一种基于光全内反射的压力分布测量装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及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、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，彩色图片拍摄装置位于密闭外壳内，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。本实用新型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。本实用新型成本低、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】
-种基于光全内反射的压力分布测量装置
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种压力分布测量装置，尤其设及一种基于光全内反射的压力分 布测量装置。
【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W 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W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W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，本实用新型提供一种基于光全内反射的压力分布测量装置，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，本实用新型采取的技术方案为：
[0006] -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Lm)光源、玻 璃光波导板、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，彩色图片拍摄装置位于密闭外壳内，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。
[0007] 彩色图片拍摄装置为CMOS或CCD相机。
[000引还包括上位机，CMOS或CCD相机与上位机之间通过WIFI无线数据传输。
[0009] 弹性暗色薄膜的面积大于等于玻璃光波导板的面积。
[0010] -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：
[0011] (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：
[0012] 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iXj型矩阵，其中托JT'表示图片的大小；
[0013] 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i炎！ 型矩阵，其中i災若表示图片的大小；
[0014] C.计算像素每个红色分量值对应的压力值 [001引首先计算盈与的差值:G糾'记蠢卽-為,
[0016]然后计算所有像素红色分量总和岸中，挖C*；J^为?中第1行 第f列元素，Μ为所有像素红色分量总和，
[0017]最后计算像素每个红色分量值对应的压力值|&:銷^^--，其中懸为标准重量 破码的重量，11：为每个红色分量值对应的压力值；
[0018] (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 F、 *碱'
[0019] ^减掉空载时的红色分量島:擬^嘴
[0020] 然后与每个红色分量值对应的压力值嫌相乘:?然，从而得到 各个像素的压力分布%，根据%I绘制出相应的二维压力分布图和Ξ维压力分布图；
[0021] (3).通过连续拍摄图片，通过下面两个公式计算压力重屯、：
[0024]其中（胃，黎^；^)为t时刻压力重屯、，糊分别为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屯、绘制出动态压力重屯、轨迹图。
[00巧]本实用新型是基于光全内反射（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。
[00%]本实用新型主要由弹性暗色薄膜、红色Lm)光源、玻璃光波导板、彩色图片拍摄装 置(小型CM0S/CCD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： [0027]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Lm)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 L抓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运个彩色光线图， 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维矩阵表示 图片的大小，3为红、绿、蓝Ξ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W获得动态重屯、轨迹图。因为光源用的红色LED,所 W处理的都是红色分量，每张照片都要提取红色分量。
[0028] 本实用新型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W测量静态、动态等压力分布，并且可W生成二维、Ξ维压力分布图、动态重屯、移动轨 迹图等，使用简单，操作方便。
【附图说明】
[0029] 图1为本实用新型的部分分解结构示意图。
[0030] 图2为本实用新型的俯视结构示意图。
[0031] 图3为本实用新型的红色L邸光源配合于套子内的结构示意图。
[0032] 图4为本实用新型的原理结构示意图。
[0033] 图5为本实用新型上位机的流程框图。
[0034] 图6为被测量物体图像的红色分量图。
[0035] 图7为被测量物体的二维压力分布示意图。
[0036] 图8为被测量物体的Ξ维压力分布示意图。
[0037] 图9为被测量物体的动态压力重屯、轨迹示意图。
[0038] 图中：弹性暗色薄膜1、红色Lm)光源2、玻璃光波导板3、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】
[0039] W下结合附图所示之最佳实施例作进一步详述：
[0040] 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Lm)光源2、玻璃光波导板3、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，彩色图片拍摄装置4位于密闭外壳5内，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Lm)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。
[0041 ]本实施例彩色图片拍摄装置4为CMOS相机。
[0042] CMOS相机与上位机6之间通过WIFI无线数据传输。
[0043] 弹性暗色薄膜1的面积大于等于玻璃光波导板3的面积。
[0044] -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：
[0045] ( 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：
[0046] 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量·4^·，·4^·为一个E'xj'型 矩阵，其中f災/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;
[0047] b.在玻璃光波导板3上放置一件20KG破码，考虑到玻璃光波导板3的承载力，破码 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%，%为一个fXj型矩阵，其中??Ι?表示图片的大小；
[004引 C.计算像素每个红色分量值对应的压力值ft:
[00例首先计算蟲卸与的差值:馬尸露的…
[0化0]然后计算所有像素红色分量总和
其中，为技中第1行 第f列元素，胃为所有像素红色分量总和，
[0化1]最后计算像素每个红色分量值对应的压力值
其中戀为标准重 量，运里为20000G，|殺为每个红色分量值对应的压力值；
[0052] (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 果I
[0化引 ^|减掉空载时的红色分量'*^:編^';.巧^'
[0054] 然后与每个红色分量值对应的压力值ft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；运 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，Ξ维压力分布用高度来表示。
[0055] (3).通过连续拍摄图片，通过下面两个公式计算压力重屯、：
[005引其中为t时刻压力重必，jg?、胃分别为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1? 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。
[0059] W上所述仅为本实用新型的较佳实例，并不用W限制本实用新型，凡在本实用新 型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护 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 LED光源、玻璃光波导板、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，彩色图片拍摄装置位于密 闭外壳内，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。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: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C⑶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。
【文档编号】G06T7/00GK205620055SQ201620392149
【公开日】2016年10月5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