进行步骤2)之前，需要对目标图像进行预 处理，预处理过程如下：首先从预设的色彩模型分类库中选取与试件表面颜色标记相同的 颜色分量，去除目标图像中与标记颜色差别较大的杂物的噪声；然后把试件目标图像转换 为灰度图像；再进行灰度增强操作，最后进行平滑去噪处理。9. 根据权利要求8的检测方法，其特征在于，步骤2 )中，当目标图像与图像库中图像模 板的鼓曲相似度大于阈值时即判定鼓曲存在，即进行鼓曲程度检测，检测过程如下：首先进 行图像二值化处理分割出鼓曲图像，然后对图像边缘平滑去噪处理，再进行二值化图像的 轮廓提取，计算轮廓在水平方向的最大长度并记录。10.根据权利要求8的检测方法，其特征在于，步骤2)中，当目标图像与图像库中图像 模板的裂缝相似度大于阈值时即判定裂缝存在，进行裂缝长度、宽度检测，检测过程如下： 首先进行图像二值化和二值化图像边缘平滑处理，然后进行图像边缘检测，把边缘图像细 化后提取骨架，然后在边缘上取多个点，根据边缘的形状选取对应的函数模型把这些点进 行曲线拟合，最终获得边缘图像的表达式，最后联立试件表面的表达式和拟合出的边缘图 像表达式解出裂缝曲线在三维空间中的表达式，将裂缝的三维曲线对弧长积分即得到裂缝 长度；裂缝宽度通过将边缘图像往试件的径向投影，直接测出其宽度得到。
【专利摘要】本发明公开了一种钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置及其检测方法，其中装置包括机架、工作台、压力装置、计算机、多个与计算机连接的压力传感器和视觉传感器，压力装置安装在机架上，工作台位于压力装置下方。装置工作时，视觉传感器把实时图像传送给计算机，利用视觉模板匹配原理，以图像库中的参考图像与采集到的实时图像进行匹配，以判定是否有鼓曲或裂缝。若判断为鼓曲或裂缝存在，则进一步计算鼓曲的程度或者裂缝的长度和宽度，输出对应的值。通过不断刷新视觉传感器的当前图像，得到相隔一定时间内的鼓曲或者裂缝的情况，进而得到多个离散的点，通过拟合这些离散点得到鼓曲程度、裂缝长度和宽度与时间的函数关系。
【IPC分类】G01N3/06
【公开号】CN104897463
【申请号】CN201510184817
【发明人】唐昀超, 冯文贤, 李丽娟
【申请人】广东工业大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月16日
【技术领域】
[0001] 本发明属于压力装置对混凝土柱的动态力学试验时的实时监测与预测领域，特别 涉及一种钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置及检测方法。
【背景技术】
[0002] 混凝土是使用最为广泛的建筑材料，而因地震、城市建设改造产生了大量的废弃 建筑垃圾。为了提高再生资源利用和抗震性，把再生混凝土与普通混凝土混合放入型钢(例 如：圆钢、方钢）内，形成钢-再生混凝土柱这种新型装配式组合件，提高其综合力学性能。 人们采用压力装备对这种新型组合件进行静态和动态力学试验，采用压力传感器记录其变 形情况，试验直到试件发生鼓曲和裂纹，通过压力传感器检测可以得到压力与时间的函数 关系。但是很难知道鼓曲和裂纹什么时间开始发生，到什么时间的变形程度和变形的大小， 也就是压力量与时间量的函数关系无法确定。而在实际柱梁受动态力或者地震时，如果柱 产生了一个小的变形或裂纹，也能通过科学的方法测量获得时间量-变形量的关系，特别 在大地震时，如果能获得1分钟时间与柱断裂的函数关系，也可以通过科学预警，就可尽最 大能力减少不必要的人和物的损伤，这样是意义重大的。这对组合件极限受力时，变形、裂 纹实时检测技术和装置提出了很高的要求。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种钢-混凝土组合件受力变形的实时 检测装置，本发明的检测装置可实时精确得到试件受压过程中鼓曲和裂纹情况。
[0004] 本发明的另一目的在于提供一种钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置的 检测方法。本发明检测方法操作简单，方便实用。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采取的方案：本发明的钢-混凝土组合件受力变形的 实时检测装置，包括机架、用于放置试件的工作台、压力装置、计算机、多个用于检测试件受 力变形所受压力的压力传感器、多个用于采集试件图像的视觉传感器，视觉传感器和压力 传感器分别与计算机连接，压力装置安装在机架上，工作台位于压力装置的下方，视觉传感 器分别与计算机连接。
[0006] 本发明的钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置的检测方法，包括如下步 骤： 1) 压力装置对放置在工作台上的试件加压，同时视觉传感器对试件拍摄，得到实时 的目标图像；压力传感器实时检测试件所受的瞬时压力，计算机建立压力与时间的函数关 系； 2) 计算机利用模板匹配原理将采集到实时目标图像与预设的图像库中的图像模板进 行匹配，通过实时目标图像与图像库中的图像模板的相似程度作为判断试件表面有鼓曲、 裂缝的依据，若相似度足以判断为鼓曲、裂缝，则进一步计算其鼓曲程度、裂缝长度和宽度， 得到一系列的数据点后，最终利用曲线拟合的方法得到鼓曲程度、裂缝长度和宽度与时间 的函数关系； 3)利用步骤2)得到鼓曲程度、裂缝长度和宽度与时间的函数关系和步骤1)建立的压 力与时间的函数关系，以时间作为连接变量，最终得到压力与时间和鼓曲程度、裂缝长度和 宽度的关系。
[0007] 与现有方法相比，本发明具有如下优点： (1)本发明通过利用视觉传感器实时检测钢-混凝土组合件试件在受压过程中的变化 图像，利用模板匹配原理将采集到实时目标图像与预设的图像库中的图像模板进行匹配， 通过实时目标图像与图像库中的图像模板的相似程度作为判断试件表面有鼓曲、裂缝大小 的依据，若相似度足以判断为鼓曲、裂缝，则进一步计算其鼓曲程度、裂缝大小和宽度，得到 一系列的数据点后，最终利用曲线拟合的方法得到鼓曲程度、裂缝长度和宽度与时间的函 数关系。相比于传统方法，即可以精确得到鼓曲和裂纹是什么时候产生的，并且可以精确得 出鼓曲的程度、裂纹的长度和宽度。
[0008] (2)本发明采用模板匹配原理，这种方法的优点在于匹配算法较为简单、数据处理 能力强、在图像变化微弱的情况下识别率高，这对检测精度的提高有重大意义。
[0009] (3)本发明可以实现全自动化检测和实时监控功能，与传统的钢-混凝土组合件 的检测方法相比，进一步减少人工干预的环节，节省人力物力，具有重大意义。
【附图说明】
[0010] 图1是本发明实施例的检测装置使用时的主视图。
[0011] 图2是本发明实施例的视觉传感器与试件安装位置关系俯视图。
[0012]图3是本发明实施例的视觉传感器与试件安装位置关系立体图。
[0013] 图4是本发明实施例的支撑台的调节机构的传动原理图。
[0014] 图5是本发明实施例的支撑台的俯视图。
[0015] 图6是本发明实施例的检测装置网络控制图。
[0016] 图7是本发明实施例的检测装置的总工作流程图。
[0017] 图8是本发明实施例的检测装置的视觉传感器预处理流程图。
[0018]图9是本发明实施例的检测装置的视觉传感器获取鼓曲程度的流程图。
[0019]图10是本发明实施例的检测装置的视觉传感器获取裂缝长度和宽度的流程图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。在本 发明的描述中，需要理解的是，若有术语"上"、"下"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"等指示的方 位或位置关系为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， 而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因 此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。 实施例
[0021] 本实施例的钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置的结构如图1至6所示， 包括机架1、用于放置试件8的工作台2、压力装置3、计算机4、多个用于检测试件8受力变 形所受压力的压力传感器5、多个用于采集试件8图像的视觉传感器6,其中，压力传感器5、 视觉传感器6分别通过网络数据线与交换机9连接，交换机9与计算机4连接。所述视觉 传感器6设置在工作台2的圆周周围，试件8位于工作台2中部，视觉传感器6能对试件8 进行拍摄，压力传感器5环形分布于试件8的侧壁，且装在试件8下方容易产生鼓曲、裂缝 的位置，一般离试件8底部约20mm的位置。
[0022] 本实施例中，视觉传感器6有三个，三个视觉传感器6均布在工作台2的圆周周 围。
[0023]上述工作台2的周围还设有多个支撑台7,支撑台7的数量与视觉传感器6的数 量一致，支撑台7包括台板71和台脚，台板71安装在台脚上，台板71能相对台脚转动，视 觉传感器6安装在支撑台7的台板71的上面，为了便于视觉传感器6的安装，视觉传感器 6与台板71之间设有插装板72,视觉传感器6与插装板72螺纹连接，插装板72与台板71 上的插装板槽配合连接，每个支撑台7上设有可使台板71水平方向转动的调节机构，本实 施例中，所述调节机构包括相互啮合的第一圆锥齿轮61和第二圆锥齿轮62、相互啮合的第 一直齿轮63和第二直齿轮64,第二圆锥齿轮62与第一直齿轮63的转轴连接，使得第二圆 锥齿轮62与第一直齿轮63同步转动，支撑台7的台板71与第二直齿轮64的转轴连接，第 二直齿轮64通过轴65传动带动支撑台7的台板71转动，从而使得视觉传感器6、插装板 72与台板71同步转动，第一圆锥齿轮61还连接有调节轮10,通过转动调节轮10带动第一 圆锥齿轮61转动，再通过齿轮传动，使视觉传感器6可以实现一定范围的转动，并且通过合 理选择齿轮传动比，可以实现视觉传感器6转动角度的微调。
[0024] 为了对试件安装工作区到保护作用，工作台2的周围设有护栏11。
[0025] 本发明的检测装置使用时，首先建立图像库和色彩模型分类库：安装在支撑台7 的视觉传感器6是在采集到需要的图像后利用色彩模型、模板匹配原理与优化决策判断理 论，先分类建立一个图像库和色彩模型分类库。色彩模型分类库包括不同颜色空间下图像 应有的参数，以便模板匹配前把图像转换特定的颜色空间上，提前选择好最佳颜色分量进 行模板匹配和裂缝、鼓曲检测。图像库包括无鼓曲、裂缝图的样本、符合正常限制标准的鼓 曲、裂缝图的模板样本，还包括不符合限制标准的鼓曲、裂缝图像的模板样本，它包括不同 宽度大小的裂缝、相同宽度的不同长度裂缝、多种鼓曲直径图像的模板，并给出危害和危险 程度分类，以便模板匹配后对比，决策判断。
[0026] 本发明的检测装置的检测方法包括如下步骤，如图7至10所示。
[0027] 步骤1 :先把钢管试件8放在工作台2中部，并在试件8侧面加刷红色的颜色标记 15,压力装置3对放置在工作台2上的试件8加压，同时视觉传感器6对试件8拍摄，得到 实时的目标图像，压力传感器5实时检测试件8所受压力，计算机4建立压力与时间的函数 关系。
[0028] 步骤2 :对步骤1得到的目标图像进行预处理：首先从预设的色彩模型分类库中选 取R颜色分量，即可明显区别出试件8和周边的物体，把实验环境周边的设备、工作台2等 颜色与红色差别较大的杂物的噪声去除。然后把图像转换为灰度图像，再进行灰度增强操 作，如增大对比度，这样就可以把裂缝或鼓曲特征充分凸显出来。此外，由于设备或环境因 素的影响，图像上常常会出现一些与图像无关的噪声，经过平滑去噪可以大大减少噪声，便 于后续的图 像处理操作，如图8所示。
[0029] 步骤3 :计算机4接收上述预处理后的目标图像，计算机4利用模板匹配原理将上 述预处理目标图像与预设的图像库中的图像模板进行匹配，通过实时目标图像与图像库中 的图像模板的相似程度作为判断试件表面有鼓曲、裂缝的依据，若相似度足以判断为鼓曲、 裂缝，则进一步计算其鼓曲程度、裂缝长度和宽度，得到一系列的数据点后，最终利用曲线 拟合的方法得到鼓曲程度、裂缝长度和宽度与时间的函数关系；若判断为鼓曲或者裂缝不 存在，输出0值。
[0030] 步骤3中，当目标图像与图像库中图像模板的鼓曲相似度大于阈值时即判定鼓曲 存在，这时即可进行鼓曲程度检测，检测过程如下：检测前先进行预处理。由于经过了颜色 分量的选择，这时图像中试件的灰度与背景的灰度有明显的差异，合理选取阈值进行图像 二值化处理可以分割出鼓曲图像。阈值分割可能会产生一些噪声，进行边缘平滑可以大大 减少噪声。然后进行二值化图像的轮廓提取，计算轮廓在水平方向的最大长度并记录，以此 作为鼓曲程度的度量，实现对鼓曲程度的检测。当前图像检测完毕后，视觉传感器6刷新图 像，继续进行上述过程，直到试验停止为止。若当目标图像与图像库中图像模板的鼓曲相似 度小于阈值时即判定鼓曲不存在，输出鼓曲程度为〇值。
[0031] 步骤3中，当目标图像与图像库中图像模板的裂缝相似度大于阈值时即判定裂缝 存在，即可进行裂缝长度、宽度检测，检测过程如下：检测前也先进行预处理。出于与检测鼓 曲程度相同的原因，先进行图像二值化和二值化图像边缘平滑。然后进行边缘检测，把边缘 图像细化后提取骨架，然后在边缘上取多个点，根据边缘的形状选取合适的函数模型把这 些点进行曲线拟合，最终获得边缘图像的表达式。但是由于试件的裂缝实际上是空间曲线， 而所拟合出的边缘图像表达式只是裂缝在镜头上的投影的表达式，因此不能直接计算拟合 曲线的长度作为裂缝长度。为了得到裂缝曲线真实的表达式，考虑到每一个试件的形状基 本上是规则的，在笛卡尔坐标系中可以用确定的、简单的表达式表示，所以可以在试验进行 前先对试件的必要尺寸进行测量，得到试件表面的空间表达式，联立试件表面的表达式和 拟合出的边缘图像表达式，即可解出裂缝在三维空间中的表达式，将裂缝的三维曲线对弧 长积分即得到裂缝长度，对于裂缝宽度，只需将边缘图像往试件的径向投影，直接测出其宽 度得到。当前图像检测完毕后，视觉传感器6刷新图像，继续进行上述过程，直到试验停止 为止；当目标图像与图像库中图像模板的裂缝相似度小于阈值时即判定裂缝不存在，输出 裂缝宽度和长度为〇值。
[0032] 针对步骤3中，解出裂缝在三维空间中的表达式具体方法如下：试件8是半径 为a的圆柱体，设视觉传感器6正对试件8的方向为x轴方向，试件轴线方向为z轴方 向，两者交点为原点〇,过〇与^2轴正交的射线方向为y方向。由于前面已经得出二 维的边缘图像的表达式f(y，z)=0,而在三维空间中f(y，z)=0表示的是以裂缝图像为准 线，而母线垂直于yoz面的柱体，此柱体的每一个横截面都是二维图形f(y，z)=0。因 为试件是一个圆柱体，所以试件在三维空间中的表达式跟其横截面的表达式相同，同为
3联立两个柱面方程f(y，z)=0与
，消去x或y任意一者，可得到两 个柱体的交线方程。由于圆柱体有对称性，所以交线会出现两条，但是只有离视觉传感器8 较近的那条才是代表裂缝的三维曲线，另外那条是柱体f(y，z)=0穿过圆柱
后， 在其后方形成的交线，没有实际意义。记这条裂缝的三维曲线为L，弧微分为ds，计算
即得到裂缝长度；裂缝宽度通过将边缘图像往试件的径向投影，直接测出其宽度得到。
[0033] 步骤4 :利用步骤2)得到鼓曲程度、裂缝长度和宽度与时间的函数关系和步骤1) 建立的压力与时间的函数关系，以时间作为连接变量，最终得到压力与时间和鼓曲程度、裂 缝长度和宽度的关系。
[0034] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以 理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换 和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
【主权项】
1. 一种钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置，包括机架（I)、用于放置试件的工 作台（2)、压力装置（3)、计算机（4)及多个用于检测试件受力变形所受压力的压力传感器 (5)，压力传感器（5)分别与计算机（4)连接，压力装置（3)安装在机架（1)上，工作台（2)位 于压力装置（3)的下方，其特征在于：还包括多个用于采集试件图像的视觉传感器（6)，视 觉传感器（6 )分别与计算机（4 )连接。2. 根据权利要求1所述的钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置，其特征在于： 所述视觉传感器（6)设置在工作台（2)的圆周周围。3. 根据权利要求1所述的钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置，其特征在于： 所述压力传感器（5 )和视觉传感器（6 )通过交换机（8 )与计算机（4 )连接。4. 根据权利要求1至3任一项所述的钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置，其 特征在于：还包括支撑台（7)，支撑台（7)设于工作台（2)的周围，视觉传感器（6)设于支撑 台（7 )上，支撑台（7 )上设有能使视觉传感器（6 )转动的调节机构。5. 根据权利要求4所述的钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置，其特征在于： 所述调节机构包括相互啮合的第一圆锥齿轮（61)和第二圆锥齿轮（62)，相互啮合的第一 直齿轮（63)和第二直齿轮（64)，第二圆锥齿轮（62)与第一直齿轮（63)的转轴连接，支撑台 (7)包括台板（71)和台脚，台板（71)安装在台脚上，台板（71)能相对台脚转动，台板（71) 与第二直齿轮（64)的转轴连接，视觉传感器（6)安装在支撑台（7)的台板（71)上。6. -种钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置的检测方法，其特征在于包括如下 步骤： 1) 压力装置（3)对放置在工作台（2)上的试件加压，同时视觉传感器（6)对试件拍摄， 得到实时的目标图像；压力传感器（5)实时检测试件所受的瞬时压力，计算机（4)建立压力 与时间的函数关系； 2) 计算机（4)利用模板匹配原理将采集到实时目标图像与预设的图像库中的图像模 板进行匹配，通过实时目标图像与图像库中的图像模板的相似程度作为判断试件表面有鼓 曲、裂缝的依据，若相似度足以判断为鼓曲、裂缝，则进一步计算其鼓曲程度、裂缝长度和宽 度，得到一系列的数据点后，最终利用曲线拟合的方法得到鼓曲程度、裂缝长度和宽度与时 间的函数关系； 3) 利用步骤2)得到鼓曲程度、裂缝长度和宽度与时间的函数关系和步骤1)建立的压 力与时间的函数关系，以时间作为连接变量，最终得到压力与时间和鼓曲程度、裂缝长度和 宽度的关系。7. 根据权利要求6的检测方法，其特征在于，对试件加压之前，需要对试件表面进行颜 色标记。8. 根据权利要求7的检测方法，其特征在于，进行步骤2)之前，需要对目标图像进行预 处理，预处理过程如下：首先从预设的色彩模型分类库中选取与试件表面颜色标记相同的 颜色分量，去除目标图像中与标记颜色差别较大的杂物的噪声；然后把试件目标图像转换 为灰度图像；再进行灰度增强操作，最后进行平滑去噪处理。9. 根据权利要求8的检测方法，其特征在于，步骤2 )中，当目标图像与图像库中图像模 板的鼓曲相似度大于阈值时即判定鼓曲存在，即进行鼓曲程度检测，检测过程如下：首先进 行图像二值化处理分割出鼓曲图像，然后对图像边缘平滑去噪处理，再进行二值化图像的 轮廓提取，计算轮廓在水平方向的最大长度并记录。10.根据权利要求8的检测方法，其特征在于，步骤2)中，当目标图像与图像库中图像 模板的裂缝相似度大于阈值时即判定裂缝存在，进行裂缝长度、宽度检测，检测过程如下： 首先进行图像二值化和二值化图像边缘平滑处理，然后进行图像边缘检测，把边缘图像细 化后提取骨架，然后在边缘上取多个点，根据边缘的形状选取对应的函数模型把这些点进 行曲线拟合，最终获得边缘图像的表达式，最后联立试件表面的表达式和拟合出的边缘图 像表达式解出裂缝曲线在三维空间中的表达式，将裂缝的三维曲线对弧长积分即得到裂缝 长度；裂缝宽度通过将边缘图像往试件的径向投影，直接测出其宽度得到。
【专利摘要】本发明公开了一种钢-混凝土组合件受力变形的实时检测装置及其检测方法，其中装置包括机架、工作台、压力装置、计算机、多个与计算机连接的压力传感器和视觉传感器，压力装置安装在机架上，工作台位于压力装置下方。装置工作时，视觉传感器把实时图像传送给计算机，利用视觉模板匹配原理，以图像库中的参考图像与采集到的实时图像进行匹配，以判定是否有鼓曲或裂缝。若判断为鼓曲或裂缝存在，则进一步计算鼓曲的程度或者裂缝的长度和宽度，输出对应的值。通过不断刷新视觉传感器的当前图像，得到相隔一定时间内的鼓曲或者裂缝的情况，进而得到多个离散的点，通过拟合这些离散点得到鼓曲程度、裂缝长度和宽度与时间的函数关系。
【IPC分类】G01N3/06
【公开号】CN104897463
【申请号】CN201510184817
【发明人】唐昀超, 冯文贤, 李丽娟
【申请人】广东工业大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月16日
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