徐巧蓮，鄒久朋，王澤武，張禮鳴，劉潤(rùn)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(cè)量等。近年來(lái)，CCD圖像傳感器及高性能和低價(jià)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(shí)驗(yàn)之中，以提高實(shí)驗(yàn)測(cè)試水平及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。本文將通過(guò)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(shí)驗(yàn)教學(xué)，以提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)和創(chuàng)新能力的目的。

1 臨界失穩(wěn)壓力測(cè)定方法

外壓容器失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)的目的，一是讓學(xué)生觀察試件在外壓作用下的失穩(wěn)過(guò)程及形態(tài);二是讓學(xué)生測(cè)定試件失穩(wěn)時(shí)的臨界壓力，并與理論值比較。實(shí)驗(yàn)中最關(guān)鍵的工作是測(cè)定試件失穩(wěn)時(shí)的臨界壓力。傳統(tǒng)的臨界失穩(wěn)壓力測(cè)定主要有三種方法:系統(tǒng)降壓法、應(yīng)變測(cè)定法和徑向位移法。這些方法是利用傳感器通過(guò)測(cè)量壓力、應(yīng)變及位移等信號(hào)獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)判定直接或間接測(cè)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(shí)驗(yàn)介質(zhì)直接接觸。當(dāng)系統(tǒng)加壓達(dá)到某一壓力時(shí)試件筒體突然失穩(wěn)，此時(shí)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(shí)系統(tǒng)壓力會(huì)出現(xiàn)突變降壓，壓力曲線有拐點(diǎn)。利用這一現(xiàn)象，可將系統(tǒng)壓力的拐點(diǎn)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(dòng)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(shí)驗(yàn)大多使用該方法。

1.2 應(yīng)變測(cè)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(shí)，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(diǎn)，利用應(yīng)變片貼在試件筒體內(nèi)表面上測(cè)得應(yīng)變突變值，并將其所對(duì)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(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量會(huì)獲得較為理想的結(jié)果，多用于科研實(shí)驗(yàn)或創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，其壓力測(cè)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(huì)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(shí)，因筒體變形大而導(dǎo)致徑向位移量突變?cè)龃?，位移曲線產(chǎn)生拐點(diǎn)，該位移拐點(diǎn)所對(duì)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(cè)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(shí)驗(yàn)的外壓實(shí)驗(yàn)，失穩(wěn)壓力不能超過(guò)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中的變化全程拍攝下來(lái)，變成一幅幅圖像，從圖像中找出試件失穩(wěn)時(shí)的圖像所對(duì)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(shí)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(hào)“圖像”。因此，稱這種臨界壓力測(cè)定法為CCD圖像法。

表1給出了以上四種方法的實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)、缺點(diǎn)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(cè)定法外，其余三種方法都是間接測(cè)定法，且需要多個(gè)信號(hào)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(cè)定方法比較

2 CCD圖像法實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置主要由外壓實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)、試件等組成。在外壓實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中觀察試件。然而，外壓實(shí)驗(yàn)容器及視窗在實(shí)驗(yàn)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(cè)，不利于學(xué)生近場(chǎng)觀察。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置圖

為了確保學(xué)生實(shí)驗(yàn)安全，系統(tǒng)設(shè)置3個(gè)攝像頭代替實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中通過(guò)監(jiān)視器觀察試件前后兩面的變形過(guò)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(jiǎn)稱為“像素”或“像點(diǎn)”，它們本身在空間上、電氣上是彼此獨(dú)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(hào)“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(shí)鐘脈沖控制下實(shí)現(xiàn)讀取與輸出，形成一系列幅值不等的時(shí)序脈沖序列［4］。

2.3 圖像采集

用CCD的攝像頭作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的“眼睛”，試件的圖像通過(guò)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(gè)像素積累的電荷在視頻時(shí)序的控制下逐點(diǎn)外移，經(jīng)濾波、放大處理后形成視頻信號(hào)輸出。視頻信號(hào)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(shí)視頻信號(hào)與錄像設(shè)備的輸入端相連，便可以將視頻信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的硬盤里進(jìn)行存儲(chǔ)。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(shí)現(xiàn)4路同步錄像，以25幀/s的速度對(duì)視頻進(jìn)行錄放。

2.4 圖像存儲(chǔ)與回放

當(dāng)實(shí)驗(yàn)完成后，將攝像視頻存儲(chǔ)到數(shù)字硬盤錄像機(jī)(簡(jiǎn)稱DVR)。DVR是一套進(jìn)行圖像存儲(chǔ)處理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有對(duì)圖像/語(yǔ)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(tái)鏡頭控制、報(bào)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(shí)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(shí)間將視頻進(jìn)行逐幀播放，使圖像停留到試件失穩(wěn)場(chǎng)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(guò)以上分析可以看出，采用CCD圖像傳感器實(shí)現(xiàn)外壓容器失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)需要三個(gè)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(chǔ)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(shí)驗(yàn)裝置。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

圖2和圖3是一次實(shí)驗(yàn)中不同時(shí)間抓拍的圖片，其時(shí)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(shí)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(jí)本科生的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)降壓法和CCD圖像法測(cè)定臨界失穩(wěn)壓力加以驗(yàn)證，兩種方法測(cè)定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 兩種實(shí)驗(yàn)方法臨界失穩(wěn)壓力

表2選擇了兩類不同規(guī)格的4個(gè)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(gè)試件在筒體上安裝了加強(qiáng)圈，而另一個(gè)試件則不帶加強(qiáng)圈。通過(guò)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(guò)壓力傳感器及智能儀表采集測(cè)取的，CCD圖像法的數(shù)據(jù)是讀取試件失穩(wěn)瞬間變形時(shí)所對(duì)應(yīng)的壓力表顯示值，但是兩種方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，表明本文開發(fā)的CCD圖像法測(cè)試系統(tǒng)可靠、可行。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展及新型傳感器的問(wèn)世，教學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段也在不斷更新，未來(lái)的外壓容器失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)或許還會(huì)利用更為先進(jìn)的測(cè)量方法獲取臨界失穩(wěn)壓力，如超聲波探測(cè)、微型應(yīng)變探測(cè)等等?？傊?，隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也需要不斷的改革。另外，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(hào)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(yàn)研究［J］.湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，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．