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CN106537087A - 实时视频引伸计 - Google Patents

实时视频引伸计 Download PDF

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CN106537087A
CN106537087A CN201580039242.4A CN201580039242A CN106537087A CN 106537087 A CN106537087 A CN 106537087A CN 201580039242 A CN201580039242 A CN 201580039242A CN 106537087 A CN106537087 A CN 106537087A
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China
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strain
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real
video
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马丁·A·彼得森
丹尼尔·迪娜
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Illinois Tool Works Inc
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Illinois Tool Works Inc
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Abstract

本公开涉及实时视频引伸计。通常，本公开的设备将图像源、数据处理和电输出组合到单个处理板上，以便实现高频图像和数据流的低延迟时间。此外，视频处理引擎基于像素处理图像，并且更新中间延伸/应变导致的输出，以使得在接收到最终图像像素之后，实现最终的延伸/应变值并立即输出用于评估。

Description

实时视频引伸计
背景技术
本申请根据《美国法典》第35篇第119(e)条的规定要求于2014年7月28日提交的美国临时申请序列号62/029,650的优先权，其全部内容通过引用整体并入本文并用于所有目的。
技术领域
本公开涉及一种通过使用视频方法实时测量应变和相关数据的方法。
现有技术描述
视频引伸测定在现有技术中是已知的，并且为其预期目的而得到很好的发展。然而，用视频装置测量应变的显著限制性方面是以很高的速度收集图像，将图像提供给图像处理引擎，处理图像以产生位移或应变值，以软件可消耗格式输出应变值，并使其与通过传统实时方法(例如，测力传感器具有电平衡的桥)收集的其它数据同步。
有许多视频处理引伸计的制造商。提供这些视频处理引伸计的一些主要公司是Shimadzo，Zwick和Imetrum。通常，所有这些都使用以下方法论：采用外部机器视觉照相机，输入到PC或视频处理硬件并使用硬件将数据转换为电信号，或具有与材料测试系统兼容的软件接口。
现有技术包括由Instron制造的IPVE和AVE 1，并且它们为它们的预期目的而被很好地开发。这些装置使用外部照相机、PC和模拟输出来捕捉图像并处理来自这些图像的应变值。应变数据由PC中的软件计算并通过模拟输出来输出。这在图1中示出。
有许多算法用于从视频图像计算应变，并且每个算法具有优点和缺点。大多数系统的主要缺点是它们使用现成的高速机器视觉照相机，通过高速总线将图像传输到处理系统，使用诸如PC或微控制器的标准或专用处理系统来操纵图像，然后将数据内部地输出到处理系统上的软件或经由转换器输出到电信号。通常，这些系统消耗整个图像并且在像素阵列上工作以产生应变或位移值。以这种方式计算应变或位移是计算密集的并且需要大的微处理器系统。此外，为了保证实时行为以满足许多材料测试需要，在处理系统上使用实时操作系统。在计算应变或位移数据之后，将其输出到需要专用接口并且不是非常便携的PC上的软件，或经由模拟或编码器装置将其输出。这些系统具有关于时间延迟、集成和需要计算能力的问题。
发明内容
因此，本公开的目的是开发关于实时视频引伸计的进一步改进。
本公开的实施例通过以下方式来克服上述不足：将图像源、数据处理和电输出组合到单个处理板上，以便实现高频图像和数据流的低延迟时间。进一步，数据处理引擎或FGPA(现场可编程门阵列)基于像素处理图像，并且更新中间应变导致的输出，以使得在接收到最终图像像素之后，实现最终的延伸/应变值并立即输出用于评估。这种硬件和过程使得实时视频引伸计类似于传统的机电装置(例如夹式装置)，并允许它们以相同的方式通过材料测试系统连接并使用。高速实时视频处理的最终结果是大大提高了精度，更快的跟踪试样伸长率和非常低的延迟数据，这允许用户执行并满足测试标准的整个范围。
实时视频引伸计将图像输入、数据处理引擎和延伸/应变数据输出组合到单个视频处理板上，以最小化输入和输出数据延迟并最大化处理速度。视频处理板还消除了与操作系统相关的外部延迟和处理时间问题。关于处理系统的改进的主要原因是在数据处理系统的FPGA(现场可编程门阵列)部分上实施整个算法。设计和实现使得来自输入的整个数据路径在硬件中进行，并且因此整个系统是确定的和高速的。
附图说明
从以下说明和附图将明白本公开的其他目的和优点，其中：
图1是现有技术的透视图。
图2是本公开的设备的部件的透视图。
图3是本公开的设备的原理图。
图4是本公开的设备的视频处理板的框图。
具体实施方式
现在详细参考附图，其中在全部几个视图中相同的附图标记表示相同的元件，可以看出，图1是现有技术的引伸计1000。该引伸计1000利用外部照相机、PC和数据通信来捕捉图像并产生延伸/应变值。延伸/应变数据由PC中的软件并通过模拟输出计算。更具体地，电子外壳1010保持印刷电路板、照相机(通常具有偏振和光滤波器)和用于不同视场的透镜。由照相机接收的图像通过恒定密度空气管(CDAT)1020取得。一体照明单元1030固定到恒定密度空气管(CDAT)1020的侧面。此外，提供了二维校准固定装置1040。
图2示出了本公开的实时视频引伸计10的实施例的外观。实时视频引伸计10包括实施为LED阵列的一体照明单元12，以照明待测试样(参见图3，元件200，以及涂覆或以其他方式固定到试样200的视频目标202)，如图3的测试框架190所实施的。实时视频引伸计10还包括电子外壳14，电子外壳包括印刷电路板或视频处理板15(也参见图3和图4)和具有偏振滤波器17(参见图3)的照相机或图像传感器16(也参见图3)。照相机或图像传感器16包括用于一系列视场的各种透镜。电子外壳14还包括透镜入口18以允许接近各种透镜和板以校准实时视频引伸计10。另外，引伸计10包括恒定密度空气管(CDAT)20和在一体照明单元12(实施为LED阵列)和照相机16的透镜上的90度光偏振。另外使用与现有技术类似的二维校准固定装置21。
如图3所示，视频处理板15包括现场可编程门阵列(FPGA)22(以提高处理速度)和微处理器24。视频处理板还包括线路19，以控制恒定密度空气管(CDAT)20的风扇20'，以便产生虚拟空气管。实时视频引伸计10使用包括以太网、模拟器、编码器或SPI的标准接口连接到材料测试机(测试框架190)和软件。这允许将装置插入现有系统并供现有系统使用，而不需要专用集成软件或硬件。实时视频引伸计10分别通过线路302、304向材料测试机190提供轴向和横向编码器或模拟信息。材料测试机190通过线路306向实时视频引伸计10提供触发/同步信息。实时视频引伸计10和材料测试机190通过线路308、310与外部计算机400(图示为膝上型计算机，但是设想到可以实现其他计算或处理装置)交换包括延伸/应变数据的实时测试数据，线路308、310可以通过以太网连接来配置。通常，实时视频引伸计10向材料测试机190提供延伸/应变数据，材料测试机190又向外部计算机400提供应力和延伸/应变数据。
图4是作为本公开的实时视频引伸计10的典型实施例的概述的框图。使用板载图像传感器16或辅助照相机链路连接器输入40(也在图3中示出)将视频图像输入到系统。收集的图像数据完全由处理系统30(例如但不限于Zync XC7020 SoC)的可编程逻辑(参见图3的FPGA 22)中的处理系统消耗，其中利用专用逻辑来计算多轴延伸/应变值(即，如图3所示，通过附加到试样200的视频目标202的视频监视计算的目标间距离的变化或百分比变化)，并且经由板载轴向或横向数字模拟转换器(DAC)32或34、编码器36或SPI接口38电输出将数据输出并最终通过图3的线路302、304加载到材料测试机190(图3)。更具体地，数模转换器(DAC)32、34分别提供轴向和横向的应变或位移信号(通常在负十伏特到正十伏特的范围内)，这允许两个单独(通常为轴向和横向，或者彼此正交)的应变或位移信号被实时输出到材料测试机190。编码器36可以包括两个正交编码器输出，其允许两个单独的应变或位移信号被实时输出到材料测试控制器。SPI接口38将数字化信号通信到任何数量的PC，并且进一步实时地输出到材料测试机190。
实时视频引伸计10的其它功能通常由实施为视频处理板15的主印刷电路板实现。
板载成像器和透镜(照相机)16实现机器视觉图像传感器，以向处理系统30提供高速图像。
辅助照相机链路连接器输入40使用标准连接器以允许使用现成的机器视觉照相机。这可以用于代替板载成像器和透镜(照相机)16或与其结合。加速计42安装在透镜16处以检测在算法和/或事件检测器中使用的加速度(通常在所有三维中)。
同步器44允许诸如材料测试机190(参见图3)的外部装置经由线路306(见图3)提供同步脉冲，从而对发送到外部计算机或PC 400(参见图3)的图像进行时间戳标记，以用于以后的对准。该时间戳标记允许对来自图像的时间相关的应力/应变测试结果(其可以是处理后的结果)进行加法计算。类似地，触发器46允许诸如材料测试机190的外部装置经由数据处理引擎中的线路306(参见图3)触发事件，并且执行诸如高速图像缓冲和到外部计算机或PC 400(参见图3)的传输的功能。这允许实时计算时间相关的应力/应变测试结果。
风扇控制19CDAT 20的风扇20'的速度控制以针对距离优化CDAT 20。LED控制48包括两组(banks)LED/投影仪阵列控制以与两个不同照相机一起使用
视频GigE块50提供专用于高速图像传输的以太网连接。类似地，用户GigE块52和控制器GigE块54提供以太网连接，以允许处理系统30和材料测试机190的控制器，从而经由以太网交换机56与外部计算机或PC 400通信。
USB端口58向图像处理引擎提供调试和消息传送。
DDR 3 RAM 60提供内部存储器以允许存储由高速图像传感器16捕捉的图像和其它数据。此外，一些实施例可以包括SODIMM连接(未示出)以提供板载存储器连接，从而允许存储来自高速图像传感器16的高速且持续时间长的图像。
本公开的实施例通常具有许多以下优点：
1.高速数据输入、数据处理和数据输出。
2.基于硬件(FPGA)的算法实现，用于实时确定性行为，而没有微处理器或PC系统的副作用。
3.单板而不是许多硬件集成在一起。
4.照相机、处理系统和输出装置的主要成本降低。这提供了价格灵活性，同时仍然实现非常高的规格。
5.独立视频装置直接输出延伸或应变，并且可以用在许多现有系统上。
6.由于独立的性能而易于使用。它类似于标准夹式引伸计。
7.该装置可以以可用于闭环控制的速率提供数据。
8.由于数据速率的提高，该装置可用于更高速度的应用。例如，这可以用于收集数据并对运行正弦波形的动态系统执行控制。
本公开的典型实施例的本质优点是大大提高了精度，更快地跟踪试样和非常低的延迟数据，这允许用户执行并满足测试标准的整个范围。
典型的测试过程如图3所示。具有视频目标202的试样200接合在材料测试机190内。在接近材料测试机190对试样200施加应力诱导载荷的时间时，将命令信号发送到视频处理板15和材料测试机190，再到外部计算机400。然后，实时视频引伸计10捕捉视频目标202之间的绝对距离，并监视视频目标202的相对移动，以实时计算延伸/应变。在实时视频引伸计10、材料测试机190和外部计算机400之间交换应力数据和应变数据，并且通常通过外部计算机400的屏幕进行组织并显示。
因此，最有效地获得了几个上述目的和优点。虽然本文中已经详细公开和描述了本发明的优选实施例，但应当理解，本发明绝不局限于此。

Claims (14)

1.一种用于测量测试试样上的延伸/应变的引伸计，包括：
成像装置，用于生成经受应力诱导负载的测试试样的图像；
计算装置，用于接收测试试样的图像，确定测试试样上的目标的移动，并且根据所确定的目标的移动确定延伸/应变，所述视频装置和所述计算装置在单个电路板上；以及
输出装置，用于实时输出所确定的延伸/应变。
2.根据权利要求1所述的引伸计，还包括用于接收触发器或同步信号以启动操作或时间戳标记的输入。
3.根据权利要求1所述的引伸计，其中，所述计算装置包括现场可编程门阵列。
4.根据权利要求3所述的引伸计，其中，所述计算装置包括微处理器。
5.根据权利要求4所述的引伸计，其中，所述微处理器和所述现场可编程门阵列位于所述单个电路板上。
6.根据权利要求1所述的引伸计，其中，在两个正交方向上确定延伸/应变。
7.根据权利要求1所述的引伸计，其中，在轴向和横向上确定延伸/应变。
8.根据权利要求1所述的引伸计，还包括恒定密度空气管，所述成像装置通过所述恒定密度空气管观察所述测试试样。
9.根据权利要求8所述的引伸计，其中，所述恒定密度空气管包括至少一个风扇，从而形成虚拟空气管。
10.根据权利要求9所述的引伸计，其中，所述恒定密度空气管的至少一个风扇至少部分地由所述单个电路板控制。
11.根据权利要求1所述的引伸计，还包括以太网连接。
12.根据权利要求1所述的引伸计，还包括用于照射所述测试试样的照明装置。
13.根据权利要求1所述的引伸计，其中，所述照明装置发射偏振光。
14.根据权利要求1所述的引伸计，还包括用于接收经受应力诱导负载的测试试样的图像的辅助照相机链路连接器输入。
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