申请/专利权人：中国科学院西安光学精密机械研究所

申请日：2018-10-31

公开（公告）日：2024-04-05

公开（公告）号：CN109323663B

主分类号：G01B11/16

分类号：G01B11/16

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.05#授权;2019.03.08#实质审查的生效;2019.02.12#公开

摘要：本发明旨在提供一种基于高速相机的水下双目交汇测量系统，克服现有应变片测量方法的局限性，使其可应用于水下各类工程的测量领域。该系统包括图像采集组件，图像采集组件包括两组高速成像装置；高速成像装置包括外壳体、箱体盖板、玻璃透视镜、光学镜头、高速相机、相机信号线、紧固压圈、信号线密封管、密封组件；玻璃透视镜设置在外壳体的敞口侧，箱体盖板设置在外壳体另一敞口侧；信号线密封管安装在外壳体上，密封组件设置在信号线密封管和外壳体之间，紧固压圈设置在密封组件的上方；光学镜头、高速相机设置在外壳体内，相机信号线的一端连接高速相机，另一端通过信号线密封管伸出外壳体外与外部设备连接。

主权项：1.一种基于高速相机的水下双目交汇测量系统，包括图像采集组件，其特征在于：所述图像采集组件包括至少两组高速成像装置；所述图像采集组件包括左高速成像装置1、左安装板3、右高速成像装置2、右安装板4、安装支架5；安装支架5固定在墙体上；左高速成像装置1与左安装板3连接，右高速成像装置2与右安装板4连接；左安装板3、右安装板4分别与安装支架5固定，用于调节相机的偏转角度；安装支架5上开设有可实现左、右高速成像装置中心距可调的腰孔；左高速成像装置1与右高速成像装置2的光轴成一定角度交汇布置，并且左高速成像装置1与右高速成像装置2的结构和功能完全相同；所述左高速成像装置1包括外壳体11、箱体盖板12、玻璃透视镜15、光学镜头16、高速相机18、相机信号线115、紧固压圈13、信号线密封管14、至少一组密封组件；所述外壳体11包括相连接且贯通的圆柱型筒体和矩形壳体，所述玻璃透视镜15设置在圆柱型筒体的敞口端，所述箱体盖板12设置在在矩形壳体的敞口端，所述外壳体11、玻璃透视镜15和箱体盖板12组成一封闭腔体；所述玻璃透视镜15的前端还设置有前置压圈19，将玻璃透视镜15压紧在外壳体11上，所述玻璃透视镜15和外壳体11之间设置有前置O形密封圈110；所述信号线密封管14穿过外壳体11且安装在外壳体11上，所述密封组件设置在信号线密封管14和外壳体11之间，所述紧固压圈13设置在密封组件的上方，并将密封组件压紧；所述光学镜头16、高速相机18设置在外壳体11内，且依次设置在玻璃透视镜15的出光侧，所述相机信号线115的一端连接高速相机18，另一端通过信号线密封管14伸出外壳体11与外部设备连接。

全文数据：一种基于高速相机的水下双目交汇测量系统技术领域本发明涉及一种水下测量装置，具体涉及一种基于高速相机的水下双目交汇测量系统，该系统是一种基于高速相机的水下双目交汇非接触测量装置，可实现水下高频拍摄，能够进行水下亚毫米精度的非接触式测量，可应用于水下各类工程的测量领域。背景技术现有水下高精度测量一般采用的测量方式是通过在被测物体表面粘贴应变片进行测量，但由于应变片只能测量物体表面某点在某一方向的应变，不能进行全域性测量，并且应变片在测量应力时，金属组织会产生不可逆的变形，故无法重复使用，消耗性大，同时应变片的粘贴质量对测量结果的可靠性影响很大，粘贴时还需进行清洗、打磨工作，消耗大量人力和时间。发明内容本发明旨在提供一种基于高速相机的水下双目交汇测量系统，克服现有应变片测量方法的局限性，使其可应用于水下各类工程的测量领域。同时，本发明的另一发明目的是解决现有水下相机密封技术难以实现摄像和数据处理同步进行以及密封失效的问题。本发明的技术方案是：一种基于高速相机的水下双目交汇测量系统，包括图像采集组件，所述图像采集组件包括至少两组高速成像装置；所述高速成像装置包括外壳体、箱体盖板、玻璃透视镜、光学镜头、高速相机、相机信号线、紧固压圈、信号线密封管、至少一组密封组件；所述玻璃透视镜设置在外壳体的一个敞口侧，所述箱体盖板设置在外壳体另一敞口侧，所述外壳体、玻璃透视镜和箱体盖板组成一封闭腔体；所述信号线密封管穿过外壳体且安装在外壳体上，所述密封组件设置在信号线密封管和外壳体之间，所述紧固压圈设置在密封组件的上方，并将密封组件压紧；所述光学镜头、高速相机设置在外壳体内，且依次设置在玻璃透视镜的出光侧，所述相机信号线的一端连接高速相机，另一端通过信号线密封管伸出外壳体与外部设备连接。进一步地，所述密封组件包括前部金属密封环、前部工字型橡胶密封圈、后部金属密封环、后部工字型橡胶密封圈；所述前部工字型橡胶密封圈与前部金属密封环过盈配合，后部工字型橡胶密封圈与后部金属密封环过盈配合，所述前部工字型橡胶密封圈、后部工字型橡胶密封圈分别与信号线密封管过盈配合；所述外壳体与箱体盖板的接触面上设有至少两条线圈槽，且线圈槽内设置有O形密封圈。进一步地，所述光学镜头包括依次设置的第一物镜、第二物镜、第三物镜、第四物镜、第五物镜、第六物镜和第七物镜，所述第一物镜至第七物镜设置在镜筒内，通过镜筒内的台阶和相邻的隔圈进行固定，所述第一物镜是凹透镜，第二物镜是双凸透镜，第三物镜是凹凸透镜，第四物镜是凹透镜，第五物镜是凸透镜，第六物镜是凸透镜，第七物镜是双凸透镜。进一步地，至少两组高速成像装置通过安装板设置在安装支架上，且安装板上设置有使得高速成像装置中心距可调的腰孔。进一步地，所述玻璃透视镜的前端还设置有前置压圈，将玻璃透视镜压紧在外壳体上，所述玻璃透视镜和外壳体之间设置有前置O形密封圈。进一步地，所述外壳体与信号线密封管的接触面上还设置有胶水槽，且胶水槽内灌满硅橡胶。进一步地，所述紧固压圈与外壳体通过螺纹连接，且连接螺纹上涂有硅橡胶。进一步地，所述前置压圈与外壳体通过螺纹紧固连接，且连接螺纹上涂有硅橡胶，将玻璃透视镜和前置O形密封圈压紧，所述玻璃透视镜与外壳体的接触面上涂有硅橡胶。进一步地，所述前置压圈上设置有起子槽。进一步地，所述外壳体包括圆柱型筒体和矩形壳体，所述圆柱型筒体和矩形壳体相连接且贯通，所述玻璃透视镜设置在圆柱型筒体的敞口端，所述箱体盖板设置在矩形壳体的敞口端。本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：1.本发明系统克服了现有的通过贴应变片进行水下测量的缺点，基于双目视觉技术，首次提出水下双目交汇测量装置，与人类用双眼观察物体远近类似，可以采用两个高速相机同时对同一目标物进行拍摄，通过两幅图像的匹配,得到所有像素点分别在两幅图像中的位置,利用视差原理恢复出物体的几何信息,实现高精度、非接触测量。此测量方法标记第一个图像为初始状态，拍摄被测物体变形过程中或者运动过程中的连续图像，通过算法分析计算目标物位移或变形，主要应用于测量静态和动态载荷下三维变形和应变。2.本发明装置通过预留相机信号线出口，进行密封处理，可实现摄像和电脑终端同步处理，通过壳体双密封设计、工字型橡胶密封方法、螺纹处涂硅橡胶粘结、壳体胶水槽灌硅橡胶、O形圈密封方法实现水下相机深水拍摄的有效密封。3.本发明提出的密封结构采用壳体双密封设计和新型工字型橡胶密封方法，确保内部水下高速相机实现深水防水。若单独采用橡胶密封圈对信号线密封管进行密封，即使采用过盈配合，在深水压力的作用下，两者的配合面极易出现间隙，导致密封失效。本发明将传统的橡胶密封环开槽，并引入工字型金属密封圈与其过盈配合，使橡胶密封圈与信号线密封管的配合面更加紧固，可提高结构的密封能力和抗水压能力。附图说明图1为本发明水下双目交汇测量系统结构示意图；图2为本发明中水下密封高速成像装置示意图；图3为本发明中高速成像装置光学图示意图；图4为本发明中光学镜头结构剖视图。图5为本发明中前置压圈结构图；图6为图5的A-A剖视图；图7为本发明中密封组件结构图。附图标记：1-左高速成像装置，2-右高速成像装置，3-左安装板，4-右安装板，5-安装支架，11-外壳体，12-箱体盖板，13-紧固压圈，14-信号线密封管，15-玻璃透视镜，16-光学镜头，17-相机安装座，18-高速相机，19-前置压圈，110-前置O形密封圈，111-后部金属密封环，112-后部工字型橡胶密封圈，113-前部金属密封环，114-前部工字型橡胶密封圈，115-相机信号线，118-起子槽，119-胶水槽，120-左镜筒，121-右镜筒，122-左压圈，123-第一隔圈，124-第一物镜，125-第二隔圈，126-第二物镜，127-第三隔圈，128-第三物镜，129-第四隔圈，130-第四物镜，131-第五隔圈，132-第五物镜，133-第六隔圈，134-第六物镜，135-第七隔圈，136-第七物镜，137-第八隔圈，138-右压圈。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。如图1所示，本发明所提供的一种基于高速相机的水下双目交汇测量系统包括图像采集组件，图像采集组件对目标物进行高频拍摄，同步获取目标物运动中或变形前后的图像，将采集到的图像输送给地面计算机，通过现有光束平差法或相对-绝对定向法对图像进行算法处理，可实现亚毫米级的测量精度。图像采集组件包括左高速成像装置1、左安装板3、右高速成像装置2、右安装板4、安装支架5。安装支架5可根据不同墙的宽度设计，架在墙体上，通过膨胀螺钉与墙体固定。左高速成像装置1与左安装板3通过螺钉连接，右高速成像装置2与右安装板4通过螺钉连接。左、右安装板分别通过单个螺钉与侧墙安装支架5固定，可适当调节相机的偏转角度。为在不同场景中便于调节相机最佳成像位置和成像区域，侧墙安装支架5上设计有可实现左、右高速成像装置中心距可调的腰孔，左高速成像装置1与右高速成像装置2的光轴成一定角度交汇布置，此角度根据现场安装和实际需求设置。左、右高速成像装置2结构和功能完全相同，故以左高速成像装置1为例展开详细介绍。如图2至4所示，左高速成像装置1包括外壳体11、箱体盖板12、玻璃透视镜15、紧固压圈13、信号线密封管14、前置压圈19、相机安装座17、高速相机18、光学镜头16、前置O形密封圈110、相机信号线115，至少一组密封组件。外壳体11具体的可包括圆柱型筒体和矩形壳体，圆柱型筒体和矩形壳体相连接且贯通。玻璃透视镜15设置在圆柱型筒体的敞口端，箱体盖板12设置在矩形壳体的敞口端，外壳体11、玻璃透视镜15和箱体盖板12组成一封闭腔体。相机安装座17、高速相机18、光学镜头16和相机信号线115设置在封闭腔体内，光学镜头16和高速相机18依次设置在玻璃透视镜15的出光侧，高速相机18与光学镜头16通过螺纹连接，高速相机18通过螺钉与相机安装座17相连，相机安装座17再通过螺钉与外壳体11内部的凸台连接。相机信号线115的一端连接高速相机18，另一端经信号线密封管14伸出外壳体11外部，再经不锈钢编织软管后与地面同步控制器连接。信号线密封管4是长度不超过0.5m的304不锈钢管，管口有外螺纹，在其外螺纹上缠绕生料带，通过螺纹配合与不锈钢编织软管连接。壳体出口处采用标准不锈钢钢管，以免密封组件和软管配合面出现间隙，导致密封失效。在标准不锈钢管上连接不锈钢编织软管，便于水下高速相机布线，方便进行测量。玻璃透视镜15和外壳体11之间设置有前置O形密封圈110，玻璃透视镜15的入光侧设置有前置压圈19，前置压圈19的外螺纹上涂硅橡胶，与外壳体11通过螺纹紧固连接，并将玻璃透视镜15和前置O形密封圈110压紧，玻璃透视镜15与外壳体11的接触面上涂满硅橡胶，实现水下相机前置玻璃窗的密封。如图5、图6所示，前置压圈19上开起子槽118，便于安装和拆卸。信号线密封管14穿过外壳体11且安装在外壳体11上，密封组件设置在信号线密封管14和外壳体11之间，紧固压圈13设置在密封组件的上方，并将密封组件压紧。密封组件如图7所示，包括前部金属密封环113、前部工字型橡胶密封圈114、后部金属密封环111、后部工字型橡胶密封圈112。前部工字型橡胶密封圈114与前部金属密封环113过盈配合，后部工字型橡胶密封圈112与后部金属密封环111过盈配合，前部工字型橡胶密封圈114和后部工字型橡胶密封圈112与信号线密封管14过盈配合。采用传统的橡胶密封圈对信号线密封管14进行密封，在深水压力的作用下，两者的接触面极易出现间隙，导致密封失效。将传统的橡胶密封圈开槽与工字型金属密封圈过盈配合，使橡胶密封圈与信号线密封管14的接触更加紧固，可显著提高结构的密封能力。紧固压圈13的螺纹上涂硅橡胶，与外壳体11通过螺纹连接，并将前、后部工字型橡胶密封圈112压紧，产生轴向压缩量，将信号线密封管14挤压密封。同时外壳体11与信号线密封管14接触的面上还设置有胶水槽119，胶水槽119内灌满硅橡胶，实现信号线出口处的有效密封。外壳体11与箱体盖板12连接的面上设有至少两条线圈槽，具体分别为外侧线圈槽和内侧线圈槽，将相应尺寸的O形密封圈安装在相应的线槽内，外壳体11与箱体盖板12通过螺钉连接，将内外侧的O形圈压紧，起到密封作用。为避免单线圈槽密封方法失效，采用双线圈槽实现双密封设计，确保内部相机防水，实现外壳体11盖板处的高效高压密封。为确保左、右高速成像装置2能够实现水下高速清晰摄像，设计了水下成像光学镜头16，如图3所示，设计其工作波段为0.45～0.58um，相对孔径为12.6，水下全视场角为75度，焦距为13mm。图3中左侧第一块玻璃即为玻璃透视镜15，光学镜头中剩余七块透视镜通过结构设计布置于光学镜头内，此光学镜头为常规光学镜头。光学镜头的三维结构剖视图如图4所示，包括依次设置的左压圈122、第一隔圈123、第一物镜124、第二隔圈125、第二物镜126、第三隔圈127、第三物镜128、第四隔圈129、第四物镜130、第五隔圈131、第五物镜132、第六隔圈133、第六物镜134、第七隔圈135、第七物镜136、第八隔圈137、右压圈138。其中左压圈122、第一隔圈123、第一物镜124、第二隔圈125、第二物镜126、第三隔圈127、第三物镜128、第四隔圈129依次设置在左镜筒120内；第四物镜130、第五隔圈131、第五物镜132、第六隔圈133、第六物镜134、第七隔圈135、第七物镜136、第八隔圈137、右压圈138均设置在右镜筒121内。第一物镜124至第七物镜136通过镜筒内的台阶和相邻的隔圈进行固定，左镜筒120和左压圈122通过螺纹配合，将左镜筒120内的各物镜和各隔圈压紧，右镜筒121和右压圈138通过螺纹配合，将右镜筒121内的各物镜和各隔圈压紧，左镜筒120和右镜筒121通过内外螺纹连接。第一物镜124是凹透镜，第二物镜126是双凸透镜，第三物镜128是凹凸透镜，第四物镜130是凹透镜，第五物镜132是凸透镜，第六物镜134是凸透镜，第七物镜136是双凸透镜。整个光学镜头16长度为106.2mm，入光孔径为52mm。

权利要求：1.一种基于高速相机的水下双目交汇测量系统，包括图像采集组件，其特征在于：所述图像采集组件包括至少两组高速成像装置；所述高速成像装置包括外壳体11、箱体盖板12、玻璃透视镜15、光学镜头16、高速相机18、相机信号线115、紧固压圈13、信号线密封管14、至少一组密封组件；所述玻璃透视镜15设置在外壳体11的一个敞口侧，所述箱体盖板12设置在外壳体11另一敞口侧，所述外壳体11、玻璃透视镜15和箱体盖板12组成一封闭腔体；所述信号线密封管14穿过外壳体11且安装在外壳体11上，所述密封组件设置在信号线密封管14和外壳体11之间，所述紧固压圈13设置在密封组件的上方，并将密封组件压紧；所述光学镜头16、高速相机18设置在外壳体11内，且依次设置在玻璃透视镜15的出光侧，所述相机信号线115的一端连接高速相机18，另一端通过信号线密封管14伸出外壳体11与外部设备连接。2.根据权利要求1所述的基于高速相机的水下双目交汇测量系统，其特征在于：所述密封组件包括前部金属密封环113、前部工字型橡胶密封圈114、后部金属密封环111、后部工字型橡胶密封圈112；所述前部工字型橡胶密封圈114与前部金属密封环113过盈配合，后部工字型橡胶密封圈112与后部金属密封环111过盈配合，所述前部工字型橡胶密封圈114、后部工字型橡胶密封圈112分别与信号线密封管14过盈配合；所述外壳体11与箱体盖板12的接触面上设有至少两条线圈槽，且线圈槽内设置有O形密封圈。3.根据权利要求1所述的基于高速相机的水下双目交汇测量系统，其特征在于：所述光学镜头16包括依次设置的第一物镜124、第二物镜126、第三物镜128、第四物镜130、第五物镜132、第六物镜134和第七物镜136，所述第一物镜124至第七物镜136设置在镜筒内，通过镜筒内的台阶和相邻的隔圈进行固定，所述第一物镜124是凹透镜，第二物镜126是双凸透镜，第三物镜128是凹凸透镜，第四物镜130是凹透镜，第五物镜132是凸透镜，第六物镜134是凸透镜，第七物镜136是双凸透镜。4.根据权利要求1或2或3所述的基于高速相机的水下双目交汇测量系统，其特征在于：所述高速成像装置通过安装板设置在安装支架5上，且安装板上设置有使得高速成像装置中心距可调的腰孔。5.根据权利要求4所述的基于高速相机的水下双目交汇测量系统，其特征在于：所述玻璃透视镜15的前端还设置有前置压圈19，将玻璃透视镜15压紧在外壳体11上，所述玻璃透视镜15和外壳体11之间设置有前置O形密封圈110。6.根据权利要求5所述的基于高速相机的水下双目交汇测量系统，其特征在于：所述外壳体11与信号线密封管14的接触面上还设置有胶水槽119，且胶水槽119内灌满硅橡胶。7.根据权利要求6所述的基于高速相机的水下双目交汇测量系统，其特征在于：所述紧固压圈13与外壳体11通过螺纹连接，且连接螺纹上涂有硅橡胶。8.根据权利要求7所述的基于高速相机的水下双目交汇测量系统，其特征在于：所述前置压圈19与外壳体11通过螺纹紧固连接，且连接螺纹上涂有硅橡胶，将玻璃透视镜15和前置O形密封圈110压紧，所述玻璃透视镜15与外壳体11的接触面上涂有硅橡胶。9.根据权利要求8所述的基于高速相机的水下双目交汇测量系统，其特征在于：所述前置压圈19上设置有起子槽118。10.根据权利要求9所述的基于高速相机的水下双目交汇测量系统，其特征在于：所述外壳体11包括圆柱型筒体和矩形壳体，所述圆柱型筒体和矩形壳体相连接且贯通，所述玻璃透视镜15设置在圆柱型筒体的敞口端，所述箱体盖板12设置在矩形壳体的敞口端。

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