CN101196390A - 基于视觉分辨的非接触式应变测量方法 - Google Patents

Abstract

基于视觉分辨的非接触式应变测量方法，本发明涉及微型器件的应变测量方法。它克服了利用常规的接触式引伸计或应变片根本无法测量微型器件的拉伸性能而且容易损坏试件的缺陷。一、利用CCD相机、光学镜头组和数据采集卡实时采集拉伸试验过程中被测试件上标记点的图像；二、对采集到的图像进行图像边缘尖锐化处理并确定图像边缘；三、通过计数拉应力方向上最远边缘间像素点个数确定二者之间距离；四、利用拉应力方向上最远边缘间距离的变化计算应变数值并将其与所受拉应力建立对应关系。本发明能够在微型器件或微成形材料的单向拉伸试验中精确测量应变，无磨损、抗干扰性强而且精度高。

Description

基于视觉分辨的非接触式应变测量方法

技术领域

本发明涉及微型器件的应变测量方法。

背景技术

随着微机电系统(MEMS：Micro Electro Mechanical System)和微系统(MST：Micro System Technology)的快速发展，微型器件已经大量应用于国防和民用产品，如微型引信、各种传感器、生物芯片以及电子产品。在热、电、磁和化学工作环境下，微型器件可靠性的要求日益增高，因此对材料的力学性能也提出了更高的要求。此外，研究表明当材料的尺度小到一定程度时，材料的机械性能、破坏行为等方面都会表现出显著的尺寸效应，从而无法将宏观的成形方法和工艺直接应用于微型器件的生产。所以研究微成形材料力学性能的测试技术具有十分重要的理论意义和应用价值。

拉伸试验是测试器件和材料力学性能最普遍、最直接的方法。但是由于微型器件和微成形材料的尺寸小，一般都在毫米甚至亚毫米量级，在进行拉伸试验时，利用常规的接触式引伸计或应变片根本无法进行精确测量，而且容易损坏试件。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于视觉分辨的非接触式应变测量方法，以克服利用常规的接触式引伸计或应变片根本无法测量微型器件的拉伸性能而且容易损坏试件的缺陷。本发明通过下述步骤实现：一、利用CCD相机、光学镜头组和数据采集卡实时采集拉伸试验过程中被测试件上标记点的图像；二、对采集到的图像进行图像边缘尖锐化处理并确定图像边缘；三、通过计数拉应力方向上最远边缘间像素点个数确定二者之间距离；四、利用拉应力方向上最远边缘间距离的变化计算应变数值并将其与所受拉应力建立对应关系。

本发明的测量原理是：物体的边缘和轮廓部分在CCD采集的图像中一般都表现为灰度的突变，因此在采集的图像上，就会显示出被测物体和环境之间的色差，即RGB对应的数值有较大的区别，为了提取这些边缘，进一步获得对应物体的长度参数，采用灰度差分的方法突出其特征，从图像频谱的角度看，可以认为灰赌徒变是一个高频分量，因此使用高通滤波器优化高频分量，抑制低频分量，提高图像边界的清晰度。将提取到边缘的图像进行逐行扫描计数，可以得到各个方向轮廓所对应行的参数，利用这些参数就可以精确的计算物体各个方向上的长度尺寸。CCD由于其具有自扫描，高分辨率，高灵敏度，结构紧凑及像素位置准确等优点，在物体几何尺寸的非接触式测量领域得到了广泛的应用。正是在此背景下，本发明采用CCD作为接收器，基于视觉分辨的非接触式应变测量方法，在拉伸试验中无磨损、精确地测量微型器件或材料的应变。本发明能够在微型器件或微成形材料的单向拉伸试验中精确测量应变，无磨损、抗干扰性强而且精度高。本发明克服了现有技术的缺陷，具有很高的推广和应用价值。

附图说明

图1是本发明的流程示意图，图2是实施方式二中计算每个像素点的梯度幅值和方向时，像素点区域示意图，其表格中的每个符号代表一个像素点的代号。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式由下述步骤组成：一、利用CCD相机、光学镜头组和数据采集卡实时采集拉伸试验过程中被测试件上标记点的图像；二、对采集到的图像进行图像边缘尖锐化处理并确定图像边缘；三、通过计数拉应力方向上最远边缘间像素点个数确定二者之间距离；四、利用拉应力方向上最远边缘间距离的变化计算应变数值并将其与所受拉应力建立对应关系。

所述CCD相机采用MTV-1881EX黑白工业摄像头，所述数据采集卡为OK-M10A型号的PCI图像采集卡。光学镜头组置于CCD相机的镜头前以放大物像，CCD相机摄取的图像为数据采集卡所采集。测量前，先在被测试件上做好标记，例如用颜料涂标记等，夹持好被测试件后，调整被测试件的位置，直到CCD相机采集到标记点的图像并准确对焦。拉伸试验开始后先采集第一幅标记图像，测得初始长度数值L₀并纪录，在拉伸过程中，标记点随着被测试件的变形而同时变形，标记点的实时长度数值L由实时图像的测量而获得，被测试件的应变ε根据公式(1)计算出试样实时的应变。

$\mathrm{\ϵ}=\frac{L-L_0}{L_0}---\left(1\right)$

具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同点是：实施方式一的步骤二由下述步骤组成：A、用高斯滤波器对采集进来的图像进行平滑处理，以抑制噪声的干扰；B、计算平滑后图像的每个像素点的梯度幅值和方向，对梯度幅值有显著变化的点进行突出显示，从而增强图像的边缘显示。具体过程如下：采用公式(2)计算平滑后图像的每个像素点的梯度幅值和方向，

公式(2)和(3)是计算梯度幅值和方向的，_x(m，n)是x方向梯度，_y(m，n)y方向梯度，(m，n)是梯度幅值，θ(m，n)是梯度方向，对梯度幅值有显著变化的点进行突出显示，即增强图像边缘显示，其一阶偏导的有限差分卷积模板为 $\left|\begin{array}{cc}-1& -1\\ 1& 1\end{array}\right|.$ 仅仅得到各点的梯度值是不够的，为了便于边缘检测，需要保留局部梯度的最大点，而对非极大值进行抑制。一般地，对于一个特定的像素点M，环绕该像素点M的区域内一共有8个像素，如图2所示。其中，沿着梯度方向的像素点所对应的梯度幅值变化最大，因此，在M点3*3的领域内，将领域的中心像素M与沿着梯度线的两个像素相比，如果M的梯度值不比沿梯度线的两个相邻像素梯度值大，则令M＝0，从而对非极大值加以抑制，最终检测到一个初步的边缘图像N(i，j)。但是这样获得的边缘图像存在假边缘，因此需要对N(i，j)施加阀值分割，将灰度低于阀值的所有点赋零值。为了能够在准确定位边缘的同时又不使边缘间断，本实施方式采用双阀值算法。双阀值算法先定义两个阀值τ₁和τ₂，且2τ₁≈τ₂，然后先用阀值τ₂对图像进行分割，得到阀值边缘图像N₂(i，j)，接着用阀值τ₁得到阀值边缘图像N₁(i，j)，由于N₂(i，j)使用高阀值得到，因而得到的假边缘很少，但得到的图像存在轮廓间断(不闭合)的现象。为了把N₂(i，j)中的间断的边缘连接成轮廓，当到达间断处的端点时，双阀值算法就在N₁(i，j)的8个邻点位置寻找可以连接到轮廓上去的像素点。这样，算法不断地在N₁(i，j)中收集边缘，直到将N₂(i，j)连接起来为止，最后获得一个边界闭合的边缘二值化图像。最后通过计数拉应力方向上最远边缘间像素点个数确定二者之间距离。

Claims (2)

1.基于视觉分辨的非接触式应变测量方法，其特征在于一、利用CCD相机、光学镜头组和数据采集卡实时采集拉伸试验过程中被测试件上标记点的图像；二、对采集到的图像进行图像边缘尖锐化处理并确定图像边缘；三、通过计数拉应力方向上最远边缘间像素点个数确定二者之间距离；四、利用拉应力方向上最远边缘间距离的变化计算应变数值并将其与所受拉应力建立对应关系。

2.根据权利要求1所述的基于视觉分辨的非接触式应变测量方法，其特征在于步骤二由下述步骤组成：A、用高斯滤波器对采集进来的图像进行平滑处理，以抑制噪声的干扰；B、计算平滑后图像的每个像素点的梯度幅值和方向，对梯度幅值有显著变化的点进行突出显示，从而增强图像的边缘显示。

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