CN107632029A - 一种基于x射线透射成像的数字图像相关技术实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于X射线透射成像的数字图像相关技术实验装置，包括X射线光源、闪烁体、反光镜、CCD相机和计算机；X射线光源产生的X射线穿过试验样品后将试验样品的内部信息携带到闪烁体上，闪烁体将X射线转变成可见光并通过反光镜传递到CCD相机，CCD相机与计算机相连，通过计算机中的图像采集软件获得试验样品的相衬图像，计算机通过DIC分析方法对相衬图像进行处理，获得试验样品的位移场和应变场。本发明中将X射线成像技术应用于传统DIC实验方法，能对材料在加载时的力学行为进行表征，获得全场位移和应变分布，成像质量更高，适用于微尺度材料变形的表征；此外，借助X射线的穿透力，XPCI图像还能够提供一些额外的材料内部变形的信息。

Description

一种基于X射线透射成像的数字图像相关技术实验装置

技术领域

本发明属于数字图像相关技术领域，特别涉及一种基于X射线透射成像的数字图像相关技术实验装置。

背景技术

应变和位移在固体变形和断裂力学的研究中是非常关键的参数，然而研究员们在实验中选用传统的方法技术来测量这些参数时总是很难抉择，因为总是要在精确度、简便性以及成本等因素之间进行平衡。数字图像相关技术(Digital Imaging Correlation，简称DIC)，是20世纪80年代初发展起来的一种非接触式光学测量方法，它非常适合于裂纹扩展和材料变形的研究，是一种低成本、高精确度且操作简便的研究方法。由于该方法不需要复杂的光学系统，所以可以方便地进行测量。此外，不同于其他利用光波干涉的方法，不需要进行条纹图案的相位分析和后续的相位展开过程。在今天的很多研究中都用了到这种方法去解决各种问题，比如断裂力学、高温变形测量、生物材料和逆应力分析。

图1所示为一种现有的DIC测量系统，主要由加载系统、光源、摄像机和计算机组成。其具体实现过程大致如下：首先要确保光源(这里的光源为普通照明光源)对加载试样的表面有良好的照明，然后调整摄像机使其光轴与被测试样表面垂直(或者说摄像机的的成像面与试样表面平行)，接着对试件进行加载，加载过程通过图像采集卡记录试件表面图像。最后将采集到的图像进行分析：选取加载过程中采集到的试样表面变形前后的数字图像信息，利用二维DIC方法对图像进行分析，获得试件面内位移场及应变场等变形信息。

在该DIC测量系统中，光源和相机是重要的组成部分。为了保证图像质量，要求光源提供一个均匀稳定的广场，在白天测量时可使用自然光，如果光线不足或者夜间测量时需要使用照明光源。相机是成像的关键，为了减小测量误差，一方面要尽可能保证相机光轴与试样表面垂直；另一方面要采用长焦距远心镜头，以减少试样在加载过程中产生微小偏移所带来的误差。

数字图像上的散斑是DIC分析的关键，通过追踪散斑可以获知变形前后的位移情况。为了获得散斑，实验员会在试样表面喷涂了一层油漆。在加载时，附着在试样表面的油漆斑点会随着试样变形而移动，通过图像采集系统对试样表面的整个变形过程进行实时记录，然后通过DIC算法分析对比变形前和变形过程中某一时刻的图像，即可得出该时刻试样表面的位移场和应变场。

DIC实验方法在材料变形与破坏的研究中与传统技术相比有着其独特的优势，但是通过以上分析，可以发现它也有以下缺点：

首先，现有的DIC实验方法都是使用的自然光或者普通照明光对试样表面进行补光，光源的亮度影响了成像的质量，过亮或者过暗的照明都会使试样表面形貌失真。而且，对于透明材料，普通光照上去透过的光多反射的光少，相机难以拍到丰富的变形信息，DIC方法难以适用。

其次，DIC实验方法的精度依赖于散斑质量，现有的DIC实验普遍采用喷漆的方法在试样表面产生散斑，得到的散斑尺寸在毫米级别。但是为了保证实验精度，要求在不同的成像比例下需要有相应大小和数量的散斑，采用喷漆法很难做出微米和亚微米级别的均匀散斑。还有，喷漆法下如果试样变形时发生局部区域的油漆脱落，会对实验结果产生较大误差；对于油漆难以附着的材料，喷漆法也不能起效。

此外，现有的DIC实验方法为保证测量精度，要求相机的光轴与被测物的表面垂直。但是在实际架设设备时，不可能保证它们之间完全垂直，而且在加载过程中试样难免会发生变形引起离面位移，离面位移的发生改变了物距(试样表面到相机的距离)，导致图像放大倍数的改变，引起额外的压缩、拉伸虚应变，造成测量误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种将X射线成像技术应用于传统DIC实验方法，能对材料在加载时的力学行为进行表征，获得全场位移和应变分布，成像质量更高，适用于微尺度材料变形的表征的基于X射线透射成像的数字图像相关技术实验装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于X射线透射成像的数字图像相关技术实验装置，包括X射线光源、闪烁体、反光镜、CCD相机和计算机；X射线光源产生的X射线穿过试验样品后，利用X射线相衬成像技术将试验样品的内部信息携带到闪烁体上，闪烁体将X射线转变成可见光并通过反光镜传递到CCD相机，CCD相机与计算机相连；计算机通过图像采集软件获得试验样品的相衬图像，并通过DIC分析方法对相衬图像进行处理，获得试验样品的位移场和应变场。

进一步地，所述X射线光源与试验样品之间设有快门，X射线通过快门后照射到试验样品上。

进一步地，所述DIC分析方法通过提取试验样品相衬图像序列中的前后两帧，其中一帧作为参考帧另一帧作为当前帧，将这两帧相衬图像分别等分为多个子集S，然后进行二维DIC分析，计算位移矢量U_k和Green-Lagrange应变张量E_kl，k,l＝1，2。

进一步地，所述DIC分析方法是根据追踪试验样品变形前后X射线相衬图像上的X射线斑点位移情况，来计算位移场和应变场。所述X射线斑点是由样品表面或内部自然形成或人为制造的不均匀的、细小的结构特征(如第二相、气孔、夹杂、表面粗糙度等)引起X射线穿过样品之后发生相位改变形成的。

本发明的有益效果是：

1、本发明中将X射线成像技术应用于传统DIC实验方法，能对材料在加载时的力学行为进行表征，获得全场位移和应变分布，与传统可见光成像相比，X射线相衬图像的成像质量更高，适用于微尺度材料变形的表征；此外，借助X射线的穿透力，XPCI图像还能够提供一些额外的材料内部变形的信息；

2、本发明中的XDIC实验装置，在研究不均匀材料时可以利用材料内部均匀分布的第二相结构或气孔、夹杂等缺陷形成X射线斑点，对于结构和成分均匀的材料也可以使用人工制造X射线斑点的方法(如表面粗糙度)；而且，得到的X射线斑点在尺寸上能够达到亚微米级别在分布上也更加均匀，相对于传统喷漆法制备的光学散斑更为可靠。

3、由于利用了X射线相衬成像原理，X射线穿透试样后经过闪烁体转换成可见光才能在CCD相机中成像，即X射线将样品内部厚度方向上的信息全部投影到到了闪烁体上，闪烁体再成像到CCD相机中；此时闪烁体到CCD相机的光路距离，相当于传统DIC方法中试样表面到相机的距离(即物距)；而在XDIC中闪烁体到CCD相机的光路距离是固定不变的，这样即使材料在加载过程中因变形产生了离面位移，也不会改变物距使图像模糊，从而排除了离面位移带来的实验误差；

4、利用本发明中的XDIC实验装置来检测试验样品，对样品材料的限制较小，对透明材料及颗粒材料的样品也可以使用。

附图说明

图1为现有DIC测量系统结构示意图；

图2为本发明的实验装置结构示意图；

图3为本发明实施例一两个实验样品的扫描图像；

图4为本发明的实施例一得到的应变场信息图；

图5为本发明的实施例二得到的应变场信息图。

具体实施方式

本发明中提出了一种XDIC实验装置，如图2所示，本质上是将X射线相衬图像(X-ray phase contrast imaging，XPCI)与传统DIC算法相结合，该装置先利用XPCI方法获得物体内部清晰的相衬图像，然后利用DIC分析方法计算出试样的位移场和应变场。由于利用了X射线相衬成像(XPCI)原理，X射线穿透试样后经过闪烁体转换成可见光才能在CCD相机中成像，即X射线将样品内部厚度方向上的信息全部投影到了闪烁体上，闪烁体再成像到CCD相机中。此时闪烁体到CCD相机的光路距离，相当于传统DIC方法中试样表面到相机的距离(即物距)。而在XDIC中闪烁体到CCD相机的光路距离是固定不变的，这样即使材料在加载过程中因变形产生了离面位移，也不会改变物距使图像模糊，从而排除了离面位移带来的实验误差。下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

一种基于X射线透射成像的数字图像相关技术实验装置，包括X射线光源、闪烁体、反光镜、CCD相机和计算机；X射线光源产生的X射线穿过试验样品后，利用X射线相衬成像技术将试验样品的内部信息携带到闪烁体上，闪烁体将X射线转变成可见光并通过反光镜传递到CCD相机，CCD相机与计算机相连；计算机通过图像采集软件获得试验样品的相衬图像，并通过DIC分析方法对相衬图像进行处理，获得试验样品的位移场和应变场。

进一步地，所述X射线光源与试验样品之间设有快门，X射线通过快门后照射到试验样品上。

进一步地，述DIC分析方法通过提取试验样品相衬图像序列中的前后两帧，其中一帧作为参考帧另一帧作为当前帧，将这两帧相衬图像分别等分为多个子集S，然后进行二维DIC分析，计算位移矢量U_k和Green-Lagrange应变张量E_kl，k,l＝1，2。对于参考帧中的一个子集S和当前帧中的对应子集其相关系数遵循标准的最小二乘规则：

括号里面的第一项指的是参考帧，第二项(加波浪符号强调的)指的是当前帧；(x_i,y_i)表示参考帧中点的坐标，表示点(x_i,y_i)在当前帧中对应点的坐标；f(x_i,y_i)、分别为(x_i,y_i)、的灰度值函数；f_m、分别表示参考帧子集和当前帧子集的平均灰度值；表示S和的匹配程度。建立起子集间的对应关系之后，就能够得到位移场Uk和应变场Ekl，包括等效应变(Eeq)。本发明中利用DIC分析方法对相衬图像进行处理，获得试验样品的位移场和应变场的具体计算方法与传统的DIC算法类似，以上只做了简要介绍，具体的详细算法过程不再赘述。

进一步地，所述DIC分析方法是根据追踪试验样品变形前后X射线相衬图像上的X射线斑点位移情况，来计算位移场和应变场。所述X射线斑点是由样品表面或内部自然形成或人为制造的不均匀的、细小的结构特征(如第二相、气孔、夹杂、表面粗糙度等)引起X射线穿过样品之后发生相位改变形成的。

下面通过两个具体的实施例来验证本发明提出的XDIC实验装置：

实施例一：切取两个厚度为0.5mm的狗骨头状铝样品，将其中一个试样经过抛光后，浸入氢氟酸中浸泡1min，然后经过30min的超声波清洗去除表面残留的颗粒，另一个试样只抛光不腐蚀。腐蚀的作用是为了使试样表面变得粗糙，使其能够在XPCI图像上产生X射线斑点。接下来对两个样品进行XPCI和扫描电子显微镜(SEM)表征获得原始图像，如图3所示，经过腐蚀后的样品其XPCI图像(图3(a))上出现了丰富的X射线斑点，这是由于腐蚀让其表面变得粗糙，在X射线的透射方向产生了细微的厚度差异；这一特点在SEM图像中更为显著，从图3(b)可以看出，腐蚀后的铝表面有丰富的显微结构。然而，未经过腐蚀的铝样品，其XPCI和SEM图像上都比较平滑(这里未列出)。(图3(a)中的明亮的较大白斑，是预先在铝样品上用电火花加工制成的一个直径约为100μm的通孔，目的是为了研究其生长动力和应变场的关系，与本发明内容无关。)

将上述两个样品在X射线照射下沿长度方向进行拉伸，在整个加载过程中，观察到腐蚀后的样品铝上的X射线斑点始终保持清晰可见，而未被腐蚀的样品没有X射线斑点产生，没有拍到可用的信息。

对实验数据进行整理，图4(a)所示为腐蚀后的样品铝在不同加载阶段下的XPCI图像。对图4(a)中的图像运用本发明的XDIC分析方法，得到了剪应变E12分布图(图4(b))，正应变E11图(图4(c))和等效应变Eeq图(图4(d))。

为了验证本发明的XDIC分析结果的准确性，对以上结果的不确定度进行计算，选取图4(a)中的第一幅图像与沿X方向变形到伸长率为25％时的图像对比，运用类似于Bornert等人(Bornert,M.,et al.,Assessment of Digital Image CorrelationMeasurement Errors:Methodology and Results.Experimental Mechanics,2009.49(3):p.353-370.)对DIC测量误差评估的方法进行计算。得到的结果是，通过本发明中的XDIC方法得到的Green-Lagrange应变E11＝0.2804±0.0039，不确定度在1％～2％之间，而E11理论计算结果为E11＝0.2813，可见本发明中的XDIC实验技术的精确度非常高。

实施例二：

实验材料为轧制态的AZ31镁合金，制取尺寸为2.6mm×2.0mm×1.0mm的薄片状样品并抛光，接着将制备好的样品在X射线的照射下进行准静态压缩实验，并用CCD相机对整个加载过程进行记录，通过整理实验数据将试样变形前和变形过程中一些有代表性的XPCI图像展示于图5(a)中。图5(a)中t0时刻是试样变形前的图像，t1～t4是随着变形量增大不同变形阶段的图像，其中加载时试样右端固定压缩方向沿x轴正向。

从图5(a)可见镁合金样品的XPCI图像上出现了丰富而清晰的X射线斑点，这是由于镁合金内部本身存在许多第二相，第二相的存在在局部区域产生了密度变化，反映在图像上就形成了X射线斑点。

利用前面描述XDIC分析方法，通过对比追踪变形前和变形过程中不同时刻XPCI图像上的X射线斑点的位移变化，建立对应子集的匹配关系，可以得到试样变形过程中不同时刻的位移场信息，进一步计算可以得到应变场信息。本实施例中，获得了选定区域在t1～t4时刻的应变场信息，结果见图5(b)～(d)。其中，E11为正应变、E12为剪应变、Eeq为等效应变，图中相关性较差区域使用白底像素代替。如图，试样在变形过程中应变场先均匀分布后局域化，在t1时刻发生弹/塑性转变，t2，t3时刻变形相对均匀，随着变形量增加，到t4时刻出现明显的局部塑性应变累积。可见通过本发明的XDIC实验分析方法得到的实验结果与材料变形理论一致，表明本发明的XDIC技术应用于材料变形分析的可行性很高。

通过以上实施例，对本发明XDIC实验分析装置的可行性进行了论证说明，证明了本发明XDIC分析方法能够成功应用于准静态加载下材料力学行为的表征。由于实施例只是对本发明中XDIC实验装置实际应用的可行性进行论证，所以对于实施例中的实验结果图片里的内容在这里未进行详细分析。

本发明中的XDIC实验装置，将XPCI成像技术与传统的二维DIC技术相结合，并将其应用于准静态加载下的应变场定量分析。在本发明中以准静态压缩实验为例对XDIC实验装置的可行性进行了验证，但该装置不仅仅局限于此，仍可应用于其他静态或动态加载实验中。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于X射线透射成像的数字图像相关技术实验装置，其特征在于，包括X射线光源、闪烁体、反光镜、CCD相机和计算机；X射线光源产生的X射线穿过试验样品后，利用X射线相衬成像技术将试验样品的内部信息携带到闪烁体上，闪烁体将X射线转变成可见光并通过反光镜传递到CCD相机，CCD相机与计算机相连；计算机通过图像采集软件获得试验样品的相衬图像，并通过DIC分析方法对相衬图像进行处理，获得试验样品的位移场和应变场。

2.根据权利要求1所述的基于X射线透射成像的数字图像相关技术实验装置，其特征在于，所述X射线光源与试验样品之间设有快门，X射线通过快门后照射到试验样品上。

3.根据权利要求1所述的基于X射线透射成像的数字图像相关技术实验装置，其特征在于，所述DIC分析方法通过提取试验样品相衬图像序列中的前后两帧，其中一帧作为参考帧另一帧作为当前帧，将这两帧相衬图像分别等分为多个子集S，然后进行二维DIC分析，计算位移矢量U_k和Green-Lagrange应变张量E_kl，k,l＝1，2。

4.根据权利要求1或3所述的基于X射线透射成像的数字图像相关技术实验装置，其特征在于，所述DIC分析方法是根据追踪试验样品变形前后X射线相衬图像上的X射线斑点位移情况，来计算位移场和应变场。

5.根据权利要求4所述的基于X射线透射成像的数字图像相关技术实验装置，其特征在于，所述X射线斑点是由样品表面或内部自然形成或人为制造的不均匀的、细小的结构特征引起X射线穿过样品之后发生相位改变形成的。