CCD图像传感器在外压容器失稳实验的应用

徐巧莲，邹久朋，王泽武，张礼鸣，刘润杰，胡大鹏

(大连理工大学 化工机械学院，辽宁 大连 116024)

CCD图像传感器［1］作为一种新型光电转换器，现已被广泛应用于保安监控、图像采集、摄像以及工业测量等。近年来，CCD图像传感器及高性能和低价格的CCD工业摄像设备已经被许多高等院校广泛应用于科研及教学实验之中，以提高实验测试水平及数据准确性。本文将通过引入先进的CCD图像技术及传感器设备，改革现阶段本科生外压容器失稳传统实验教学，以提高学生对实验教学的兴趣和积极性，达到培养学生的创新意识和创新能力的目的。

1 临界失稳压力测定方法

外压容器失稳实验的目的，一是让学生观察试件在外压作用下的失稳过程及形态;二是让学生测定试件失稳时的临界压力，并与理论值比较。实验中最关键的工作是测定试件失稳时的临界压力。传统的临界失稳压力测定主要有三种方法:系统降压法、应变测定法和径向位移法。这些方法是利用传感器通过测量压力、应变及位移等信号获取的数据经过判定直接或间接测定的。本文提出一种新的方法，即CCD图像法。

1.1 系统降压法

试件被装入密闭容器后，其筒体的外表面与实验介质直接接触。当系统加压达到某一压力时试件筒体突然失稳，此时筒体局部向内腔凹入，凹入部分留下的空间立即被介质填充，即介质向凹入位置扩散。根据流体力学理论，体积增大，压力变小，试件失稳时系统压力会出现突变降压，压力曲线有拐点。利用这一现象，可将系统压力的拐点作为试件失稳的临界压力。由于局部小面积失稳的试件压力波动不明显，所以本方法只适用于试件整体变形。目前，各高等院校的本科生外压容器失稳实验大多使用该方法。

1.2 应变测定法

试件在外压作用下其筒体的内表面环向应变随压力增加而加大［2－3］。当试件失稳时，因筒体变形导致表面环向应变发生突变，应变曲线出现拐点，利用应变片贴在试件筒体内表面上测得应变突变值，并将其所对应的压力值，作为试件失稳的临界压力。这种方法需要试件内径空间大，便于安装应变片，且在圆周方向均布4个点进行测量会获得较为理想的结果，多用于科研实验或创新实验，其压力测量精度要比第一种方法高。

1.3 径向位移法

试件筒体径向位移也会随压力的增加而变化，这种位移变化量在试件失稳之前比较小。当试件失稳时，因筒体变形大而导致径向位移量突变增大，位移曲线产生拐点，该位移拐点所对应的系统压力，作为试件失稳的临界压力。该方法可以用位移传感器和压力传感器测量位移和压力，一般位移传感器安装在试件筒体的中部，适用于真空实验的外压实验，失稳压力不能超过大气压［3］。

1.4 CCD图像法

采用摄像方法，把试件筒体和压力表在实验过程中的变化全程拍摄下来，变成一幅幅图像，从图像中找出试件失稳时的图像所对应的压力表图像，读取此幅图像中压力表的压力值作为试件失稳的临界压力。该方法的摄像由CCD摄像头和录像机组合而实现，利用摄像头中的CCD图像传感器将光像转换为与光像成相应比例的电信号“图像”。因此，称这种临界压力测定法为CCD图像法。

表1给出了以上四种方法的实验特点、缺点和应用条件等方面的比较结果。可以看出，除系统降压法为直接测定法外，其余三种方法都是间接测定法，且需要多个信号进行采集，为获得准确的临界压力，均需要多路同步采集。

表1 临界压力的测定方法比较

2 CCD图像法实验系统构建

2.1 实验装置

如图1所示，实验装置主要由外压实验容器、缓冲容器、柱塞泵、离心泵、水箱、压力传感器、压力表、CCD摄像头、圆筒视窗、监视器、录像机、计算机、试件等组成。在外压实验容器上开有透明的视窗，其视窗是用圆筒形的有机玻璃材料制成的，便于学生在实验中观察试件。然而，外压实验容器及视窗在实验中需要承受一定的压力，其载荷形式为疲劳载荷，而且有机玻璃视窗的耐压及寿命很难预测，不利于学生近场观察。

图1 实验系统装置图

为了确保学生实验安全，系统设置3个摄像头代替实验者的“眼睛”，分别拍摄压力表、试件的前后两面筒体，便于学生在实验中通过监视器观察试件前后两面的变形过程。

2.2 CCD图像传感器

电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)是一种半导体成像器件，是在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元与移位寄存器构成的集成化、功能化的光电器件。光敏单元简称为“像素”或“像点”，它们本身在空间上、电气上是彼此独立的。CCD图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成比例的、大小不等的电荷包空间分布。然后，利用移位寄存器的功能将这些电荷包在时钟脉冲控制下实现读取与输出，形成一系列幅值不等的时序脉冲序列［4］。

2.3 图像采集

用CCD的摄像头作为实验系统监测的“眼睛”，试件的图像通过镜头聚焦至CCD芯片上，CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷作为“像素”，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下逐点外移，经滤波、放大处理后形成视频信号输出。视频信号连接到监视器的视频输入端，便可以看到与原始图像相同的视频图像［5］。同时视频信号与录像设备的输入端相连，便可以将视频信号传输到计算机的硬盘里进行存储。本系统摄像设备包括高清可变焦距CCD摄像头和嵌入式数字硬盘录像机，可实现4路同步录像，以25帧/s的速度对视频进行录放。

2.4 图像存储与回放

当实验完成后，将摄像视频存储到数字硬盘录像机(简称DVR)。DVR是一套进行图像存储处理的计算机系统，具有对图像/语音录像/录音、远程监视和控制的功能，并且集合了录像机、画面分割器、云台镜头控制、报警控制、网络传输等五种功能。录像机除了具备录像功能外还具备放像功能，实现检索、倒放、网络监视、录像查询、下载等，以及多种回放模式:慢放、快放、倒放及逐帧播放。利用放像功能按录像的准确时间将视频进行逐帧播放，使图像停留到试件失稳场景中，获得试件失稳和压力表图片，如图2和图3所示。

图2 试件失稳前的压力和形态

图3 试件失稳后的压力和形态

通过以上分析可以看出，采用CCD图像传感器实现外压容器失稳实验需要三个方面的关键技术，分别为:(1)高清的CCD摄像头;(2)具备存储图像数据的设备(硬盘录像机或带视频采集卡的PC机);(3)带视窗的外压容器失稳实验装置。

3 实验结果分析与讨论

图2和图3是一次实验中不同时间抓拍的图片，其时间间隔为0.04 s。两幅图中的(a)、(b)、(c)分别为摄像系统通道一、二、三所拍摄的结果。图2是试件失稳前0.04 s抓拍的图片，其压力表显示的压力为0.19 MPa;图3是试件失稳时抓拍的图片，其压力表显示的压力为0.19 MPa，两幅图的压力基本不变，之后的0.04 s图片显示出压力有明显的下降。因此，试件失稳的临界压力为0.19 MPa。

本文选用2011年2008级本科生的部分实验数据对系统降压法和CCD图像法测定临界失稳压力加以验证，两种方法测定的实验结果如表2所示。

表2 两种实验方法临界失稳压力

表2选择了两类不同规格的4个试件，一类是Φ73 mm的镀锌铁皮毛坯试件，另一类是Φ53 mm的“露露”易拉罐试件，每类试件中都有一个试件在筒体上安装了加强圈，而另一个试件则不带加强圈。通过表2数据可以看出，虽然系统降压法的数据是通过压力传感器及智能仪表采集测取的，CCD图像法的数据是读取试件失稳瞬间变形时所对应的压力表显示值，但是两种方法实验结果基本吻合，表明本文开发的CCD图像法测试系统可靠、可行。

4 结束语

随着传感器技术的发展及新型传感器的问世，教学实验测试手段也在不断更新，未来的外压容器失稳实验或许还会利用更为先进的测量方法获取临界失稳压力，如超声波探测、微型应变探测等等。总之，随着现代技术的不断发展，实验系统也需要不断的改革。另外，实验方法更新的宗旨是以学生为本，努力提高教学质量和实验水平，重在把学生培养成掌握现代科技，具有高水平、高素质的创新型人才。

［1］ 徐湘元，王萍，田慧欣.传感器及其信号调理技术［M］.北京:机械工业出版，2012.

［2］ 张吴星.外压薄壁短圆筒临界失稳压力理论及试验研究［J］.湘潭大学自然科学学报，2001，23(2):81－83.

［3］ Wang J H ，Koizumi A.Buckling of cylindrical shells with longitudinal joints under external pressure［J］.Thin－Walled Structures，2010(48):897－904.

［4］ 陈东雷，王清元，张天顺.CCD传感器及其应用研究［J］.传感器世界，2007(7):22－26.

［5］ 建平.CCD图像传感器的基本应用与感知功能应用探析［J］.射频世界，2010(4):36－39．