CN103090815A - 一种基于数字图像的长时标应变测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字图像的长时标应变测量方法。该方法采用对数时间等距间隔定时采集试样变形图像，利用数字图像技术实时获得试样的应变，并自动存储应变数据及对应的时间数据。若试验中测量设备(摄像机及与之相连的计算机)发生意外中断，或在较长的数据采集间歇期间主动关闭测量设备，则重新开机后调入已保存的相关数据并获取重开机时刻，若重开机时刻未超过后续应变数据的预定采集时刻，则按预定采集频率继续测量，否则立即采集一个应变数据，然后再按照预定的数据采集频率继续进行测量。本发明解决了现有方法因测量设备持续开机不能过长而难以适应长时标力学试验的应变测量问题。

Description

一种基于数字图像的长时标应变测量方法

技术领域

本发明涉及一种应变测量方法，特别是一种利用数字摄像技术实现的基于数字图像的长时标应变测量方法。

技术背景

长时标力学试验(例如长期蠕变试验)对于表征材料或结构的长期力学行为或长期承载能力至关重要，试验过程中，应变的测量是关键所在。长时标力学试验根据不同要求需要进行数天、数月甚至数年，其应变数据的采集通常采用对数时间间隔，后期数据的采集间隔很长。现有的接触式测量方法(如电子引伸计法、电子应变片法)，测量时必须使传感器与试样接触，长时间作用下，由于传感器自身的重量，将严重影响测量结果，且一旦发生意外中断，则会导致试验失败；现有的基于数字图像的数字散斑系统或光学视频引伸计，尽管为非接触式测量方式，但由于持续开机时间不能过长而很难满足要求，意外的断电也会导致测量终止和试验失败。

发明内容

针对长时标力学试验的试验时间长，现有测量方法无法满足要求的问题，本发明提供一种基于数字图像的长时标应变测量方法。该方法在试验过程中，采用对数时间等距间隔定时采集图像，实时分析处理图像并计算出应变，并自动存储应变数据及对应的时间数据。其优点是：数据采集间隔期间，允许测量设备(摄像机及与之相连的计算机)断电停机，重新开机后可继续进行测试，特别适用于长时标应变的测量。

本发明采用如下技术方案：

一种基于数字图像的长时标应变测量方法，

步骤1对试样沿加载方向作一对标记，并安装在加载机器上，开启摄像机对准试样，调节摄像机镜头焦距，使图像清晰可见并将摄像机固定。

步骤2控制摄像机采集未变形的试样图像，通过数字图像技术得到两标记的初始中心点

并将P₀、Q₀的坐标写入指定的文本文件1中。

步骤3根据试验的时长设定需采集的应变数据个数“n”和时间基量“t₀”，由此得到以10为底的对数间隔定时向量t_span，并将定时向量t_span写入指定的文本文件2中，

$t\_\mathrm{span}=[t_1,t_2,\·\·\·,t_i,\·\·\·t_n]=[{10}^{t_0},{10}^{2\×t_0}-{10}^{t_0},\·\·\·,{10}^{i\×t_0}-{10}^{(i-1)\×t_0},\·\·\·,{10}^{n\×t_0}-{10}^{(n-1)\×t_0}],$

定时向量t_span中的元素t_i为预定采集的第i-1个和第i个数据点之间的时间间隔，由tspan可知采集第i个数据点之前需经历的总时间t′_i，

$t_i^{\′}=t_1+t_2+\·\·\·+t_i={10}^{i\×t_0},$

于是得时间累加向量t′_span，

$t^{\′}\_\mathrm{span}=[t_1^{\′}{t}_2^{\′}\·\·\·,t_i^{\′}\·\·\·,t_n^{\′}]={[10}^{t_0},{10}^{2\×t_0},\·\·\·,{10}^{i\×t_0},\·\·\·,{10}^{n\×t_0}],$

可知，时间累加向量t′span的特性为对数等距时间间隔，而定时向量t_span则用于控制应变数据的采集间歇时间，以确保采集的应变数据与t′_span对应。

步骤4对试样进行加载，同时记录加载初始时刻T₀，并将T₀写入指定的文本文件3中，并按向量t′_span定时采集图像，通过数字图像技术得到两标记新的中心点 $P_i=[{X_P}_i,{Y_P}_i],$ $Q_i=[{X_Q}_i,{Y_Q}_i],$ 由此计算出试样的应变ε_i，

${\mathrm{\ϵ}}_i=\frac{({Y_Q}_i-{Y_Q}_0)-({Y_P}_i-{Y_P}_0)}{{Y_Q}_0-{Y_P}_0},$

并自动获取当前时刻T_i，于是可得应变ε_i所对应的真实经历的时间t_{_i}，

t_i＝T_i-T₀

然后，以追加写入的方式将ε_i写入指定的文本文件4中，以追加写入的方式将ti写入指定的文本文件5中，并实时更新绘制出应变-时间(ε_i～t_{_i})曲线，即实时可视化。

步骤5若由于意外导致测量中断或在某较长的数据采集间歇期间主动关闭测量设备，则重新开机时，调用步骤2至步骤4所述的文本文件1、文本文件2、文本文件3、文本文件4及文本文件5，由文本文件1所读取的信息得到初始中心点P₀、Q₀，由文本文件2所读取的信息得到原来的定时向量t_span，由文本文件3所读取的信息得到试验的初始时刻T₀，由文本文件4所读取的信息得到试验已采集的应变数据及其个数m，由文本文件5得到之前记录的真实时间数据，并由t_span计算出t′_span，再获取重开机的时刻T_r，由于已经采集了m个应变数据，故可得重开机时刻至采集第m+1个数据的剩余间歇时间Δt_m+1，

Δ_tm+1＝t′_m+1-(T_r-T₀)，

若Δt_m+1≥0，则以Δt_m+1代替向量t_span中的t_m+1，然后回到步骤4，依据时间向量t_span从第m+1个数据继续进行测量。注意到有可能出现Δt_m+1＜0的情况，即中断时间过长，使得重开机时刻超过了第m+1个数据的预定采集时刻，甚至连续超过多个后续数据的预定采集时刻，此时则立即采集所落下的应变数据，直至第k个数据的预定采集时刻超过重开机时刻，然后以Δt_k代替向量t_span中的t_k，再回到步骤4，遵循定时向量t_span从第k个数据继续进行测量。

本发明为一种基于数字图像的长时标实时应变测量方法，本发明创新点和有益效果是：

1.现有的应变测量方法在试验过程中，一旦测量设备发生断电停机或操作失误，则测量终止并导致试验失败，本发明在测试过程中，如测量设备发生意外中断，重新开机后仍可继续测量，并且允许根据需要在数据采集间歇期间主动关闭测量设备，且次数不限；2.本发明发生测量中断时，即使中断时间过长，错过测量的只是超过预定采集时刻的若干数据，而后续应变数据的采集则仍按预定采集时刻正常进行；3.本发明按照对数等距时间间隔采集应变数据，符合长时标力学试验特点，既能满足长时标力学试验的需要，也能有效减轻长时标测试带来的海量试验数据的存储负担。

附图说明

图1为本发明测量发生中断时，中断时间未超过后续数据预定采集时刻的定时采集示意图。

图2为本发明测量发生中断时，中断时间超过后续数据预定采集时刻的定时采集示意图。

图3为实施例1中应变数据定时采集示意图。

图4为实施例2中应变数据定时采集示意图。

具体实施方式

一种基于数字图像的长时标应变测量方法，用于测量力学试验中试样随时间变化的应变，特别适用于长时标力学试验中应变的测量。该方法通过控制数字摄像机按对数等距时间间隔定时采集图像，利用数字图像技术实时分析处理图像，计算出试样随时间变化的应变，同时实现可视化。该方法最大的创新与优点是：可防止意外中断而导致的测量失败，且允许在数据采集间歇期间根据需要主动关闭测量设备，从而解决了现有方法因测量设备持续开机不能过长而难以适应长时标力学试验的应变测量问题。特别地，若试验为长期蠕变试验，试验中施加在试件上的载荷是恒定的，若通过纯机械式的砝码加载，则加载过程不使用任何电气设备，因此无需担心断电等意外而导致试验中止，此种情况下，应用本发明则更能体现其优势。本发明在测试过程中，若发生中断，将出现如下两种情况：(1)中断时间未超过后续数据预定采集时刻，此种情况下应变数据的定时采集按图1所示进行；(2)中断时间超过后续数据预定采集时刻，此种情况下应变数据的定时采集按图2所示进行。以下结合实施例，进一步阐述本发明。

实施例1

本实施例中，在试验期间，测量设备发生1次中断(中断时间未超出后续数据的预定采集时刻)，然后重新开机，继续进行测量直至试验完成。

步骤1对试样沿加载方向作一对标记，并安装在加载机器上，开启摄像机对准试样，调节摄像机镜头焦距，使图像清晰可见并将摄像机固定。

步骤2控制摄像机采集未变形的试样图像，通过数字图像技术得到两标记的初始中心点 $P_0=[{X_P}_0,{Y_P}_0],$ $Q_0=[{X_Q}_0,{Y_Q}_0],$ 并将P₀、Q₀的坐标写入“我的测量_初始坐标.txt”中。

步骤3根据试验时长设定需采集的应变数据个数n＝60(若试验前，估计不出试验时长，则把n设置足够大)，时间基量t₀＝0.1，由此得到对数间隔定时向量t_span及时间累加向量t′_span，

t_span＝[t₁，t₂，…，t_i，…，t_n]＝[10^0.1，10^0.2-10^0.1，…，10^i×0.1-10^(i-1)×0.1～，…，10^60×0.1-10^59×0.1]，

t′_span＝[t′₁，t′₂，…，t′_i，…，t′_n]＝[10^0.1，10^0.2，…，10^i*0.1，…，10⁶]，

将定时向量t_span写入“我的测量_定时向量.txt”中，由t_span可知第50个数据点与第51个数据点之间的采集间歇t₅₁＝25892秒，即7.2小时，本实施例中将选择在此间歇期内的某个时刻中断测量，如图3所示。

步骤4对试样进行加载，同时记录加载初始时刻T₀，并将T₀写入指定的“我的测量_初始时刻.txt”中，并按照定时向量t_span定时采集图像，通过数字图像技术得到两标记新的中心点 $P_i=[{X_P}_i,{Y_P}_i],$ $Q_i=[{X_Q}_i,{Y_Q}_i],$ 由此计算出试样的应变ε_i，

${\mathrm{\ϵ}}_i=\frac{({Y_Q}_i-{Y_Q}_0)-({Y_P}_i-{Y_P}_0)}{{Y_Q}_0-{Y_P}_0},$

并自动获取当前时刻T_i，于是，应变ε_i所对应的真实经历的时间t_i，

t_{_i}＝T_i-T₀

即时将应变ε_i以追加写入的方式写入“我的测量_应变数据.txt”中，以追加写入的方式将t_{_i}写入“我的测量_时间数据.txt”中，并实时更新绘制出应变-时间(ε_i～t_{_i})曲线。

步骤5在采集完第50个应变数据并保存后的若干分钟内，中断测量，关闭摄像机及与之连接的计算机，并在5小时后重新开机，如图3所示。重开机后，调用步骤2至步骤4所述的“我的测量_初始坐标.txt”、“我的测量_定时向量.txt”、“我的测量_初始时刻.txt”、“我的测量_应变数据.txt”及“我的测量_时间数据.txt”，从而得到初始中心点P₀、Q₀、原来的定时向量t_span、初始时刻T₀、试验已采集的应变数据、应变数据的个数50及真实的时间数据，再获取重开机的时刻T_r，并由t_span计算出t′_span，于是，得重开机时刻至采集第51个数据的剩余间歇时间Δt₅₁

Δt₅₁＝t′₅₁-(T_r-T₀)，

由于Δt₅₁＞0，则以Δt₅₁代替向量t_span中的t₅₁，然后回到步骤4，遵循时间向量t_span从第51个数据继续进行测量，直至试验完成。

实施例2

本实施例中，在测量期间发生1次中断，且中断时间超过两个后续应变数据的预定采集时刻。

步骤1对试样沿加载方向作一对标记，并安装在加载机器上，开启摄像机对准试样，调节摄像机镜头焦距，使图像清晰可见并将摄像机固定。

步骤2控制摄像机采集一张未变形的试样图像，通过数字图像技术得到两标记的初始中心点 $P_0=[{X_P}_0,{Y_P}_0],$ $Q_0=[{X_Q}_0,{Y_Q}_0],$ 并将P₀、Q₀的坐标写入“我的测量初始坐标.txt”中。

步骤3根据试验时长设定需采集的应变数据个数n＝60，时间基量t₀＝0.1，得到以10为底的对数等距间隔定时向量t_span及时间累加向量t′_span，t_span＝[t₁，t₂，…，t₁，…，t_n]＝[10^0.1，10^0.2-10^0.1，…，10^×0.1-10^(t-1)×0.1，…，10^60×0.1-10^59×0.1]，t′_span＝[t₁′，t₂′…，t_i′，…，t_n′＝[10^0.1，10^0.2，…，^10i*0.1，…，10⁶]，将定时向量t_span写入“我的测量_定时向量.txt”中，由t_span可知t₃₁＝259秒、t₃₂＝326秒，本实施例中将选择在采集完第30个应变数据后中断测量，如图4所示。

步骤4对试样进行加载，同时记录加载初始时刻T₀，并将T₀写入指定的“我的测量初始时刻.txt”中，并遵循定时向量t_span定时采集图像并计算出试样的应变ε_i，

${\mathrm{\ϵ}}_i=\frac{({Y_Q}_i-{Y_Q}_0)-({Y_P}_i-{Y_P}_0)}{{Y_Q}_0-{Y_P}_0},$

自动获取当时时刻Ti，得到应变εi所对应的真实经历的时间t_i，

t_{_i}＝Ti-T₀

即时以追加写入的方式将应变εi写入“我的测量_应变数据.txt”中，以追加写入的方式将t_{_i}写入“我的测量_时间数据.txt”中，并实时更新绘制出应变-时间(εi～t_{_i})曲线。

步骤5在采集完第30个应变数据后，中断测量，关闭摄像机及与之连接的计算机，10分钟后重新开机继续测量，如图4所示。根据t₃₁＝259秒、t₃₂＝326秒和t₃₃＝410秒可预知，重开机时刻必定超过了第31个和第32个应变数据的预定采集时刻。重开机后，调用步骤2至步骤4所述的“我的测量_初始坐标.txt”、“我的测量_定时向量.txt”、“我的测量_初始时刻.txt”、“我的测量_应变数据.txt”及“我的测量时间数据.txt”，从而得到初始中心点P₀、Q₀、原来的定时向量t_span、初始时刻T₀、试验已采集的应变数据、应变数据的个数30及真实的时间数据，再获取重新开机的时刻T_r，并由t_span计算出t′_span，于是得到得重开机时刻至采集第31个数据的剩余间歇时间Δt₃₁，

Δt₃₁＝t′₃₁-(Tr-T₀)，判断Δt₃₁是否大于0，由于Δt₃₁＜0，故立即采集图像，计算出应变ε₃₁，获取当前时刻T₃₁，并以追加写入的方式将ε₃₁写入“我的测量_应变数据.txt”中，以追加写入的方式将T₃₁写入“我的测量时间数据.txt”中，且实时更新绘制出应变-时间(ε_i～t_{_i})曲线，然后再计算出Δt₃₂，

Δt₃₂＝t′₃₂-(T_r-T₀)

判断Δt₃₂是否大于0，由于Δt₃₂＜0，故又立即采集图像，计算出应变ε₃₂，获取当时时刻T₃₂，并以追加写入的方式将ε₃₂写入“我的测量_应变数据.txt”中，以追加写入的方式将T₃₂写入“我的测量_时间数据.txt”中，且实时更新绘制出应变-时间(ε_i～t_i)曲线，然后再计算出Δt₃₃，

Δt₃₃＝t′33-(T_r-T₀)

判断ΔT₃₃是否大于0，由于Δt₃₃＞0，故以Δt₃₃代替向量t_span中的t₃₃，然后回到步骤4，遵循时间向量t_span从第33个数据继续进行测量，直至试验完成。

在这里值得补充说明的是：(1)真实时间数据的t_{_i}与时间累加向量t′_span中的t′_i很相近，但并不相同，尤其当出现实施例2中的情况时，则相差极大，因此，须全程记录并保存真实时间数据；(2)当出现本实施例2中的情况时，立即补充采集所落下的应变数据并自动存储，尽管这些应变数据并非遵循预定采集频率获得，但是这些数据可以起到两方面的作用：一方面，可以在可视化时，一目了然地知道哪些数据不是遵循对数时间间隔采集得来；另一方面，当下次中断再重开机后，仅通过读取存储应变数据的文件即可知晓已经采集的应变数据的个数，以便计算剩余间歇时间，从而进行后续测量。

Claims (1)

1.一种基于数字图像的长时标应变测量方法，其特征在于：

步骤1对试样沿加载方向作一对标记并将试样安装在加载机器上，开启摄像机对准试样，调节摄像机镜头焦距，使图像清晰可见并将摄像机固定；

步骤2控制摄像机采集未变形的试样图像，通过数字图像技术得到两标记的初始中心点 $P_0=[{X_P}_0,{Y_P}_0],$ $Q_0=[{X_Q}_0,{Y_Q}_0],$ 并将P₀、Q₀的坐标写入指定的文本文件1中；

步骤3根据试验的时长设定需采集的应变数据个数“n”，时间基量“t₀”，由此得到定时向量t_span及具有对数等距时间间隔特性的时间累加向量t′_span，并将定时向量t_span写入指定的文本文件2中，

$t\_\mathrm{span}=[t_1,t_2,\·\·\·,t_i,\·\·\·t_n]=[{10}^{t_0},{10}^{2\×t_0}-{10}^{t_0},\·\·\·,{10}^{i\×t_0}-{10}^{(i-1)\×t_0},\·\·\·,{10}^{n\×t_0}-{10}^{(n-1)\×t_0}],$

$t^{\′}\_\mathrm{span}=[t_1^{\′}{t}_2^{\′}\·\·\·,t_i^{\′}\·\·\·,t_n^{\′}]={[10}^{t_0},{10}^{2\×t_0},\·\·\·,{10}^{i\×t_0},\·\·\·,{10}^{n\×t_0}],$

其中，定时向量t_span中的元素t_i为预定采集的第i-1个数据点至第i个数据点的间歇时间，时间累加向量t′_span中的元素t′_i为采集第i个数据点之前需经历的总时间；

步骤4对试样进行加载，同时记录加载初始时刻T₀，并将T₀写入指定的文本文件3中，并遵循定时向量t_span定时采集图像，通过数字图像技术得到两标记新的中心点 $P_i=[{X_P}_i,{Y_P}_i],$ $Q_i=[{X_Q}_i,{Y_Q}_i],$ 由此计算出试样的应变ε_i，

${\mathrm{\ϵ}}_i=\frac{({Y_Q}_i-{Y_Q}_0)-({Y_P}_i-{Y_P}_0)}{{Y_Q}_0-{Y_P}_0},$

并自动获取当前时刻T_i，从而得到应变ε_i所对应的真实经历的时间t_{_i}，

t_{_i}＝T_i-T₀

然后，以追加写入的方式将ε_i写入指定的文本文件4中，以追加写入的方式将t_{_i}写入指定的文本文件5中，并实时更新绘制出应变-时间(ε_i～t_{_i})曲线；

步骤5若由于意外导致测量中断或在某较长的数据采集间歇期间主动关闭测量设备，则重新开机时，调用步骤2至步骤4所述的文本文件1、文本文件2、文本文件3、文本文件4及文本文件5，由文本文件1所读取的信息得到初始中心点P₀、Q₀，由文本文件2所读取的信息得到原来的定时向量t_span，由文本文件3所读取的信息得到试验的初始时刻T₀，由文本文件4所读取的信息得到试验已采集的应变数据及其个数m，由文本文件5得到之前记录的真实时间数据，并由t_span计算出t′_span，再获取重开机的时刻T_γ，由于已经采集了m个应变数据，故可得重开机时刻至采集第m+1个数据的剩余间歇时间Δt_m+1，

Δt_m+1＝t′_m+1-(Tr-T₀)，

若Δt_m+1≥0，则以Δt_m+1代替向量t_span中的t_m+1，然后回到步骤4，依据时间向量t_span从第m+1个数据继续进行测量；若Δt_m+1＜0，则立即采集所落下的应变数据，直至第k个数据的预定采集时刻超过重开机时刻，然后以Δ_tk代替向量t_span中的t_k，再回到步骤4，遵循定时向量t_span从第k个数据继续进行测量。

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