便携式材料试验机力值数据采集装置的研制

王曹宇 王浩

【摘要】通过使用高级计算机视觉技术、图像处理方法和串口通信技术，即时读出了基准测力仪读数和CCD镜头的计算机显示力值，解决了材料试验机力值显示系统和标准传感器显示系统信息不同时的问题，确保了力值测定时信息收集正确和数据处理精确，从而实现了材料试验机力值高速、自动、精确测定。

【关键词】材料试验机；力值；工业相机；自动采集处理

【DOI编码】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.06.033

Development of Force Data Acquisition Device for Portable Material Testing Machine

WANG Caoyu1， WANG Hao2

（1.Hebi Drug Inspection and Testing Center， Hebi 458000， China； 2.Liaoning Institute of Metrology， Shenyang 110004， China）

Abstract： In this paper， advanced computer vision technology， image processing methods， and serial communication technology to instantly read out the readings of the reference force measuring instrument and the computer display force values of the CCD lens， solving the problem of different information between the force value display system of the material testing machine and the standard sensor display system. It ensures the correct information collection and accurate data processing during force value measurement， thus achieving high-speed， automatic accurate measurement.

Key words： testing machine for materials； force magnitude； industrial cameras； automatic acquisition and processing

按照JJG 139—2014《拉力、压力和万能试验机》检定规程规定，在对塑料测试机进行检定时必须对其力值信息进行收集、计算、分析，结果必须直接反映隔振装置的检定结果与修正数据，作为本型号设备的主要技术参数之一。试验机力值检定时各个读数点的力值测量都必须通过传感器与设备显示装置同步进行比较。但是由于在实际测定操作时检测人员非常容易发生操作反应速度太慢和读数时间差过大等问题，由此导致结果不正确、超允许偏差、力值传递失败，给仪器使用单位造成不可估量的经济损失。

本文运用最先进的计算机视觉信息技术、计算机图像处理高新技术和串口通信技术，即时读出了标准测力计读数和CCD照相机的电脑显示器力值数据，确保了在材料力值测定时信息收集、数据处理的准确性，提高了力值信息的精确可靠性，并极大地提高了材料隔振装置的检定质量。

在对材料试验机上的标准测力装置进行检查前，首先要按照隔振装置量程的准确度级别选用我们所需要的标准测力仪。对于1级或者2级准确度的材料试验机，要选择高于0.3级的标准测力仪进行检定；对于0.5级准确度的材料试验机，要选择0.1级的标准测力仪进行检定。在进行检定前，应根据试验机的类型和量程按以下要求选择合适的检定点：

1）对于分挡的试验机：每挡的检定点数不能低于5个，且一般按各擋的20%、40%、60%、80%、100%均匀分布；2）对于不分挡的试验机：在较大测试力的20%至100%范围内按近似等间距分布选择5个检查点，对小于较大测试力20%范围的检查点，应选择比例近似小于10%、5%、2%、1%、0.5%、0.2%、0.1%，直到测试范围的下限；3）对于手动换挡的试验机，在每一个辨识力不变化的区域内，至少选择2个检定点。

在选好检定点后，将标准测力仪放置在被检试验机的拉伸或压缩空间，并装好标准测力仪，启动试验机并按照受检点对试验机进行检定，如图1所示。

便携式材料试验机力值数据信息收集设备，采用国际领先的机械视觉信息技术、计算机图像处理信息技术以及串口通信技术，成功克服了材质试验机力值表示设备和标准传感器数据表示设备数据信息采集方式不同时的问题，利用串口通信技术即时读出国家标准测力仪计量仪表的读数，在仪器读数达到规定力值范围时，用CCD或工业照相机抓拍电脑屏幕力值指示的区域，然后再运用字符视觉识别算法在图像中读出测试机的力值数据信息，把国家标准测力仪计量仪表的读数和测试机的力值数据信息加以对比，测算出试验机力值控制系统的所有技术参数，从而完成了材料试验机力值的高速、自动、精确测定。设备的基本设计框架如图2所示。

材料试验机的信号测量部分主要是由CCD工业摄像机、镜头和支架等构成。在选用CCD工业照相机、摄像头和支架时必须按照实际作业要求实施，除了降低测量误差这一原则之外，使用的便利性、技术通用性也是关键。

3.1CCD工业相机选型设计

CCD工业相机主要是用来读取材料试验机软件所提供的能力值图像，而选择CCD工业相机时主要考虑分辨率、图像尺寸、颜色深浅度和曝光时机等因素。通常在单位体积一定的前提下，分辨率较高意味着在单位体积下能够感光的图像单元数量较多。但实际拍摄时，由于单位图像元能够获得的信息数量较少，造成了拍摄过程不完全或者信噪比较小，而且高分辨率还会增大传输困难。图像质量也直接体现在测量分辨率上，颜色深浅和曝光方式会改变测量传输速率。根据工程图片的要求，该设备所需要的CCD工业采集相机采用了工业相机。

3.2镜头参数选型设计

在镜头所用参数的选择上，要符合以下三方面的条件：工作间距要适当；扩大倍率也要适当，因为光学摄影扩大的倍率愈高，视场的变化范围就愈小，在同一张图片内会产生线纹变化不完全的现象，而且光学摄影扩大与工作远近之间负相关；景深尺寸要适当，景深若太小则易产生线纹图片模糊现象。本系统使用了X8-3MP定焦镜头，该镜头焦距为8 mm，通光孔径为F1.2，接头为CS，靶面尺寸为2/3，远观察场为23°，近摄距为0.2 m。

3.3CCD相机支架选型设计

由于试验机的检定可以是在试验室，也可以是在工业产品生产地点，所以充分考虑便携通用性的特点，CCD工业照相机支架部分主要采用了ET-3110镜头三脚架，同时还在其上部安装螺纹转接平台来装夹CCD工业照相机。此镜头支架的连接螺纹采用了全球通行的英制1/4"，通过拉杆提升，可以让三维云台360°翻转，满足不同高度的拍摄需求。

3.4串口通信设计

数据采集装置串口通信设计，一般是利用国际标准测力计读数仪器公司提供的普通串行接口设备和电脑软件，利用串口通信技术进行读取和控制当前能力值。2000仪器所采用的串行通信接口，可与PC计算机以及可编程控制器相连，输出的电平为标准RS232数据电平，输出类型为连续串行数据输出，其通信刷新率为显示刷新同步（标准产品刷新率约为8次/秒，可提供通信刷新率为25次/秒的产品）。2000仪器在与PC微机通信后，能够接受由上述仪器所发出的各种运算和操作命令，在测量工作中实现仪器按键操作。

3.5数据采集处理软件设计

字符识别与信息处理程序主要是采用C语言编写的，用于CCD等数码相机摄影照片的力值字符识别及信息获取，与标准测力仪数据以及隔振器力值数据的对比、上传和输出。数据处理程序主要以能力值的照片显示区域、参数设置区域、计算结果的实时显示区域、报表输出处等模块构成，主要界面如图3所显示。

1）图像预处理

在进行字符识别及数据处理软件开发时，重点工作是对CCD相机所拍摄图片的力值数字进行识别。识别图像数字字符要根据试验机显示数字的大小建立0～9的数字模板库，如图4所示。

图像样本是通过CCD工业相机采集的，未处理的图像包含大量的颜色信息，需要将图像转变为灰度图像，即灰度化处理，以加快处理速度；接着开始画面二值化处理过程，并设置了二值化的临界值，然后二值化的临界值按照画面的实际状态来调节；最后二值化的时候画面上就剩下了2个值：0和255。

2）字符分割

当完成了图片预处理后，必须把图片中的文字切割开，整个步骤分为上下左右分割和前后分割。在进行完图像预处理后，需要将图像中的字符分割开，整个过程分为左右分割和上下分割。从图像的左上角一纵队开始，由左向右逐列扫描数字化扫描图，当碰到图像值是255时，记下该列号SC，接着扫描再碰到整列图像值都是0时，记下列码EC，SC与EC中间即为文字所在区域。然后恢复二值图该区段，上下左右划分后，在此基础上再对图像加以前后划分。同理，从图像的左上角第1行，从上往下逐行扫描，当碰到图像值是255时，记下该列号SR，接着扫描图再碰到整列图像值都是0时，记下列号ER，SR与ER中间即为文字所在区域。复制该区域，这样完成了上下左右分割。

3）字符识别

将裁剪好的数字图片大小调节为模版大小（通常是模版中最高宽度），接着把要求相匹配的图像和10个模版相减（让2个图像相应位置像素点值相减），再对所差的预测值进行求和，预测值之和最小的模板，即为图像的最佳匹配模板，从而确定了该字符。

随着材料精密检测技术的不断提高，适应不同条件、不同环境，性能更先进的新材料测试机也日益增多。这些测试机不但可以进行拉伸、撕裂、剥离、延伸性等测试，而且还能够开展各种动力学性能测试。由于材料测试机的应用非常普遍，所以对材料测试机的檢定管理有着重大的意义。本研究通过领先的计算机视觉技术、图像处理技术和串口通信技术，即时读取标准测力计读数和CCD等数码相机的电脑显示器的力值数据，确保了力值测定中信息的收集正确和数据处理精确，满足了材料试验机力值的高速、自动、精确测定的要求。

【参考文献】

[1]国家质量监督检验检疫总局.JJG 139—2014拉力、压力和万能试验机[M].北京：中国标准出版社，2014.

[2]贾云得.机器视觉[M].北京：科学出版社，2000.

[3]钱稷.基于图像处理的字符识别系统研究[D].河北：河北农业大学，2007.

【作者简介】

王曹宇，男，1979年出生，高级工程师，研究方向为计量管理及测试技术。

（编辑：李加鹏）