便攜式材料試驗機力值數(shù)據(jù)采集裝置的研制

王曹宇 王浩

【摘要】通過使用高級計算機視覺技術(shù)、圖像處理方法和串口通信技術(shù)，即時讀出了基準(zhǔn)測力儀讀數(shù)和CCD鏡頭的計算機顯示力值，解決了材料試驗機力值顯示系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)傳感器顯示系統(tǒng)信息不同時的問題，確保了力值測定時信息收集正確和數(shù)據(jù)處理精確，從而實現(xiàn)了材料試驗機力值高速、自動、精確測定。

【關(guān)鍵詞】材料試驗機；力值；工業(yè)相機；自動采集處理

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.06.033

Development of Force Data Acquisition Device for Portable Material Testing Machine

WANG Caoyu1， WANG Hao2

（1.Hebi Drug Inspection and Testing Center， Hebi 458000， China； 2.Liaoning Institute of Metrology， Shenyang 110004， China）

Abstract： In this paper， advanced computer vision technology， image processing methods， and serial communication technology to instantly read out the readings of the reference force measuring instrument and the computer display force values of the CCD lens， solving the problem of different information between the force value display system of the material testing machine and the standard sensor display system. It ensures the correct information collection and accurate data processing during force value measurement， thus achieving high-speed， automatic accurate measurement.

Key words： testing machine for materials； force magnitude； industrial cameras； automatic acquisition and processing

按照J(rèn)JG 139—2014《拉力、壓力和萬能試驗機》檢定規(guī)程規(guī)定，在對塑料測試機進(jìn)行檢定時必須對其力值信息進(jìn)行收集、計算、分析，結(jié)果必須直接反映隔振裝置的檢定結(jié)果與修正數(shù)據(jù)，作為本型號設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)之一。試驗機力值檢定時各個讀數(shù)點的力值測量都必須通過傳感器與設(shè)備顯示裝置同步進(jìn)行比較。但是由于在實際測定操作時檢測人員非常容易發(fā)生操作反應(yīng)速度太慢和讀數(shù)時間差過大等問題，由此導(dǎo)致結(jié)果不正確、超允許偏差、力值傳遞失敗，給儀器使用單位造成不可估量的經(jīng)濟損失。

本文運用最先進(jìn)的計算機視覺信息技術(shù)、計算機圖像處理高新技術(shù)和串口通信技術(shù)，即時讀出了標(biāo)準(zhǔn)測力計讀數(shù)和CCD照相機的電腦顯示器力值數(shù)據(jù)，確保了在材料力值測定時信息收集、數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，提高了力值信息的精確可靠性，并極大地提高了材料隔振裝置的檢定質(zhì)量。

在對材料試驗機上的標(biāo)準(zhǔn)測力裝置進(jìn)行檢查前，首先要按照隔振裝置量程的準(zhǔn)確度級別選用我們所需要的標(biāo)準(zhǔn)測力儀。對于1級或者2級準(zhǔn)確度的材料試驗機，要選擇高于0.3級的標(biāo)準(zhǔn)測力儀進(jìn)行檢定；對于0.5級準(zhǔn)確度的材料試驗機，要選擇0.1級的標(biāo)準(zhǔn)測力儀進(jìn)行檢定。在進(jìn)行檢定前，應(yīng)根據(jù)試驗機的類型和量程按以下要求選擇合適的檢定點：

1）對于分擋的試驗機：每擋的檢定點數(shù)不能低于5個，且一般按各擋的20%、40%、60%、80%、100%均勻分布；2）對于不分擋的試驗機：在較大測試力的20%至100%范圍內(nèi)按近似等間距分布選擇5個檢查點，對小于較大測試力20%范圍的檢查點，應(yīng)選擇比例近似小于10%、5%、2%、1%、0.5%、0.2%、0.1%，直到測試范圍的下限；3）對于手動換擋的試驗機，在每一個辨識力不變化的區(qū)域內(nèi)，至少選擇2個檢定點。

在選好檢定點后，將標(biāo)準(zhǔn)測力儀放置在被檢試驗機的拉伸或壓縮空間，并裝好標(biāo)準(zhǔn)測力儀，啟動試驗機并按照受檢點對試驗機進(jìn)行檢定，如圖1所示。

便攜式材料試驗機力值數(shù)據(jù)信息收集設(shè)備，采用國際領(lǐng)先的機械視覺信息技術(shù)、計算機圖像處理信息技術(shù)以及串口通信技術(shù)，成功克服了材質(zhì)試驗機力值表示設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)傳感器數(shù)據(jù)表示設(shè)備數(shù)據(jù)信息采集方式不同時的問題，利用串口通信技術(shù)即時讀出國家標(biāo)準(zhǔn)測力儀計量儀表的讀數(shù)，在儀器讀數(shù)達(dá)到規(guī)定力值范圍時，用CCD或工業(yè)照相機抓拍電腦屏幕力值指示的區(qū)域，然后再運用字符視覺識別算法在圖像中讀出測試機的力值數(shù)據(jù)信息，把國家標(biāo)準(zhǔn)測力儀計量儀表的讀數(shù)和測試機的力值數(shù)據(jù)信息加以對比，測算出試驗機力值控制系統(tǒng)的所有技術(shù)參數(shù)，從而完成了材料試驗機力值的高速、自動、精確測定。設(shè)備的基本設(shè)計框架如圖2所示。

材料試驗機的信號測量部分主要是由CCD工業(yè)攝像機、鏡頭和支架等構(gòu)成。在選用CCD工業(yè)照相機、攝像頭和支架時必須按照實際作業(yè)要求實施，除了降低測量誤差這一原則之外，使用的便利性、技術(shù)通用性也是關(guān)鍵。

3.1CCD工業(yè)相機選型設(shè)計

CCD工業(yè)相機主要是用來讀取材料試驗機軟件所提供的能力值圖像，而選擇CCD工業(yè)相機時主要考慮分辨率、圖像尺寸、顏色深淺度和曝光時機等因素。通常在單位體積一定的前提下，分辨率較高意味著在單位體積下能夠感光的圖像單元數(shù)量較多。但實際拍攝時，由于單位圖像元能夠獲得的信息數(shù)量較少，造成了拍攝過程不完全或者信噪比較小，而且高分辨率還會增大傳輸困難。圖像質(zhì)量也直接體現(xiàn)在測量分辨率上，顏色深淺和曝光方式會改變測量傳輸速率。根據(jù)工程圖片的要求，該設(shè)備所需要的CCD工業(yè)采集相機采用了工業(yè)相機。

3.2鏡頭參數(shù)選型設(shè)計

在鏡頭所用參數(shù)的選擇上，要符合以下三方面的條件：工作間距要適當(dāng)；擴大倍率也要適當(dāng)，因為光學(xué)攝影擴大的倍率愈高，視場的變化范圍就愈小，在同一張圖片內(nèi)會產(chǎn)生線紋變化不完全的現(xiàn)象，而且光學(xué)攝影擴大與工作遠(yuǎn)近之間負(fù)相關(guān)；景深尺寸要適當(dāng)，景深若太小則易產(chǎn)生線紋圖片模糊現(xiàn)象。本系統(tǒng)使用了X8-3MP定焦鏡頭，該鏡頭焦距為8 mm，通光孔徑為F1.2，接頭為CS，靶面尺寸為2/3，遠(yuǎn)觀察場為23°，近攝距為0.2 m。

3.3CCD相機支架選型設(shè)計

由于試驗機的檢定可以是在試驗室，也可以是在工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)地點，所以充分考慮便攜通用性的特點，CCD工業(yè)照相機支架部分主要采用了ET-3110鏡頭三腳架，同時還在其上部安裝螺紋轉(zhuǎn)接平臺來裝夾CCD工業(yè)照相機。此鏡頭支架的連接螺紋采用了全球通行的英制1/4"，通過拉桿提升，可以讓三維云臺360°翻轉(zhuǎn)，滿足不同高度的拍攝需求。

3.4串口通信設(shè)計

數(shù)據(jù)采集裝置串口通信設(shè)計，一般是利用國際標(biāo)準(zhǔn)測力計讀數(shù)儀器公司提供的普通串行接口設(shè)備和電腦軟件，利用串口通信技術(shù)進(jìn)行讀取和控制當(dāng)前能力值。2000儀器所采用的串行通信接口，可與PC計算機以及可編程控制器相連，輸出的電平為標(biāo)準(zhǔn)RS232數(shù)據(jù)電平，輸出類型為連續(xù)串行數(shù)據(jù)輸出，其通信刷新率為顯示刷新同步（標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品刷新率約為8次/秒，可提供通信刷新率為25次/秒的產(chǎn)品）。2000儀器在與PC微機通信后，能夠接受由上述儀器所發(fā)出的各種運算和操作命令，在測量工作中實現(xiàn)儀器按鍵操作。

3.5數(shù)據(jù)采集處理軟件設(shè)計

字符識別與信息處理程序主要是采用C語言編寫的，用于CCD等數(shù)碼相機攝影照片的力值字符識別及信息獲取，與標(biāo)準(zhǔn)測力儀數(shù)據(jù)以及隔振器力值數(shù)據(jù)的對比、上傳和輸出。數(shù)據(jù)處理程序主要以能力值的照片顯示區(qū)域、參數(shù)設(shè)置區(qū)域、計算結(jié)果的實時顯示區(qū)域、報表輸出處等模塊構(gòu)成，主要界面如圖3所顯示。

1）圖像預(yù)處理

在進(jìn)行字符識別及數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā)時，重點工作是對CCD相機所拍攝圖片的力值數(shù)字進(jìn)行識別。識別圖像數(shù)字字符要根據(jù)試驗機顯示數(shù)字的大小建立0～9的數(shù)字模板庫，如圖4所示。

圖像樣本是通過CCD工業(yè)相機采集的，未處理的圖像包含大量的顏色信息，需要將圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶葓D像，即灰度化處理，以加快處理速度；接著開始畫面二值化處理過程，并設(shè)置了二值化的臨界值，然后二值化的臨界值按照畫面的實際狀態(tài)來調(diào)節(jié)；最后二值化的時候畫面上就剩下了2個值：0和255。

2）字符分割

當(dāng)完成了圖片預(yù)處理后，必須把圖片中的文字切割開，整個步驟分為上下左右分割和前后分割。在進(jìn)行完圖像預(yù)處理后，需要將圖像中的字符分割開，整個過程分為左右分割和上下分割。從圖像的左上角一縱隊開始，由左向右逐列掃描數(shù)字化掃描圖，當(dāng)碰到圖像值是255時，記下該列號SC，接著掃描再碰到整列圖像值都是0時，記下列碼EC，SC與EC中間即為文字所在區(qū)域。然后恢復(fù)二值圖該區(qū)段，上下左右劃分后，在此基礎(chǔ)上再對圖像加以前后劃分。同理，從圖像的左上角第1行，從上往下逐行掃描，當(dāng)碰到圖像值是255時，記下該列號SR，接著掃描圖再碰到整列圖像值都是0時，記下列號ER，SR與ER中間即為文字所在區(qū)域。復(fù)制該區(qū)域，這樣完成了上下左右分割。

3）字符識別

將裁剪好的數(shù)字圖片大小調(diào)節(jié)為模版大?。ㄍǔＪ悄０嬷凶罡邔挾龋?，接著把要求相匹配的圖像和10個模版相減（讓2個圖像相應(yīng)位置像素點值相減），再對所差的預(yù)測值進(jìn)行求和，預(yù)測值之和最小的模板，即為圖像的最佳匹配模板，從而確定了該字符。

隨著材料精密檢測技術(shù)的不斷提高，適應(yīng)不同條件、不同環(huán)境，性能更先進(jìn)的新材料測試機也日益增多。這些測試機不但可以進(jìn)行拉伸、撕裂、剝離、延伸性等測試，而且還能夠開展各種動力學(xué)性能測試。由于材料測試機的應(yīng)用非常普遍，所以對材料測試機的檢定管理有著重大的意義。本研究通過領(lǐng)先的計算機視覺技術(shù)、圖像處理技術(shù)和串口通信技術(shù)，即時讀取標(biāo)準(zhǔn)測力計讀數(shù)和CCD等數(shù)碼相機的電腦顯示器的力值數(shù)據(jù)，確保了力值測定中信息的收集正確和數(shù)據(jù)處理精確，滿足了材料試驗機力值的高速、自動、精確測定的要求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG 139—2014拉力、壓力和萬能試驗機[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

[2]賈云得.機器視覺[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

[3]錢稷.基于圖像處理的字符識別系統(tǒng)研究[D].河北：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

【作者簡介】

王曹宇，男，1979年出生，高級工程師，研究方向為計量管理及測試技術(shù)。

（編輯：李加鵬）