CN106338445B - 一种基于频闪照明的疲劳裂纹扩展试验图像在线采集方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于频闪照明的疲劳裂纹扩展试验图像在线采集方法，包括以下步骤：1)将散斑试件装夹到试验机上，通过扫频试验获得共振频率；2)在激振信号的零相位时触发频闪光源和CCD快门，设定频闪光源和CCD快门的触发频率，采集一系列散斑试件的图像；3)采用快速数字图像相关方法计算裂纹散斑图像的裂纹尖端弹性区域的应变场，提取应变场中同一特征点的应变值进行最小二乘正弦曲线快速拟合。4)计算拟合出的应变值正弦曲线与试验机激振信号之间的相位差，并将此相位差反馈给频闪控制器调节频闪光源与CCD快门的触发时间；再进行二次图像采集，采集到载荷最大点与最小点位置时的图像。本发明易于实现、成本较低、且可实现实时在线处理。

Description

一种基于频闪照明的疲劳裂纹扩展试验图像在线采集方法
技术领域
本发明涉及高频振动图像采集技术领域，特别涉及一种基于频闪照明的疲劳裂纹扩展试验图像在线采集方法。
背景技术
高频疲劳裂纹扩展试验是指标准材料试件在高频率的交变载荷作用，探究裂纹演化规律的试验。为了实现整个过程自动化和智能化，通过摄像头采集喷了散斑的试件图像，传输至计算机，通过数字图像相关方法(DIC)获得裂纹区域附近的微观变形场，研究裂纹附近变形场在单个交变载荷周期内的变化规律以及在整个裂纹扩展过程中的变化规律。高频疲劳裂纹扩展试验中的交变载荷的疲劳一般在80Hz～250Hz，要想采集到一个载荷周期内的图像，尤其是要采集到最大和最小载荷位置时刻的图像，具有较高的难度。一般可以采用使用高速摄像的方式，在一秒钟内采集上千张图像，但是高速摄像机一般价格不菲，且每秒钟要处理上千张图像，这无疑对计算机的性能提出了更高的要求，较难实现实时在线。
发明内容
为了克服已有高速摄影在高频疲劳裂纹扩展试验图像采集过程中成本较高，无法实现在线的不足，本发明提供一种易于实现、成本较低、且可实现实时在线处理的基于频闪照明的疲劳裂纹扩展试验图像在线采集方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于频闪照明的疲劳裂纹扩展试验图像在线采集方法，包括以下步骤：
1)疲劳裂纹扩展试验中采用电磁谐振式高频疲劳试验机，将散斑试件装夹到试验机上，通过扫频试验获得共振频率，该共振频率也是施加到试件上交变载荷的频率；
2)首先在激振信号的零相位时触发频闪光源和CCD快门，按照公式(1)设定频闪光源和CCD快门的触发频率，采集一系列散斑试件的图像；
其中，f采为采样得到的正弦曲线频率，f为待采集载荷信号的频率，N为两个采样点之间相隔的整数个波形，n为完成一个完整波形采样的采样点数；
3)采用快速数字图像相关方法计算裂纹散斑图像的裂纹尖端弹性区域的应变场，提取应变场中同一特征点的应变值进行最小二乘正弦曲线快速拟合。
4)计算拟合出的应变值正弦曲线与试验机激振信号之间的相位差，并将此相位差反馈给频闪控制器调节频闪光源与CCD快门的触发时间；接下来再进行二次图像采集，采集到载荷最大点与最小点位置时的图像。
进一步，所述步骤3)中，快速拟合正弦曲线过程使用三参数正弦波拟合法并使用和角公式将非线性问题转化为线性为题求解。
再进一步，所述步骤3)中，裂纹尖端弹性区域内特征点的正弦曲线拟合方法如下：
假设理想的正弦波信号为：
y(t)＝Asin(ωt+φ)+D (2)
其中，y是裂纹尖端弹性区域某一特征点的应变值，A为振幅，φ为初相位，D为y平均值，ω＝2πf为前文中扫频试验获得的共振角频率，通过正弦和角变换可变为：
y(t)＝Acosφsin(ωt)+Asinφcos(ωt)+D (3)
三参数正弦波拟合过程即为输入信号的频率已知，求取A、φ、D使误差平方和函数最小：
构造矩阵：
则(4)式用矩阵表示为：
ξ＝ξ(n)＝(y-ψx0)T(y-ψx0) (5)
当(4)式最小时得x0的最小二乘解为：
本发明的有益效果主要表现在：可以精确采集到在高频疲劳试验过程中一个载荷周期最大值以及最小值时刻的图像，且成本较低，算法简单，易于实现实时在线。
附图说明
图1是基于频闪照明的疲劳裂纹扩展试验图像在线采集方法系统总体组成。
图2是基于频闪照明的疲劳裂纹扩展试验图像在线采集方法流程图。
图3是基于频闪照明的疲劳裂纹扩展试验图像在线采集方法中二级采样频闪照明图像采集原理，实线表示载荷曲线，黑点表示频闪图像采集点，虚线表示频闪图像采集点拟合曲线，其中，(a)表示f＝100Hz，N＝2，n＝8，(b)表示f＝100Hz，N＝5，n＝10，(c)表示f＝80Hz，N＝2，n＝25。
图4是基于频闪照明的疲劳裂纹扩展试验图像在线采集方法中通过数字图像相关方法计算得到的裂纹区域应变场分布图，其中，(a)～(h)分别表示一个载荷循环周期内设定8个采样点时对应时刻的裂纹尖端区域的应变场。
图5是基于频闪照明的疲劳裂纹扩展试验图像在线采集方法中应变值正弦曲线拟合以及与激振信号间的相位差。
图6是基于频闪照明的疲劳裂纹扩展试验图像在线采集方法中激振信号、试件载荷、频闪光源、相机同步控制时序关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图6，一种基于频闪照明的疲劳裂纹扩展试验图像在线采集方法，实现该方法的系统包括电磁谐振式疲劳试验机，CCD和镜头，光源，频闪控制器，图像采集卡，CCD控制器，同步控制器，数字载荷控制器和计算机，所述采集方法包括如下步骤：
首先将喷了散斑的试件装夹到试验机上，电磁谐振式疲劳试验机是一个振动系统，通过扫频试验得到系统的共振频率，一般为80～250Hz，向激振器发出该共振频率的激振信号，开始进行疲劳裂纹扩展试验。
接下来确定频闪采样频率，为了采集高频振动下的散斑图像，本文使用了二级采样频闪照明方法，如图3所示，具体采样频率公式如下：
其中，f采为采样得到的正弦曲线频率，f为待采集载荷信号的频率，N为两个采样点之间相隔的整数个波形，n为完成一个完整波形采样的采样点数。图3中分别显示了不同采样频率不同采样点数情况时的采样结果。本发明实施例中设定N＝10，n＝8，根据上述公式计算出来的采样频率触发频闪光源和CCD快门时间。为了在图像采集时将试件表面的散斑特征清晰地凸现出来，本实施例中采用LED环形频闪光源低角度照明的方式。相机选用SONY公司生产的XC-HR70工业相机，它是一款具有高分辨率、高帧速率顺序扫描的黑白CCD摄像机，并搭配Myutron公司生产的12mm定焦工业镜头LM12NC3。图像采集卡选用美国NI公司的PCI-1410图像采集卡。接下来采集试件的散斑图像，并将图像传输至计算机，采用数字图像相关方法计算裂纹尖端区域应变场，图4为一个载荷循环周期内裂纹尖端区域应变场分布情况。根据线弹性断裂力学理论，在裂纹尖端弹性区域内的应变值和施加到试件上的载荷服从同样的正弦变化规律。
为了快速拟合正弦曲线，使用了三参数正弦波拟合法并使用和角公式将非线性问题转化为线性为题求解，大大的降低了计算量从而降低了计算时间。其基本原理为假设理想的正弦波信号为：
y(t)＝Asin(ωt+φ)+D (2)
其中，y是裂纹尖端弹性区域某一特征点的应变值，A为振幅，φ为初相位，D为y平均值，ω＝2πf为前文中扫频试验获得的共振角频率。通过正弦和角变换可变为：
y(t)＝Acosφsin(ωt)+Asinφcos(ωt)+D (3)
三参数正弦波拟合过程即为输入信号的频率已知，求取A、φ、D使误差平方和函数最小：
构造矩阵：
则(4)式可用矩阵表示为：
ξ＝ξ(n)＝(y-ψx0)T(y-ψx0) (5)
当(4)式最小时可得x0的最小二乘解为：
这样就得到了拟合正弦曲线的函数式，如图5显示了应变值正弦曲线拟合结果，并将其与激振信号比较求出两者间的相位差，将其该相位差反馈给频闪光源和CCD快门进行相位延时，图6是激振信号、试件载荷、频闪光源、相机同步控制时序关系。接下来再进行第二次试件散斑图像采集，便可采集到最大载荷和最小载荷处等关键载荷点处的图像。
最后说明的是，以上实施例仅仅是对于本发明专利精神作举例说明。本发明专利所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法替代，但并不会偏离本发明专利的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种基于频闪照明的疲劳裂纹扩展试验图像在线采集方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)疲劳裂纹扩展试验中采用电磁谐振式高频疲劳试验机，将散斑试件装夹到试验机上，通过扫频试验获得共振频率，该共振频率也是施加到试件上交变载荷的频率；
2)首先在激振信号的零相位时触发频闪光源和CCD快门，按照公式(1)设定频闪光源和CCD快门的触发频率，采集一系列散斑试件的图像；
其中，f采为采样得到的正弦曲线频率，f为待采集载荷信号的频率，N为两个采样点之间相隔的整数个波形，n为完成一个完整波形采样的采样点数；
3)采用快速数字图像相关方法计算裂纹散斑图像的裂纹尖端弹性区域的应变场，提取应变场中同一特征点的应变值进行最小二乘正弦曲线快速拟合；
4)计算拟合出的应变值正弦曲线与试验机激振信号之间的相位差，并将此相位差反馈给频闪控制器调节频闪光源与CCD快门的触发时间；接下来再进行二次图像采集，采集到载荷最大点与最小点位置时的图像。
2.如权利要求1所述的一种基于频闪照明的疲劳裂纹扩展试验图像在线采集方法，其特征在于：所述步骤3)中，快速拟合正弦曲线过程使用三参数正弦波拟合法并使用和角公式将非线性问题转化为线性问题求解。
3.如权利要求2所述的一种基于频闪照明的疲劳裂纹扩展试验图像在线采集方法，其特征在于：所述步骤3)中，裂纹尖端弹性区域内特征点的正弦曲线拟合方法如下：
假设理想的正弦波信号为：
y(t)＝Asin(ωt+φ)+D (2)
其中，y是裂纹尖端弹性区域某一特征点的应变值，A为振幅，φ为初相位，D为y平均值，ω＝2πf为所述扫频试验获得的共振角频率，通过正弦和角变换可变为：
y(t)＝Acosφsin(ωt)+Asinφcos(ωt)+D (3)
三参数正弦波拟合过程即为输入信号的频率已知，求取A、φ、D使误差平方和函数最小：
构造矩阵：；
则(4)式用矩阵表示为：
当(4)式最小时得x0的最小二乘解为：
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