[發(fā)明專利]一種顯微視覺應(yīng)變傳感器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011159486.5
• 申請日: 2020-10-26
• 公開（公告）號: CN112212797A
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙雪峰;謝波濤;丁明偉
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠(yuǎn)

本發(fā)明公開一種顯微視覺應(yīng)變傳感器，該傳感器的基本構(gòu)成包括位移敏感結(jié)構(gòu)、顯微鏡、攝像頭、限位裝置、封裝結(jié)構(gòu)和固定支座。其中，位移敏感結(jié)構(gòu)的功能是將應(yīng)變傳感標(biāo)距兩端點之間的位移變化轉(zhuǎn)換成位于局部位置的微小視覺標(biāo)靶之間的相對位移變化。顯微鏡的功能是數(shù)十倍地光學(xué)放大視覺標(biāo)靶之間的相對位移變化視野范圍，以提高測量的分辨率與精度。攝像頭的功能是進(jìn)行視覺標(biāo)靶相對位置變化的圖片、視頻采集。限位裝置用于減小應(yīng)變傳感器內(nèi)部敏感構(gòu)件的位置固定誤差；封裝結(jié)構(gòu)對傳感器的主要構(gòu)件進(jìn)行封裝保護(hù)；固定支座將傳感器固定到所測物體上。本傳感器使用方便，實現(xiàn)分辨率為10^?6量級的應(yīng)變監(jiān)測與檢測，可以降低應(yīng)變測量費用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域，尤其涉及到結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)變變形測量的傳感器及其制作方法。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域中，結(jié)構(gòu)應(yīng)變是一項重要的監(jiān)測指標(biāo)，應(yīng)變能反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件包括材料等所處的狀態(tài)，便于分析結(jié)構(gòu)在荷載(包括地震、臺風(fēng)等災(zāi)害)作用下的安全狀態(tài)。本發(fā)明基于機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行顯微視覺應(yīng)變傳感器的設(shè)計，實現(xiàn)分辨率為10^-6量級的應(yīng)變測量。該傳感器能顯著降低應(yīng)變測量的成本，拓寬應(yīng)變監(jiān)測在實際結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用前景。

背景技術(shù)

在土木工程領(lǐng)域，測量結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)變對于了解結(jié)構(gòu)的安全性能以及結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)具有重要意義。因此，獲得結(jié)構(gòu)在荷載作用下的應(yīng)變信息是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工作的常規(guī)內(nèi)容之一。對于整體結(jié)構(gòu)來說，我們會關(guān)心其在動荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)參數(shù)，所以需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實時監(jiān)測，獲得并分析結(jié)構(gòu)響應(yīng)和模態(tài)參數(shù)等，而這些反映結(jié)構(gòu)靜力與動力特性的參數(shù)主要有應(yīng)變、加速度與位移。對于結(jié)構(gòu)的構(gòu)件來說，往往需要知道其在工作狀態(tài)下的應(yīng)力響應(yīng)情況，為后續(xù)評價構(gòu)件的性能分析提供依據(jù)，對于此類問題，常常通過應(yīng)變來進(jìn)行分析。

傳統(tǒng)的應(yīng)變測量手段主要有以電阻式應(yīng)變片為代表的電學(xué)測試法和以光纖光柵傳感器為代表的光學(xué)類測試法。它們雖然屬于接觸式測量手段，但在各個工程領(lǐng)域都有十分廣泛的應(yīng)用。以上方法存在一定需要完善的地方：1)準(zhǔn)備工作較復(fù)雜：電阻應(yīng)變片多采用紙質(zhì)或膠質(zhì)基底，易受環(huán)境(如電磁場、溫濕度、化學(xué)腐蝕等)影響、在室外工作環(huán)境下存在壽命短的問題，并且為了采集電阻絲的電阻變化需要焊接微小線路，考驗應(yīng)用人員的技術(shù)水平。而光纖光柵傳感器需要預(yù)先對直徑細(xì)小的光纖光柵進(jìn)行封裝，隨后還需進(jìn)行標(biāo)定。2)長期監(jiān)測穩(wěn)定性有待提高。電阻應(yīng)變片存在零漂的現(xiàn)象，光纖光柵傳感器也存在光纖布拉格波長隨時間漂移的現(xiàn)象，這為長期監(jiān)測帶來誤差。3)電阻應(yīng)變片與光纖光柵應(yīng)變傳感器的信號采集與分析設(shè)備成本較高，尤其是光纖光柵解調(diào)儀的成本更高。上述的各因素使得這兩種手段難以在工程監(jiān)測領(lǐng)域得到更大規(guī)模的應(yīng)用。

顯微鏡和機(jī)器視覺圖像處理技術(shù)的發(fā)展，為解決上述問題帶來了契機(jī)。借助顯微鏡的運用，可以觀測微小視場內(nèi)相對標(biāo)靶高精度位移變化；圖像處理技術(shù)可以對所獲取變形前后特征點圖片進(jìn)行目標(biāo)識別、相對位移測量，進(jìn)而實現(xiàn)應(yīng)變測量。本發(fā)明專利以此為思路，提供了一種使用方便，精度高，測量成本低的顯微視覺應(yīng)變傳感器。

發(fā)明內(nèi)容

針對已有應(yīng)變傳感技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種新型的顯微視覺應(yīng)變傳感器。其特征在于，將應(yīng)變傳感標(biāo)距內(nèi)的應(yīng)變變化所對應(yīng)的位移伸縮量，通過位移敏感結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成可以用顯微鏡視覺測量的位移，從而實現(xiàn)傳感標(biāo)距內(nèi)應(yīng)變的測量。該傳感器的應(yīng)變分辨率可以達(dá)到10^-6級別，且結(jié)構(gòu)簡單安裝方便，能夠降低應(yīng)變測量成本。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種顯微視覺應(yīng)變傳感器，包括位移敏感結(jié)構(gòu)、顯微鏡、攝像頭、限位裝置、封裝結(jié)構(gòu)和固定支座；

所述的封裝裝置主要由內(nèi)部套管和外部套管構(gòu)成；探針位于內(nèi)部套管內(nèi)，二者的一端通過左固定支座固定于被測物體上；外部套管的一端通過右固定支座固定于被測物體上；外部套管套裝于內(nèi)部套管外；