CN105371769A - 一种测量动态裂纹长度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量动态裂纹长度的装置脊方法，对含裂试件进行加载，通过非接触式裂纹长度测量分析系统采集裂纹口的张开位移数据，利用正弦曲线拟合获取张开位移的最大值，再利用裂纹口张开位移与裂纹长度关系获取对应循环下的裂纹长度。经试验验证，本方法比传统方法便利快捷，结果真实可靠。

Description

一种测量动态裂纹长度的方法及装置

技术领域

本发明属于光侧力学、工程材料和疲劳断裂力学研究领域，具体涉及一种裂纹长度的动态测量方法及装置。

背景技术

在材料疲劳裂纹扩展试验中，常使用目测法测量裂纹长度，一般需要中断试验读取裂纹长度，且裂纹长度不便观察、误差可能性大；也可以使用柔度法测量裂纹长度，多用夹式引伸计检测裂纹张开位移，其使用时与试件直接接触，加持位置的错动，试验件的震动，会影响标定精度；依据图像处理技术随之产生的非接触式视频引伸计，能够实现在与试件不接触条件下采集裂纹张开位移信息，但存在未能实时采集动态裂纹张开位移数据的不足。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种测量动态裂纹长度的方法及装置。

技术方案

一种测量动态裂纹长度的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在含裂试件上粘贴两个标识，将带标识试件固定在加载装置上；

步骤2：在静载条件下采集一组带标识试件图像，计算两个标识在实际中的距离和图像中的距离的比例L，所述的L的单位为mm/Pix；

步骤3：加载装置对含裂试件进行加载，数字影像采集系统每隔一定的加载循环数采集标识试件图像若干张并传输给计算机；

步骤4：计算机对图像进行图像处理得到裂纹张开位移：

1)计算每个像素点的灰度值：

Glay＝(2*r-g-b)

其中，r代表红色，g代表绿色，b代表蓝色；

2)将灰度值与设定的阈值进行比较：灰度值小于设定的阀值时，记为0，表示白色；灰度值大于设定的阀值时，记为1，表示黑色；

3)对局部3*3的像素点的Glay进行求和，如果和大于4，则像素点为白色，否则为黑色；经过步骤2)和步骤3)之后的白色图像为两个标识点；

4)计算两个标识点的中心距离，由比例L换算得到两标识点的当前实际距离；

5)对每个图像进行步骤1)-4)的操作，得到两标识点在不同时刻的当前实际距离；

6)采用正弦曲线对标识点不同时刻的当前实际距离进行数值拟合，得到的正弦曲线的峰值作为裂纹张开位移；

步骤5：计算裂纹长度：

$a=(C_0+C_1{U}_x+C_2{U}_x^2+C_3{U}_x^3+C_4{U}_x^4+C_5{U}_x^5)w$

$u_x={\{{\[\frac{{\mathrm{BEV}}_x}{P}\]}^{1/2}+1\}}^{-1}$

其中，B为试件厚度，E为材料弹性模量，V_x为裂纹张开位移，P为载荷大小，C₀、C₁、C₂、C₃、C₄、C₅为常数，a为裂纹长度，w为试件宽度。

设定的阀值为64。

一种测量动态裂纹长度的装置，其特征在于包括加载装置、数字影像采集系统和计算机；加载装置用于固定含裂纹试件，数字影像采集系统和计算机连接，数字影像采集系统采集不断加载的试件的实时图形信息并传输给计算机，经过计算机数据处理得到试件的动态裂纹长度。

有益效果

本发明提出的一种测量动态裂纹长度的方法及装置，能够在非接触条件下实时动态地测量加载中试件裂纹长度，安装和调节省时，测量精度高，操作过程简单，可以实现实验正常开始后中途不需要人员进行其它操作之便利，测量结果可靠。

附图说明

图1为实现本发明的装置示意图

图2粘贴两个标识的含裂试件

图3为计算机程序流程图

图4为试验流程图

图5为标识点处理图：(a)原始图像；(b)灰度处理图像

图6为实施例示意图

横坐标是循环数，纵坐标是裂纹长度

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

将数字影像采集系统与装有数据处理程序的计算机相连接，组成非接触式裂纹长度测量分析系统，数字影像采集系统快速采集和识别不断加载的试件的实时图形信息并传输给计算机，经过计算机程序数据处理得到试件的动态裂纹长度，测量步骤如下：1)将带标识的试件安装在加载试验机上，调节光源和安装有数字影像采集系统的固定调节装置，使得数字影像采集系统能够捕捉到标识图像；2)图像标定，在静载条件下采集图像，确定单位像素的实际中的距离和图像中的距离的比例L；3)开始试验，数字影像采集系统每经过一定的加载循环数，就一次性采集若干张照片(如300张)并记录在计算机内；4)数字影像采集系统采集处在加载中试件的图像并传输给计算机，计算机获得实时图像的RGB值，之后经过灰度值计算和灰度阀值调整进行灰度识别和图像过滤，利用图像局部中心运算得到实时的标示中心，并将试件加载循环数下的一组标示中心位移量储存在计算机中；5)对每一组标示中心位移量，依照试验频率，做正弦曲线的数值拟合，把正弦曲线的峰值作为该次测量的裂纹张开量的值；6)依据裂纹口张开位移量与裂纹长度的柔度转换公式，得到对应循环下的实时裂纹长度。

其中，为提高计算机处理效率，对于试验件标识采用双红点标识，图像处理时，屏蔽RGB值中G、B值较低的点，留下R值高的点，大大降低了图像信息量，提高了计算机图像处理效率。

具体步骤如下：

将数字影像采集系统3与计算机4连接，并将裂纹张开位移测量系统安装在计算机4上，组成非接触式裂纹长度测量分析系统，然后利用非接触式裂纹长度测量分析系统进行图像采集并进过处理后得到裂纹张开位移量，再经过柔度转换得到对应的裂纹长度，如图1所示，测量步骤如下：1)在含裂试件上粘贴标识5(两个标识在一条水平线上)，将带标识试件2固定在加载装置1上；2)调节光源和安装有数字影像采集系统3的固定调节装置，使得数字影像采集系统3能够捕捉到标识图像以保证视场和放大倍数：3)图像标定，在静载条件下采集带标识试件图像，确定单位像素的实际距离(计算两个标识之间的距离在图像中和实际中的比例)，记为Lmm/Pix；4)利用加载装置1对试验件2进行加载，通过非接触式裂纹长度测量分析系统中的数字影像采集系统3，每隔一定循环数对试验件2上裂纹张开口处标识点5区域的进行图像采集，连续采集图像300张并传输给计算机；

5)针对4)采集获得的300张图像，每一张图像进行如下的处理：

1、获得实时图像的每个像素点的RGB值，依据RGB值计算灰度值：

Glay＝(2*r-g-b)

其中，r代表红色，g代表绿色，b代表蓝色；

2、针对图像的光照强弱，Glay灰度值，大于等于64时，为白色，小于此值为黑色；即在程序中将灰度值与设定的阈值进行比较：灰度值小于设定的阀值时，记为0，表示黑色；灰度值大于设定的阀值时，记为1，表示白色；这样就获得了修正的灰度图像。(对于灰度阈值64，针对实际情况可以调整，目标是图像中的标识为白色，其他背景均为黑色)

3、接着对图像采用“中心均值法”剔除图像噪点，具体方法是：对局部3*3的像素点的Glay进行求和，如果和大于4，该点为白色，否则为黑色；通过上述的图像处理，获得了标识为白色，其他为黑色的图像；

4、针对图像中保留两个连续的白色区域，即对应的标识，分别获得白色图像的中心点像素坐标，运用两点距离公式求得标识的相对距离(像素距离)；由标距Lmm/Pixn换算得到两点的当前实际距离，以这个距离为试件标识中心点的实际距离；

5、对每个图像进行步骤1-4的操作，得到一系列的试件标识中心点的实际距离；采用正弦函数进行数值拟合处理，以正弦曲线的峰值作为此时测量的标识相对距离，即裂纹张开位移，该过程程序的流程图为图3；

6)利用裂纹口张开位移和裂纹长度的柔度转换公式，获取对应循环下的裂纹长度。

计算柔度与归一化裂纹长度关系式：

$a/w=(C_0+C_1{U}_x+C_2{U}_x^2+C_3{U}_x^3+C_4{U}_x^4+C_5{U}_x^5)w$

$u_x={\{{\[\frac{{\mathrm{BEV}}_x}{P}\]}^{1/2}+1\}}^{-1}$

其中，B为试件厚度，E为材料弹性模量，V_x为裂纹张开位移，P为载荷大小，C_x为常数，a为裂纹长度，w为试件宽度。

试验采用标准C(T)试样，试验开始前记录试验的仪器型号，试件规格，材料类型，加载大小及环境特性等试验相关参数。试验的流程图如图4所示。

将数字影像采集系统与计算机连接，并将裂纹张开位移测量系统安装在计算机上，组成非接触式裂纹长度测量分析系统。

打开试验机，将贴有标识的试验件安装在试验机上。

调节光源和安装有数字影像采集系统的固定调节装置，使得数字影像采集系统能够捕捉到标识图像，具有合适的图像放大倍数和清晰度。

图像标定，在静载条件下采集图像，确定单位像素的实际距离。

开始试验，利用试验机对试验件进行加载，同时数字影像采集系统实时采集处在加载过程中的试验件上的标识图像并传输给计算机。

计算机记录循环数下的实时图像，获得实时图像的RGB值，进行灰度值计算，调节灰度阀值过滤图像噪点，图5为灰度处理后得到的标识点区域处理图。利用图像局部中心运算得到实时的标示中心，经Sin曲线的数值拟合后得到循环数下的试验件裂纹张开位移。

依据测定裂纹长度的柔度法，参考公式和柔度与归一化裂纹长度关系式由裂纹张开量得到循环数下实时的裂纹长度。式中，B为试件厚度，E为材料弹性模量，V_x为裂纹张开位移，P为载荷大小，C_x为常数，a为裂纹长度，w为试件宽度。

对数据以可视化图表的形式展出得到图6，图6中圆圈线代表试验中通过视频显微镜目测获取的裂纹长度扩展曲线，黑实线为非接触式裂纹长度测量分析系统得到的裂纹长度扩展曲线。可见，二者非常接近，最大误差不到2.3％。

Claims (3)

1.一种测量动态裂纹长度的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在含裂试件上粘贴两个标识，将带标识试件固定在加载装置上；

步骤2：在静载条件下采集一组带标识试件图像，计算两个标识在实际中的距离和图像中的距离的比例L，所述的L的单位为mm/Pix；

步骤3：加载装置对含裂试件进行加载，数字影像采集系统每隔一定的加载循环数采集标识试件图像若干张并传输给计算机；

步骤4：计算机对图像进行图像处理得到裂纹张开位移：

1)计算每个像素点的灰度值：

Glay＝(2*r-g-b)

其中，r代表红色，g代表绿色，b代表蓝色；

2)将灰度值与设定的阈值进行比较：灰度值小于设定的阀值时，记为0，表示白色；灰度值大于设定的阀值时，记为1，表示黑色；

3)对局部3*3的像素点的Glay进行求和，如果和大于4，则像素点为白色，否则为黑色；经过步骤2)和步骤3)之后的白色图像为两个标识点；

4)计算两个标识点的中心距离，由比例L换算得到两标识点的当前实际距离；

5)对每个图像进行步骤1)-4)的操作，得到两标识点在不同时刻的当前实际距离；

6)采用正弦曲线对标识点不同时刻的当前实际距离进行数值拟合，得到的正弦曲线的峰值作为裂纹张开位移；

步骤5：依据裂纹口张开位移量与裂纹长度的柔度转换公式，得到对应循环下的实时裂纹长度

$a=(C_0+C_1{U}_x+C_2{U}_x^2+C_3{U}_x^3+C_4{U}_x^4+C_5{U}_x^5)w$

$u_x={\{{\[\frac{{\mathrm{BEV}}_x}{P}\]}^{1/2}+1\}}^{-1}$

其中，B为试件厚度，E为材料弹性模量，V_x为裂纹张开位移，P为载荷大小，C₀、C₁、C₂、C₃、C₄、C₅为常数，a为裂纹长度，w为试件宽度。

2.根据权利要求1所述的一种测量动态裂纹长度的方法，其特征在于所述的设定的阀值为64。

3.一种实现权利要求1所述的测量方法的动态裂纹长度装置，其特征在于包括加载装置(1)、数字影像采集系统(3)和计算机(4)；加载装置(1)用于加载含裂纹试件(2)，数字影像采集系统(3)和计算机(4)连接，数字影像采集系统(3)采集不断加载的试件(2)的实时图形信息并传输给计算机(4)，经过计算机(4)数据处理得到试件的动态裂纹长度。