CCD圖像傳感器在外壓容器失穩(wěn)實驗的應(yīng)用

徐巧蓮，鄒久朋，王澤武，張禮鳴，劉潤杰，胡大鵬

(大連理工大學(xué) 化工機(jī)械學(xué)院，遼寧 大連 116024)

CCD圖像傳感器［1］作為一種新型光電轉(zhuǎn)換器，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于保安監(jiān)控、圖像采集、攝像以及工業(yè)測量等。近年來，CCD圖像傳感器及高性能和低價格的CCD工業(yè)攝像設(shè)備已經(jīng)被許多高等院校廣泛應(yīng)用于科研及教學(xué)實驗之中，以提高實驗測試水平及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。本文將通過引入先進(jìn)的CCD圖像技術(shù)及傳感器設(shè)備，改革現(xiàn)階段本科生外壓容器失穩(wěn)傳統(tǒng)實驗教學(xué)，以提高學(xué)生對實驗教學(xué)的興趣和積極性，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的目的。

1 臨界失穩(wěn)壓力測定方法

外壓容器失穩(wěn)實驗的目的，一是讓學(xué)生觀察試件在外壓作用下的失穩(wěn)過程及形態(tài);二是讓學(xué)生測定試件失穩(wěn)時的臨界壓力，并與理論值比較。實驗中最關(guān)鍵的工作是測定試件失穩(wěn)時的臨界壓力。傳統(tǒng)的臨界失穩(wěn)壓力測定主要有三種方法:系統(tǒng)降壓法、應(yīng)變測定法和徑向位移法。這些方法是利用傳感器通過測量壓力、應(yīng)變及位移等信號獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過判定直接或間接測定的。本文提出一種新的方法，即CCD圖像法。

1.1 系統(tǒng)降壓法

試件被裝入密閉容器后，其筒體的外表面與實驗介質(zhì)直接接觸。當(dāng)系統(tǒng)加壓達(dá)到某一壓力時試件筒體突然失穩(wěn)，此時筒體局部向內(nèi)腔凹入，凹入部分留下的空間立即被介質(zhì)填充，即介質(zhì)向凹入位置擴(kuò)散。根據(jù)流體力學(xué)理論，體積增大，壓力變小，試件失穩(wěn)時系統(tǒng)壓力會出現(xiàn)突變降壓，壓力曲線有拐點。利用這一現(xiàn)象，可將系統(tǒng)壓力的拐點作為試件失穩(wěn)的臨界壓力。由于局部小面積失穩(wěn)的試件壓力波動不明顯，所以本方法只適用于試件整體變形。目前，各高等院校的本科生外壓容器失穩(wěn)實驗大多使用該方法。

1.2 應(yīng)變測定法

試件在外壓作用下其筒體的內(nèi)表面環(huán)向應(yīng)變隨壓力增加而加大［2－3］。當(dāng)試件失穩(wěn)時，因筒體變形導(dǎo)致表面環(huán)向應(yīng)變發(fā)生突變，應(yīng)變曲線出現(xiàn)拐點，利用應(yīng)變片貼在試件筒體內(nèi)表面上測得應(yīng)變突變值，并將其所對應(yīng)的壓力值，作為試件失穩(wěn)的臨界壓力。這種方法需要試件內(nèi)徑空間大，便于安裝應(yīng)變片，且在圓周方向均布4個點進(jìn)行測量會獲得較為理想的結(jié)果，多用于科研實驗或創(chuàng)新實驗，其壓力測量精度要比第一種方法高。

1.3 徑向位移法

試件筒體徑向位移也會隨壓力的增加而變化，這種位移變化量在試件失穩(wěn)之前比較小。當(dāng)試件失穩(wěn)時，因筒體變形大而導(dǎo)致徑向位移量突變增大，位移曲線產(chǎn)生拐點，該位移拐點所對應(yīng)的系統(tǒng)壓力，作為試件失穩(wěn)的臨界壓力。該方法可以用位移傳感器和壓力傳感器測量位移和壓力，一般位移傳感器安裝在試件筒體的中部，適用于真空實驗的外壓實驗，失穩(wěn)壓力不能超過大氣壓［3］。

1.4 CCD圖像法

采用攝像方法，把試件筒體和壓力表在實驗過程中的變化全程拍攝下來，變成一幅幅圖像，從圖像中找出試件失穩(wěn)時的圖像所對應(yīng)的壓力表圖像，讀取此幅圖像中壓力表的壓力值作為試件失穩(wěn)的臨界壓力。該方法的攝像由CCD攝像頭和錄像機(jī)組合而實現(xiàn)，利用攝像頭中的CCD圖像傳感器將光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例的電信號“圖像”。因此，稱這種臨界壓力測定法為CCD圖像法。

表1給出了以上四種方法的實驗特點、缺點和應(yīng)用條件等方面的比較結(jié)果?？梢钥闯觯到y(tǒng)降壓法為直接測定法外，其余三種方法都是間接測定法，且需要多個信號進(jìn)行采集，為獲得準(zhǔn)確的臨界壓力，均需要多路同步采集。

表1 臨界壓力的測定方法比較

2 CCD圖像法實驗系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 實驗裝置

如圖1所示，實驗裝置主要由外壓實驗容器、緩沖容器、柱塞泵、離心泵、水箱、壓力傳感器、壓力表、CCD攝像頭、圓筒視窗、監(jiān)視器、錄像機(jī)、計算機(jī)、試件等組成。在外壓實驗容器上開有透明的視窗，其視窗是用圓筒形的有機(jī)玻璃材料制成的，便于學(xué)生在實驗中觀察試件。然而，外壓實驗容器及視窗在實驗中需要承受一定的壓力，其載荷形式為疲勞載荷，而且有機(jī)玻璃視窗的耐壓及壽命很難預(yù)測，不利于學(xué)生近場觀察。

圖1 實驗系統(tǒng)裝置圖

為了確保學(xué)生實驗安全，系統(tǒng)設(shè)置3個攝像頭代替實驗者的“眼睛”，分別拍攝壓力表、試件的前后兩面筒體，便于學(xué)生在實驗中通過監(jiān)視器觀察試件前后兩面的變形過程。

2.2 CCD圖像傳感器

電荷耦合器件(charge coupled device，CCD)是一種半導(dǎo)體成像器件，是在同一半導(dǎo)體襯底上布設(shè)的若干光敏單元與移位寄存器構(gòu)成的集成化、功能化的光電器件。光敏單元簡稱為“像素”或“像點”，它們本身在空間上、電氣上是彼此獨立的。CCD圖像傳感器利用光敏單元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏單元上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號“圖像”，即將光強(qiáng)的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成比例的、大小不等的電荷包空間分布。然后，利用移位寄存器的功能將這些電荷包在時鐘脈沖控制下實現(xiàn)讀取與輸出，形成一系列幅值不等的時序脈沖序列［4］。

2.3 圖像采集

用CCD的攝像頭作為實驗系統(tǒng)監(jiān)測的“眼睛”，試件的圖像通過鏡頭聚焦至CCD芯片上，CCD根據(jù)光的強(qiáng)弱積累相應(yīng)比例的電荷作為“像素”，各個像素積累的電荷在視頻時序的控制下逐點外移，經(jīng)濾波、放大處理后形成視頻信號輸出。視頻信號連接到監(jiān)視器的視頻輸入端，便可以看到與原始圖像相同的視頻圖像［5］。同時視頻信號與錄像設(shè)備的輸入端相連，便可以將視頻信號傳輸?shù)接嬎銠C(jī)的硬盤里進(jìn)行存儲。本系統(tǒng)攝像設(shè)備包括高清可變焦距CCD攝像頭和嵌入式數(shù)字硬盤錄像機(jī)，可實現(xiàn)4路同步錄像，以25幀/s的速度對視頻進(jìn)行錄放。

2.4 圖像存儲與回放

當(dāng)實驗完成后，將攝像視頻存儲到數(shù)字硬盤錄像機(jī)(簡稱DVR)。DVR是一套進(jìn)行圖像存儲處理的計算機(jī)系統(tǒng)，具有對圖像/語音錄像/錄音、遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制的功能，并且集合了錄像機(jī)、畫面分割器、云臺鏡頭控制、報警控制、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)任宸N功能。錄像機(jī)除了具備錄像功能外還具備放像功能，實現(xiàn)檢索、倒放、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視、錄像查詢、下載等，以及多種回放模式:慢放、快放、倒放及逐幀播放。利用放像功能按錄像的準(zhǔn)確時間將視頻進(jìn)行逐幀播放，使圖像停留到試件失穩(wěn)場景中，獲得試件失穩(wěn)和壓力表圖片，如圖2和圖3所示。

圖2 試件失穩(wěn)前的壓力和形態(tài)

圖3 試件失穩(wěn)后的壓力和形態(tài)

通過以上分析可以看出，采用CCD圖像傳感器實現(xiàn)外壓容器失穩(wěn)實驗需要三個方面的關(guān)鍵技術(shù)，分別為:(1)高清的CCD攝像頭;(2)具備存儲圖像數(shù)據(jù)的設(shè)備(硬盤錄像機(jī)或帶視頻采集卡的PC機(jī));(3)帶視窗的外壓容器失穩(wěn)實驗裝置。

3 實驗結(jié)果分析與討論

圖2和圖3是一次實驗中不同時間抓拍的圖片，其時間間隔為0.04 s。兩幅圖中的(a)、(b)、(c)分別為攝像系統(tǒng)通道一、二、三所拍攝的結(jié)果。圖2是試件失穩(wěn)前0.04 s抓拍的圖片，其壓力表顯示的壓力為0.19 MPa;圖3是試件失穩(wěn)時抓拍的圖片，其壓力表顯示的壓力為0.19 MPa，兩幅圖的壓力基本不變，之后的0.04 s圖片顯示出壓力有明顯的下降。因此，試件失穩(wěn)的臨界壓力為0.19 MPa。

本文選用2011年2008級本科生的部分實驗數(shù)據(jù)對系統(tǒng)降壓法和CCD圖像法測定臨界失穩(wěn)壓力加以驗證，兩種方法測定的實驗結(jié)果如表2所示。

表2 兩種實驗方法臨界失穩(wěn)壓力

表2選擇了兩類不同規(guī)格的4個試件，一類是Φ73 mm的鍍鋅鐵皮毛坯試件，另一類是Φ53 mm的“露露”易拉罐試件，每類試件中都有一個試件在筒體上安裝了加強(qiáng)圈，而另一個試件則不帶加強(qiáng)圈。通過表2數(shù)據(jù)可以看出，雖然系統(tǒng)降壓法的數(shù)據(jù)是通過壓力傳感器及智能儀表采集測取的，CCD圖像法的數(shù)據(jù)是讀取試件失穩(wěn)瞬間變形時所對應(yīng)的壓力表顯示值，但是兩種方法實驗結(jié)果基本吻合，表明本文開發(fā)的CCD圖像法測試系統(tǒng)可靠、可行。

4 結(jié)束語

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展及新型傳感器的問世，教學(xué)實驗測試手段也在不斷更新，未來的外壓容器失穩(wěn)實驗或許還會利用更為先進(jìn)的測量方法獲取臨界失穩(wěn)壓力，如超聲波探測、微型應(yīng)變探測等等?？傊?，隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，實驗系統(tǒng)也需要不斷的改革。另外，實驗方法更新的宗旨是以學(xué)生為本，努力提高教學(xué)質(zhì)量和實驗水平，重在把學(xué)生培養(yǎng)成掌握現(xiàn)代科技，具有高水平、高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才。

［1］ 徐湘元，王萍，田慧欣.傳感器及其信號調(diào)理技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版，2012.

［2］ 張吳星.外壓薄壁短圓筒臨界失穩(wěn)壓力理論及試驗研究［J］.湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，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］ 陳東雷，王清元，張?zhí)祉?CCD傳感器及其應(yīng)用研究［J］.傳感器世界，2007(7):22－26.

［5］ 建平.CCD圖像傳感器的基本應(yīng)用與感知功能應(yīng)用探析［J］.射頻世界，2010(4):36－39．