CN107014812A - Dwtt试样断口成像方法 - Google Patents

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刘国栋
陈凤东
周立富
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Abstract

针对现有对DWTT断口成像效果差的问题，本发明提供一种DWTT试样断口成像方法，属于图像测量领域。本发明试样断口放在运动平台上，相机位于试样断口上方，本发明包括：调整正入射光源和斜入射光源入射至试样断口表面，相机获得试样断口的初步图像；采用图像分割方法对初步图像进行分割，获得断口区；将断口区的净截面分成N部分，控制运动平台上下运动，分别获取部分的调焦评价值，各找到一个极大调焦评价值；控制运动平台上下运动，当N部分的调焦评价值均达到其各自极大值的a％以上，运动平台停止运动，相机获取试样断口的焦平面成像；本发明保证了成像景深又要保证成像分辨率，能有效的区分韧断区与脆断区。

Description

DWTT试样断口成像方法
技术领域
本发明涉及一种成像方法，属于图像测量领域。
背景技术
落锤撕裂实验DWTT(Drop Weight Tear Test)是目前检测金属材料强韧性的主要方法。DWTT已被列入国际标准(API 5L/ISO(International organization forstandardization)3183、《管线落锤撕裂试验推荐作法》(API RP 5L3)及国标《铁素体钢落锤撕裂试验方法》(GB/T8363-2007)。DWTT可评估材料强、韧性及韧脆转变温度。对管线钢实施落锤撕裂试验，是在实验室中模拟管线钢加载破断并表征其断裂特征,进而界定其使用安全的有效手段。通常情况下，以断口有效区域内韧性断面(剪切断面)所占的面积百分数，即pSA来表征管线钢的断裂特征。pSA低于50％为不安全的脆断行为，高于85％则为质量控制所需的具有一定止裂能力的韧断行为。
GB/T8363—2007《铁素体钢落锤撕裂试验方法》和API RP5L3—1996《管线钢落锤撕裂试验推荐方法》规定了测定DWTT试样断面pSA的方法：选定测量净截面，辨识韧性断面区(剪切区、纤维区)与脆性断面区(解理区、晶状区)。通常情况下，韧断区呈现为暗灰色纤维状形貌，而脆断区呈现出亮白色结晶状形貌。最后测定韧性断面百分比pSA。
测定韧性断面百分比pSA通常有以下3种方法可供选择：
①图谱比对法，将击断的试样断面与一组和试样厚度相同且经过标定的断口照片或实物断口相对比，得到韧性断面百分比pSA。
②卡尺测量法。
③光学投影直测法，在附有标尺的断口照片或光学投影图上用求积仪测出脆性断面区的面积，从净截面中扣除脆性断面区面积，便可获得韧性断面区所占面积分数。标准同时指出，该种方法一般用于仲裁或有争议及用其他方法难以确定的情况。
综上可见，在测定DWTT试样断口pSA时，图谱比对法实施简单，但定量化程度较差，在批量化同类产品质量控制与验收放行时具有一定的成效，此外标准化图谱的获得需依赖于长期经验的积累。卡尺测量法定量化程度较高，但选区测量与公式的合理应用对试验者要求较高。随着控轧控冷技术以及组织强化工艺在高等级管线钢研发生产中的普及，与典型DWTT试样断口形貌差异较大的复杂断口、特殊断口的出现几率成倍增多，这对卡尺测量法与光学投影直测法都提出了相应技术挑战。而光学投影直测法需要专家来评定，耗时耗力。
钢材料DWTT断口通常包含脆性断面区和韧性断面区。脆性断面区是断裂时几乎不伴有塑性变形的断口区域。断裂面通常与拉应力垂直，由于是沿晶断裂、解理断裂或准解理断裂，脆性断面区各个方向呈现颗粒状均匀分布，微观上具有反光面，成像时相对光亮。如图1所示。
韧性断面区是延性断裂，具有明显的宏观塑性变形。韧性断面区颗粒度，主要由韧窝大小决定，温度越高，韧性越好韧窝越大，宏观特点：暗灰色，纤维状，如图2所示。使用现有图像测量技术时，成像效果差，面临的困难是DWTT断口形貌十分复杂，韧性区、脆性区及裂口混杂并且不平整度很大，峰谷差可达到30mm，既要保证成像景深又要保证成像分辨率，同时又要使得成像获得的图像能有效的区分韧断区与脆断区，这对成像带来技术挑战。
发明内容
针对现有对DWTT断口成像效果差的问题，本发明提供一种DWTT试样断口成像方法。
本发明的DWTT试样断口成像方法，所述方法基于成像装置实现，所述成像装置包括相机1、运动平台2和光源3，试样断口4位于运动平台2上，相机1和光源3均位于试样断口4的上方，对试样断口4进行成像，所述成像方法包括如下步骤：
步骤一：调整试样断口4中心到相机1成像光轴的位置和距离，调整光源3入射至试样断口4表面，使相机1获得试样断口4的初步图像；
步骤二：采用图像分割方法对初步图像进行分割，获得断口区；
步骤三：将断口区的净截面分成N部分，控制运动平台2上下运动，分别获取N部分的调焦评价值，各找到一个极大调焦评价值,N为大于或等于2的正整数；
步骤四：控制运动平台2上下运动，当断口区N部分的调焦评价值均达到其各自极大值的a％以上，运动平台2停止运动，相机1获取试样断口4的焦平面成像；
a为设定的值。
优选的是，所述N等于2，a等于90。
优选的是，所述光源3包括正入射光源3-1和斜入射光源3-2；
所述步骤一中，采用正入射光源3-1和斜入射光源3-2同时照射试样断口4区表面。
优选的是，所述正入射光源3-1为环形光源，相机1透过环形光源的中心对试样断口4成像。
优选的是，所述斜入射光源3-2为点光源。
优选的是，所述步骤一还包括：调节斜入射光源3-2入射至试样断口4区表面的位置和角度。
优选的是，所述相机1景深大于145mm，分辨力优于70lp/mm，光圈数小于等于8。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明的有益效果在于，本发明将试样断口4的图像分成几部分，通过控制运动平台2的运动，使断口图像几部分的调焦评价值达到设定值，达到最佳调焦状态，进而在光源的照明下，相机1对断口进行成像，保证了成像景深又要保证成像分辨率。同时设置了正入射光源3-1和斜入射光源3-2，在断口区表面光滑时，因为正入射光源3-1的照明，反射光线会小角度返回，光线被相机1接收并成像；当断口区表面不光滑时，因为斜入射光源3-2的照明，不光滑的表面将入射光线小角度反射回相机1，获得较高的成像对比度，便于对断口区表面上的纹理和暗角进行检测，能有效的区分韧断区与脆断区。本发明与现有测量技术相比，明显提高了成像效果。
附图说明
图1为脆性断裂区微观结构的示意图。
图2为韧性断裂区微观结构的示意图。
图3为正入射光源3-1和斜入射光源3-2的原理示意图。
图4为本发明的成像装置的原理示意图。
图5为环形光源的原理示意图。
图6为采用自动调焦法实现峰谷高度差半程成像。
图7为试样断口的焦平面成像。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
结合图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式所述的DWTT试样断口成像方法，所述方法基于成像装置实现，所述成像装置包括相机1、运动平台2和光源3，试样断口4位于运动平台2上，相机1和光源3均位于试样断口4的上方，对试样断口4进行成像，所述成像方法包括如下步骤：
步骤一：调整试样断口4中心到相机1成像光轴的位置和距离，调整光源3入射至试样断口4表面，使相机1获得试样断口4的初步图像；
步骤二：采用图像分割方法对初步图像进行分割，获得断口区；
步骤三：将断口区的净截面分成N部分，控制运动平台2上下运动，分别获取N部分的调焦评价值，各找到一个极大调焦评价值，N为大于或等于2的正整数；
步骤四：控制运动平台2上下运动，当断口区N部分的调焦评价值均达到其各自极大值的a％以上，运动平台2停止运动，相机1获取试样断口4的焦平面成像；
a为设定的值。
本实施方式将试样断口4的图像分成几部分，通过控制运动平台2的运动，使断口图像几部分的调焦评价值达到设定值，达到最佳调焦状态，进而在光源3的照明下，相机1对断口进行成像，保证了保证成像景深又要保证成像分辨率。
照明是DWTT视觉测量系统中重要的一环，照明光源3将光线投射到断口区表面形成反射光线，相机1在接收到反射光线后，才能对断口区成像。对于DWTT断面，表面起伏非常大，结构复杂，非常容易形成阴影，所以必须使用外置光源3。
优选实施例中，如图3和图4所示，光源3包括正入射光源3-1和斜入射光源3-2；采用正入射光源3-1和斜入射光源3-2同时照射试样断口4区表面。
正入射光源3-1发出平行光线或者小角度发散光，当断口区表面光滑时，反射光线会小角度返回，光线被相机1接收并成像；若断口区表面不光滑(凹凸、纹理)，则反射光线会大角度发散，不被相机1所接收。进而断口区表面光滑的部分即会获得较高的成像对比度，便于特征提取和位姿参数解算。
斜入射光源3-2会发出大角度光线，与正入射光源3-1正好相反，当断口区表面光滑时，反射光线大角度发散不会被相机1接收。而纹理部分却可将入射光线小角度反射回相机1，获得较高的成像对比度，便于对断口区上的纹理和暗角进行检测，接近180度。在光线低角度照射下物体的边缘信息、纹理信息等三维拓扑结构能被清晰的反映出来。
所以应用低角度照明的优点的能够凸显被测表面结构，增强图像的三维信息。
根据断口区的成像要求，在表面起伏度达到30mm的断面需要凸显出高低起伏较粗糙的脆性区，并尽量减少阴影区域的出现防止覆盖待检测区域，采用沐光和低角度照射相结合的方法。
优选实施例中，如图5所示，正入射光源3-1为环形光源，相机1透过环形光源的中心对试样断口4成像。
合理的沐光光源结构应为环形，外环半径320mm。内环半径260mm大于镜头的尺寸，可以让相机1从中间穿过，且不遮挡相机1视场。
优选实施例中，斜入射光源3-2为点光源。
为了区分韧性区、脆性区，根据脆性特征面在需要在高亮的点光源低角度掠射下，会呈现十分明显的闪耀特性，对检测非常有利。而且点光源光线发散角度大，可凸显三维结构。因此针对DWTT试样断口4，采用高亮点光源进低角度照射。
照明实验表明，断口区在低角度照明的方式下脆性特征区域更加明显。为了达到脆性特征区突出阴影少的效果，不同的断口区需要相应调节低角度照射的角度和位置。
具体实施例：
根据实际情况，测量视场优于100mm×50mm，可以全部应用需求。
由于需检测的试样断口4的表面高低不平试件断口表面峰谷差可达到30mm，脆性断裂区结晶颗粒大小在100～200μm，对被测试样断口不在同一物面上的情况普通工业镜头景深难以符合要求。为了达到精密测量的要求，用远心镜头。由于其独有的平行光路设计和视场分辨率一般比普通镜头高，景深也比普通镜头大10倍以上，畸变率很小。综合考虑选用的远心镜头参数需要满足：景深△d大于145mm，分辨力C优于70lp/mm(>45％)，光圈数F小于等于8。
采用白光380nm～780nm照明，取λ＝580nm则镜头物方分辨率σ1为：
σ1≈1.22×F×λ＝1.22×8×0.580μm＝5.66μm
根据计算结果：光学分辨率优于100μm，能够达到检测要求。经过查询，满足上述要求的商用远心镜头存在，这为本实施例的实现带来简便。
由于景深△d＝145mm，需要成像焦平面落在断口的峰谷高度差的一半的地方。为了实现这个目标，成像装置设有沿着成像光轴上下运动的功能，并采用自动调焦评判函数，自动评判断口区域的调焦情况。
本实施例的成像方法包括如下步骤：
步骤一：调整试样断口中心到相机成像光轴的位置和距离，调整正入射光源3-1和斜入射光源3-2入射至试样断口区表面的角度和位置，使相机获得试样断口的初步图像；
步骤二：采用图像分割方法对初步图像进行分割，获得断口区；
步骤三：将断口区的净截面分成两部分，控制运动平台上下运动，分别获取两部分的调焦评价值，各找到一个极大调焦评价值；
步骤四：控制运动平台运动，当断口区两部分的调焦评价值均达到其各自极大值的90％以上，运动平台停止运动，相机获取试样断口的焦平面成像。
本实施例在正入射光源3-1和斜入射光源3-2的照明下，采用大景深的远心镜头对DWTT断口成像，为兼顾景深和分辨率(景深增加时，分辨率减少，反之亦然)，采用自动调焦法实现峰谷高度差半程成像，如图6所示，成像效果图如图7所示。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (7)

1.一种DWTT试样断口成像方法，其特征在于，所述方法基于成像装置实现，所述成像装置包括相机、运动平台和光源，试样断口位于运动平台上，相机和光源均位于试样断口的上方，对试样断口进行成像，所述成像方法包括如下步骤：
步骤一：调整试样断口中心到相机成像光轴的位置和距离，调整光源入射至试样断口区表面，使相机获得试样断口的初步图像；
步骤二：采用图像分割方法对初步图像进行分割，获得断口区；
步骤三：将断口区的净截面分成N部分，控制运动平台上下运动，分别获取N部分的调焦评价值，各找到一个极大调焦评价值,N为大于或等于2的正整数；
步骤四：控制运动平台上下运动，当断口区N部分的调焦评价值均达到其各自极大值的a％以上，运动平台停止运动，相机获取试样断口的焦平面成像；
a为设定的值。
2.根据权利要求1所述的DWTT试样断口成像方法，其特征在于，所述N等于2，a等于90。
3.根据权利要求1所述的DWTT试样断口成像方法，其特征在于，所述光源包括正入射光源和斜入射光源；
所述步骤一中，采用正入射光源和斜入射光源同时照射试样断口区表面。
4.根据权利要求3所述的DWTT试样断口成像方法，其特征在于，所述正入射光源为环形光源，相机透过环形光源的中心对试样断口成像。
5.根据权利要求3或4所述的DWTT试样断口成像方法，其特征在于，所述斜入射光源为点光源。
6.根据权利要求5所述的DWTT试样断口成像方法，其特征在于，所述步骤一还包括：调节斜入射光源入射至试样断口区表面的位置和角度。
7.根据权利要求1或3所述的DWTT试样断口成像方法，其特征在于，所述相机景深大于145mm，分辨力优于70lp/mm，光圈数小于等于8。
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