一种基于光全内反射的压力分布测量装置及其测量方法

文档序号:10486698阅读:360来源:国知局
一种基于光全内反射的压力分布测量装置及其测量方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于光全内反射的压力分布测量装置及其测量方法,包括弹性暗色薄膜、红色LED光源、玻璃光波导板、高分辨率彩色图片拍摄装置、密闭外壳,玻璃光波导板设置于密闭外壳的上端敞口处,弹性暗色薄膜位于玻璃光波导板上端面,高分辨率彩色图片拍摄装置位于密闭外壳内,高分辨率彩色图片拍摄装置设有与玻璃光波导板相对的拍摄镜头,在玻璃光波导板周向设有管子,红色LED光源设置于管子内。本发明基于光全内反射的原理,当光由光密介质射到光疏介质的界面时,光全部被反射到原介质。本发明成本低、分辨率高,易携带,可测量静态、动态压力分布,可生成二维、三维压力分布图、动态重心移动轨迹图,使用简单,操作方便。
【专利说明】
一种基于光全内反射的压力分布测量装置及其测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种压力分布测量装置及其测量方法,尤其涉及一种基于光全内反射 的压力分布测量装置及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 目前,在许多行业中,对压力分布的测量和分析都起着极其重要的作用。如在人体 工程学中,对座椅设计和舒适度研究方面,由于人体各部位对压力的承受能力不同,压力过 高或者过低都会使人感到不舒适,通过人体在座椅上的压力分布检测,研究人员可以了解 到人体各部位所承受的压力,从而指导座椅舒适性设计;在汽车轮胎设计方面,通过测量轮 胎的对地压力分布,可以分析轮胎的压力特性与驾驶性能的关系、轮胎印痕与路面磨损的 关系等,对轮胎生产的质量控制具有重要意义;同时在电路板印刷压力平衡调整、高速碰撞 研究、医疗和商业床垫的设计、人类步态分析等方面也都具有重要的意义。
[0003] 目前,市场上的压力分布测量仪器的主要原理都采用压阻式传感器,若干个压阻 式传感器进行矩阵式排列,每个传感器都是一个感测因子,在压力作用下,测量每个感测因 子的阻值变化,从而获得压力大小、时间以及作用区域等信息。此类压力分布测量存在分辨 率低、价格昂贵等问题,不便于大规模推广。

【发明内容】

[0004] 为解决上述问题,本发明提供一种基于光全内反射的压力分布测量装置及其测量 方法,压力分布测量成本低、分辨率高,易携带,使用简单,操作方便。
[0005] 为实现上述目的,本发明采取的技术方案为: 一种基于光全内反射的压力分布测量装置,包括弹性暗色薄膜、红色LED光源、玻璃光 波导板、高分辨率彩色图片拍摄装置、上端敞口的密闭外壳,玻璃光波导板设置于密闭外壳 的上端敞口处,弹性暗色薄膜位于玻璃光波导板上端面,高分辨率彩色图片拍摄装置位于 密闭外壳内,高分辨率彩色图片拍摄装置设有与玻璃光波导板相对的拍摄镜头,在玻璃光 波导板的周向设有管子,红色LED光源设置于管子内。
[0006] 高分辨率彩色图片拍摄装置为CMOS或CCD相机。
[0007] 还包括上位机,CMOS或C⑶相机与上位机之间通过WIFI无线数据传输。
[0008] 弹性暗色薄膜的面积大于等于玻璃光波导板的面积。
[0009] -种基于光全内反射的压力分布测量装置对应的测量方法,包括如下步骤: (1).首先,在基于光全内反射的压力分布测量装置测量压力分布之前,需要标定,标定 方法步骤如下: a. 将CMOS或CCD相机设定好,当玻璃光波导板上空载时,CMOS或CCD相机拍摄彩色图片 并传给上位机,上位机对图片的图像进行处理,提取图像中的红色分量為u?,為α_为一个 型矩阵,其中表示图片的大小; b. 在玻璃光波导板上放置一件标准重量的砝码,CMOS或CCD相机拍摄彩色图片并传给 上位机,上位机对图片的图像进行处理,提取图像中的红色分量%/,^/为一个型矩阵, 其中表示图片的大小; C.计算像素每个红色分量值对应的压力值1?: 首先计算%?·与為的差值:Gcj-_= _七/::一為U-, 然后计算所有像素红色分量总和其中,为中第I行第少列 元素,?为所有像素红色分量总和,
最后计算像素每个红色分量值对应的压力值其中G为标准重量砝码的 ^JUIR 重量,JRic为每个红色分量值对应的压力值; (2) .标定完成后,把需要测量的物体放置在玻璃光波导板上,CMOS或CCD相机拍摄彩色 图片并传给上位机,上位机对图片的图像进行处理,提取图像中的红色分量,生成矩阵 ^减掉空载时的红色分量-為Cj-, 然后4^_与每个红色分量值对应的压力值m相乘:?; ,从而得到各个 像素的压力分布%/,根据Ak/绘制出相应的二维压力分布图和三维压力分布图; (3) .通过连续拍摄图片,通过下面两个公式计算压力重心:
其中为t时刻压力重心,分别为t时刻拍摄图片的像素横坐标和 像素纵坐标,(办#))为t时刻拍摄图片的(雄),冰))坐标处的压力值,根据计算的不同 时刻的压力重心绘制出动态压力重心轨迹图。
[0010] 本发明是基于光全内反射(TIR,Total Internal Reflection)的原理,当光由光 密介质射到光疏介质的界面时,光全部被反射到原介质。
[0011]本发明主要由弹性暗色薄膜、红色LED光源、玻璃光波导板、高分辨率彩色图片拍 摄装置(小型CM0S/CXD相机,带WIFI传输功能)、密闭外壳及上位机组成,主要工作原理如 下: 暗色弹性薄膜遮盖住整个装置,使外界光无法进入装置。红色LED光源分布在玻璃玻璃 光导板的四周,从玻璃光波导板侧边照射到玻璃光波导板内部,为了避免光散射,红色LED 光源全部被安装在管子里,由于空气的反射率小于玻璃,根据光全内反射的原理,当红色光 在玻璃光波导板内部入射角小于其临界角时,红色光只在玻璃光波导板内反射,没有光传 递到外面,照相机拍不到光线,拍摄的图片是一片黑色。当有暗色弹性薄膜上有压力时,压 力通过薄膜传递到玻璃光波导板,导致玻璃光波导板上端发生变形,在变形处发生漫反射, 从而产生一个对应压力分布的彩色光线图,通过照相机的拍摄获取这个彩色光线图,并利 用WiFi传递给上位机。彩色光线图即彩色图片其实是一个3维矩阵,作/表示图片的 大小,3为红、绿、蓝三个分量,上位机提取图片中红色分量,并做适当的处理,根据计算每个 像素的红色分量值(0-255)和标定的每个红色分量值对应的压力值,从而获得压力分布 图,通过连续拍摄图片并处理,可以获得动态重心轨迹图。因为光源用的红色LED,所以处 理的都是红色分量,每张照片都要提取红色分量。
[0012] 本发明压力分布测量装置采用电池供电,具有成本低、分辨率高,易携带等特点, 可以测量静态、动态等压力分布,并且可以生成二维、三维压力分布图、动态重心移动轨迹 图等,使用简单,操作方便。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明的部分分解结构示意图。
[0014] 图2为本发明的俯视结构示意图。
[0015] 图3为本发明的红色LED光源配合于套子内的结构示意图。
[0016] 图4为本发明的原理结构示意图。
[0017]图5为本发明上位机的流程框图。
[0018] 图6为被测量物体图像的红色分量图。
[0019] 图7为被测量物体的二维压力分布示意图。
[0020]图8为被测量物体的三维压力分布示意图。
[0021]图9为被测量物体的动态压力重心轨迹示意图。
[0022] 图中:弹性暗色薄膜1、红色LED光源2、玻璃光波导板3、高分辨率彩色图片拍摄装 置4、拍摄镜头4-1、密闭外壳5、上位机6、管子7、物体8。
【具体实施方式】
[0023] 以下结合附图所示之最佳实施例作进一步详述: 在实施例1中,见图1~图9,一种基于光全内反射的压力分布测量装置,包括弹性暗色 薄膜1、红色LED光源2、玻璃光波导板3、高分辨率彩色图片拍摄装置4、上端敞口的密闭外壳 5、上位机6,玻璃光波导板3设置于密闭外壳5的上端敞口处,弹性暗色薄膜1位于玻璃光波 导板3上端面,高分辨率彩色图片拍摄装置4位于密闭外壳5内,高分辨率彩色图片拍摄装置 4设有与玻璃光波导板3相对的拍摄镜头4-1,在玻璃光波导板3的周向设有管子7,红色LED 光源2设置于管子7内。上位机6即计算机,安装对应的软件。
[0024] 本实施例高分辨率彩色图片拍摄装置4为CMOS相机。
[0025] CMOS相机与上位机6之间通过WIFI无线数据传输。
[0026] 弹性暗色薄膜1的面积大于等于玻璃光波导板3的面积。
[0027] -种基于光全内反射的压力分布测量装置对应的测量方法,包括如下步骤: (1).首先,在基于光全内反射的压力分布测量装置测量压力分布之前,需要标定,标定 方法步骤如下: a. 将CMOS相机设定好,当玻璃光波导板3上空载时,CMOS相机拍摄彩色图片并传给上位 机6,上位机6对图片的图像进行处理,提取图像中的红色分
丨矩阵,其 中表示图片的大小,本实施例图片大小为410X690,彩色图片矩阵为410X690 X 3,红色 分量矩阵为410 X 690; b. 在玻璃光波导板3上放置一件20KG砝码,考虑到玻璃光波导板3的承载力,砝码重量 不宜过大,CMOS相机拍摄彩色图片并传给上位机6,上位机6对图片的图像进行处理,提取图 像中的红色分量%/,化/为一个型矩阵,其中表示图片的大小; C.计算像素每个红色分量值对应的压力值1?: 首先计算^^的差值:CitJ: = , 然后计算所有像素红色分量总和:
3第I行第^列 元素,sum为所有像素红色分量总和, 最后计算像素每个红色分量值对应的压力值&:~=1,其中G为标准重量,这里 ^lOR 为20000G,为每个红色分量值对应的压力值; (2).标定完成后,把需要测量的物体8放置在玻璃光波导板3上,CMOS相机拍摄彩色图 片并传给上位机6,上位机6对图片的图像进行处理,提取图像中的红色分量,生成矩阵3^-, 减掉空载时的红色分量-為^-, 然后与每个红色分量值对应的压力值1?:相乘,从而得到各个 像素的压力分布及根据绘制出相应的二维压力分布图和三维压力分布图;这里横坐 标表示X方向像素,纵坐标表y方向像素,对于每个像素点的压力大小,二维压力分布用相应 的颜色表示,三维压力分布用高度来表示。
[0028] (3).通过连续拍摄图片,通过下面两个公式计算压力重心:
其中为t时刻压力重心,I物、Ki)分别为t时刻拍摄图片的像素横坐标和 像素纵坐标,为t时刻拍摄图片的坐标处的压力值,根据计算的不同 时刻的压力重心绘制出动态压力重心轨迹图。
[0029]以上所述仅为本发明的较佳实例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原 则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于光全内反射的压力分布测量装置,其特征在于:包括弹性暗色薄膜、红色 L邸光源、玻璃光波导板、高分辨率彩色图片拍摄装置、上端敞口的密闭外壳,玻璃光波导板 设置于密闭外壳的上端敞口处,弹性暗色薄膜位于玻璃光波导板上端面,高分辨率彩色图 片拍摄装置位于密闭外壳内,高分辨率彩色图片拍摄装置设有与玻璃光波导板相对的拍摄 镜头,在玻璃光波导板的周向设有管子,红色L邸光源设置于管子内。2. 根据权利要求1所述的基于光全内反射的压力分布测量装置,其特征在于:高分辨率 彩色图片拍摄装置为CMOS或CCD相机。3. 根据权利要求2所述的基于光全内反射的压力分布测量装置,其特征在于:还包括上 位机,CMOS或CCD相机与上位机之间通过WIFI无线数据传输。4. 根据权利要求3所述的基于光全内反射的压力分布测量装置,其特征在于:弹性暗色 薄膜的面积大于玻璃光波导板的面积。5. -种如权利要求4所述的基于光全内反射的压力分布测量装置对应的测量方法,其 特征在于:包括如下步骤: (1) .首先,在基于光全内反射的压力分布测量装置测量压力分布之前,需要标定,标定 方法步骤如下: a. 将CMOS或CCD相机设定好,当玻璃光波导板上空载时,CMOS或CCD相机拍摄彩色图片 并传给上位机,上位机对图片的图像进行处理,提取图像中的红色分量为一个 型矩阵,其中表示图片的大小; b. 在玻璃光波导板上放置一件标准重量的破码,CMOS或CCD相机拍摄彩色图片并传给 上位机,上位机对图片的图像进行处理,提取图像中的红色分量%,%为一个淡《I型矩阵, 其中表示图片的大小; C.计算像素每个红色分量值对应的压力值&: 首先计算与-歲I的差值:每j二馬;., 然后计算所有像素红色分量总和:,其中,中第丞行第豕列 元素,胃为所有像素红色分量总和, 最后计算像素每个红色分量值对应的压力值,其中@为标准重量破码 的重量,I被为每个红色分量值对应的压力值; (2) .标定完成后,把需要测量的物体放置在玻璃光波导板上,CMOS或CCD相机拍摄彩色 图片并传给上位机,上位机对图片的图像进行处理,提取图像中的红色分量,生成矩Μ. ^减掉空载时的红色分量, 然后与每个红色分量值对应的压力值1?相乘,从而得到各个 像素的压力分布%|·,根据绘制出相应的二维压力分布图和Ξ维压力分布图; (3) .通过连续拍摄图片,通过下面两个公式计算压力重屯、:其中(嚷为t时刻压力重屯、,域i、。胡験分别为t时刻拍摄图片的像素横坐标和像 素纵坐标,ιψΙΙ 为t时刻拍摄图片的ΙΨΙ ι?坐标处的压力值,根据计算的不同时 刻的压力重屯、绘制出动态压力重屯、轨迹图。
【文档编号】G06T7/00GK105841861SQ201610287738
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月4日
【发明人】邓志辉, 丁晨阳, 贾允毅
【申请人】常州信息职业技术学院
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