CN109238160B - 非接触式测量大变形材料应变的方法及装置 - Google Patents

非接触式测量大变形材料应变的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明实施例涉及一种非接触式测量大变形材料应变的方法及装置，包括：在试样的标距段的两端、垂直于受力方向上粘贴金属丝；根据金属丝所占的像素的关系采集包含有标距段的图像数据；将图像数据转化为灰度矩阵，确定对应标距段的子灰度矩阵；确定子灰度矩阵的纵向每列整像素点的平均灰度值；确定平均灰度值中的最小两个值；确定最小两值在图片中的第一像素坐标和第二个像素坐标；确定第一像素坐标以及与第一像素坐标相邻坐标的灰度差值，以及差值中的最大差值；根据差值以及最大差值确定图像数据中的试样的实际位移；根据时间关系确定多张图像数据中的多组实际位移；根据多组实际位移确定大变形材料的应变值，对大变形材料应变测量精度更高更准。

Description

非接触式测量大变形材料应变的方法及装置
技术领域
本发明实施例涉及实验力学中大变形材料的应变测量领域，尤其涉及一种非接触式测量大变形材料应变的方法及装置。
背景技术
非接触式光学测量因具有环境适应性好、测量范围广等优点而被广泛运用于实验力学及其他科学研究领域。根据测量原理，又可以大体分为干涉法和非干涉法，在非干涉法中，主要包括栅线网格法和数字图像相关法。数字图像相关的方法是采用数字图像处理技术直接从数字图像中获得物体表面位移及位移梯度，在材料出现大应变时，由于试样表面散斑畸变过大，而导致进行图像灰度相关时会出现无法识别的现象。因此，在超弹性材料应变测量时，更多的是运用栅线网格技术。栅线网格法需要在试样表面印刷精密的栅线或网格，随着试样的变形，带动其上栅线发生位移，从而实现试样应变测量的目的。
然而，在传统的栅线网格法中，最小精度为单一像素点，为了实现高精度测量，对图像采集设备提出了很高的要求，存在一定的局限性。
发明内容
本发明实施例提供一种非接触式测量大变形材料应变的方法及装置，可以实现字图像相关技术无法测量大变形材料应变的问题，相比于传统的栅线网格法，测量精度更高更准。
第一方面，本发明实施例提供一种非接触式测量大变形材料应变的方法，包括：
在试样的标距段的两端、垂直于受力方向上粘贴金属丝；
根据所述金属丝所占的像素的关系采集包含有所述标距段的图像数据；
将所述图像数据转化为灰度矩阵，确定对应所述标距段的子灰度矩阵；
确定所述子灰度矩阵的纵向每列整像素点的平均灰度值；
确定所述平均灰度值中的最小两个值；
确定所述最小两值在所述图片中的第一像素坐标和第二个像素坐标；
确定所述第一像素坐标以及与所述第一像素坐标相邻坐标的灰度差值，以及所述差值中的最大差值；
根据所述差值以及所述最大差值确定所述图像数据中的试样的实际位移；
根据时间关系确定多张所述图像数据中的多组实际位移；
根据所述多组实际位移确定所述大变形材料的应变值。
在一个可能的实施方式中，所述实际位移通过以下公式确定：
其中，L为实际位移、g1为灰度差值、g2为最大灰度差值。
在一个可能的实施方式中，所述方法包括：
当所述试样进行拉伸试验时，选取所述第一像素坐标作为参照点；
当所述试样进行受压试验时，选取所述第二像素坐标作为参照点。
在一个可能的实施方式中，当所述第一像素坐标以及与所述第一像素坐标相邻坐标的灰度差值相同，或相邻坐标的灰度值大于所述第一像素坐标的灰度时，则确定所述第一像素坐标对应的参照点移入所述相邻的像素位置。
在一个可能的实施方式中，当所述金属丝的直径占所述图像数据中的3-5个像素点时，采集包含有所述标距段的图像数据。
第二方面，本发明实施例提供一种非接触式测量大变形材料应变的装置，包括：
试样模块，用于在试样的标距段的两端、垂直于受力方向上粘贴金属丝；
采集模块，用于根据所述金属丝所占的像素的关系采集包含有所述标距段的图像数据；
确定模块，用于将所述图像数据转化为灰度矩阵，确定对应所述标距段的子灰度矩阵；确定所述子灰度矩阵的纵向每列整像素点的平均灰度值；确定所述平均灰度值中的最小两个值；确定所述最小两值在所述图片中的第一像素坐标和第二个像素坐标；确定所述第一像素坐标以及与所述第一像素坐标相邻坐标的灰度差值，以及所述差值中的最大差值；根据所述差值以及所述最大差值确定所述图像数据中的试样的实际位移；根据时间关系确定多张所述图像数据中的多组实际位移；根据所述多组实际位移确定所述大变形材料的应变值。
在一个可能的实施方式中，所述实际位移通过以下公式确定：
其中，L为实际位移、g1为灰度差值、g2为最大灰度差值。
在一个可能的实施方式中，当所述试样进行拉伸试验时，选取所述第一像素坐标作为参照点；当所述试样进行受压试验时，选取所述第二像素坐标作为参照点。
在一个可能的实施方式中，当所述第一像素坐标以及与所述第一像素坐标相邻坐标的灰度差值相同，或相邻坐标的灰度值大于所述第一像素坐标的灰度时，则确定所述第一像素坐标对应的参照点移入所述相邻的像素位置。
在一个可能的实施方式中，所述采集模块，具体用于当所述金属丝的直径占所述图像数据中的3-5个像素点时，采集包含有所述标距段的图像数据。
本发明实施例提供的非接触式测量大变形材料应变的方案，通过在试样的标距段的两端、垂直于受力方向上粘贴金属丝；根据所述金属丝所占的像素的关系采集包含有所述标距段的图像数据；将所述图像数据转化为灰度矩阵，确定对应所述标距段的子灰度矩阵；确定所述子灰度矩阵的纵向每列整像素点的平均灰度值；确定所述平均灰度值中的最小两个值；确定所述最小两值在所述图片中的第一像素坐标和第二个像素坐标；确定所述第一像素坐标以及与所述第一像素坐标相邻坐标的灰度差值，以及所述差值中的最大差值；根据所述差值以及所述最大差值确定所述图像数据中的试样的实际位移；根据时间关系确定多张所述图像数据中的多组实际位移；根据所述多组实际位移确定所述大变形材料的应变值，可以实现字图像相关技术无法测量大变形材料应变的问题，相比于传统的栅线网格法，测量精度更高更准。
附图说明
图1为本发明实施例提供一种非接触式测量大变形材料应变的方法的应用场景图；
图2为本发明实施例提供一种非接触式测量大变形材料应变的方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提涉及的标距段的截取示意图；
图4为本发明实施例提供一种非接触式测量大变形材料应变的装置结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做出创造性劳动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。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本发明实施例的限定。
图2为本发明实施例提供一种非接触式测量大变形材料应变的方法的流程示意图，如图2所示，该方法具体包括：
S201、在试样的标距段的两端、垂直于受力方向上粘贴金属丝。
S202、根据所述金属丝所占的像素的关系采集包含有所述标距段的图像数据。
参照图1，示出了本发明实施例提供一种非接触式测量大变形材料应变的方法的应用场景图，本实施例的试样可以是，但不限于：哑铃状试样，选取哑铃状试样中间较窄的区域作为标距段，在试样的标距段的两端、垂直于受力方向上粘贴金属丝，该金属丝可以是，但不限于：细铜丝，除细铜丝外还可以为其它金属，如铝、铂、银等金属。金属丝所占的像素的关系可以是：当所述金属丝的直径占所述图像数据中的3-5个像素点时，采集包含有所述标距段的图像数据。
本实施例涉及的图像数据的采集装置可以是：connex系列3D打印机，试样的材料可以是：Verowhite(理想弹塑性材料，具有一定屈服点)或Tango+(粘弹性材料，具有弹性模量低、变形大等特点)。
S203、将所述图像数据转化为灰度矩阵，确定对应所述标距段的子灰度矩阵。
S204、确定所述子灰度矩阵的纵向每列整像素点的平均灰度值。
S205、确定所述平均灰度值中的最小两个值。
S206、确定所述最小两值在所述图片中的第一像素坐标和第二个像素坐标。
S207、确定所述第一像素坐标以及与所述第一像素坐标相邻坐标的灰度差值，以及所述差值中的最大差值。
将图片进行截取，得到标距段的灰度矩阵，截取的图片如下图3所示，对截取后相应灰度矩阵进行处理，处理方式为纵向每列的整像素点的灰度值进行平均，确定上述一维灰度平均值中最小的两个值，记为图3中两条标记线的位置，其中，标记线1位置的像素坐标记作C1、与C1相邻的像素的坐标记作C2，其中，C1和C2的灰度差值记作g1，C1和C2的灰度差值的最大值记作g2，
需要说明的是：当所述试样进行拉伸试验时，选取所述第一像素坐标(图3所示标记线1位置)作为参照点；当所述试样进行受压试验时，选取所述第二像素坐标(图3所示标记线2位置)作为参照点。
S208、根据所述差值以及所述最大差值确定所述图像数据中的试样的实际位移。
其中，所述实际位移通过以下公式确定：
其中，L为实际位移、g1为灰度差值、g2为最大灰度差值，K为常数。
S209、根据时间关系确定多张所述图像数据中的多组实际位移。
S210、根据所述多组实际位移确定所述大变形材料的应变值。
根据时间关系，采集多组图像数据，重复上述S203-S209，得到多组实际位移，根据该多组实际位移确定该试样的拉伸应变的线条图。
本发明实施例提供的非接触式测量大变形材料应变的方法，通过在试样的标距段的两端、垂直于受力方向上粘贴金属丝；根据所述金属丝所占的像素的关系采集包含有所述标距段的图像数据；将所述图像数据转化为灰度矩阵，确定对应所述标距段的子灰度矩阵；确定所述子灰度矩阵的纵向每列整像素点的平均灰度值；确定所述平均灰度值中的最小两个值；确定所述最小两值在所述图片中的第一像素坐标和第二个像素坐标；确定所述第一像素坐标以及与所述第一像素坐标相邻坐标的灰度差值，以及所述差值中的最大差值；根据所述差值以及所述最大差值确定所述图像数据中的试样的实际位移；根据时间关系确定多张所述图像数据中的多组实际位移；根据所述多组实际位移确定所述大变形材料的应变值，可以实现字图像相关技术无法测量大变形材料应变的问题，相比于传统的栅线网格法，测量精度更高更准。
图4为本发明实施例提供一种非接触式测量大变形材料应变的装置结构图，如图4所示，该装置具体包括：
试样模块401，用于在试样的标距段的两端、垂直于受力方向上粘贴金属丝；
采集模块402，用于根据所述金属丝所占的像素的关系采集包含有所述标距段的图像数据；
确定模块403，用于将所述图像数据转化为灰度矩阵，确定对应所述标距段的子灰度矩阵；确定所述子灰度矩阵的纵向每列整像素点的平均灰度值；确定所述平均灰度值中的最小两个值；确定所述最小两值在所述图片中的第一像素坐标和第二个像素坐标；确定所述第一像素坐标以及与所述第一像素坐标相邻坐标的灰度差值，以及所述差值中的最大差值；根据所述差值以及所述最大差值确定所述图像数据中的试样的实际位移；根据时间关系确定多张所述图像数据中的多组实际位移；根据所述多组实际位移确定所述大变形材料的应变值。
可选地，所述实际位移通过以下公式确定：
其中，L为实际位移、g1为灰度差值、g2为最大灰度差值。
可选地，当所述试样进行拉伸试验时，选取所述第一像素坐标作为参照点；当所述试样进行受压试验时，选取所述第二像素坐标作为参照点。
可选地，当所述第一像素坐标以及与所述第一像素坐标相邻坐标的灰度差值相同，或相邻坐标的灰度值大于所述第一像素坐标的灰度时，则确定所述第一像素坐标对应的参照点移入所述相邻的像素位置。
可选地，所述采集模块402，具体用于当所述金属丝的直径占所述图像数据中的3-5个像素点时，采集包含有所述标距段的图像数据。
本发明实施例提供的非接触式测量大变形材料应变的装置，通过试样模块，在试样的标距段的两端、垂直于受力方向上粘贴金属丝；采集模块根据所述金属丝所占的像素的关系采集包含有所述标距段的图像数据；确定模块将所述图像数据转化为灰度矩阵，确定对应所述标距段的子灰度矩阵；确定所述子灰度矩阵的纵向每列整像素点的平均灰度值；确定所述平均灰度值中的最小两个值；确定所述最小两值在所述图片中的第一像素坐标和第二个像素坐标；确定所述第一像素坐标以及与所述第一像素坐标相邻坐标的灰度差值，以及所述差值中的最大差值；根据所述差值以及所述最大差值确定所述图像数据中的试样的实际位移；根据时间关系确定多张所述图像数据中的多组实际位移；根据所述多组实际位移确定所述大变形材料的应变值，可以实现字图像相关技术无法测量大变形材料应变的问题，相比于传统的栅线网格法，测量精度更高更准。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非接触式测量大变形材料应变的方法，其特征在于，包括：
在试样的标距段的两端、垂直于受力方向上粘贴金属丝；
根据所述金属丝所占的像素的关系采集包含有所述标距段的图像数据；
将所述图像数据转化为灰度矩阵，确定对应所述标距段的子灰度矩阵；
确定所述子灰度矩阵的纵向每列整像素点的平均灰度值；
确定所述平均灰度值中的最小两值；
确定所述最小两值在所述图像数据中的第一像素坐标和第二像素坐标；
确定所述第一像素坐标以及与所述第一像素坐标相邻坐标的灰度差值，以及所述差值中的最大差值；
根据所述差值以及所述最大差值确定所述图像数据中的试样的实际位移；
根据时间关系确定多张所述图像数据中的多组实际位移；
根据所述多组实际位移确定所述大变形材料的应变值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实际位移通过以下公式确定：
其中，L为实际位移、g1为灰度差值、g2为最大灰度差值，K为常数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
当所述试样进行拉伸试验时，选取所述第一像素坐标作为参照点；
当所述试样进行受压试验时，选取所述第二像素坐标作为参照点。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述第一像素坐标以及与所述第一像素坐标相邻坐标的灰度差值相同，或相邻坐标的灰度值大于所述第一像素坐标的灰度时，则确定所述第一像素坐标对应的参照点移入所述相邻的像素位置。
5.根据权利要求1-4任一所述的方法，其特征在于，当所述金属丝的直径占所述图像数据中的3-5个像素点时，采集包含有所述标距段的图像数据。
6.一种非接触式测量大变形材料应变的装置，其特征在于，包括：
试样模块，用于在试样的标距段的两端、垂直于受力方向上粘贴金属丝；
采集模块，用于根据所述金属丝所占的像素的关系采集包含有所述标距段的图像数据；
确定模块，用于将所述图像数据转化为灰度矩阵，确定对应所述标距段的子灰度矩阵；确定所述子灰度矩阵的纵向每列整像素点的平均灰度值；确定所述平均灰度值中的最小两值；确定所述最小两值在所述图像数据中的第一像素坐标和第二像素坐标；确定所述第一像素坐标以及与所述第一像素坐标相邻坐标的灰度差值，以及所述差值中的最大差值；根据所述差值以及所述最大差值确定所述图像数据中的试样的实际位移；根据时间关系确定多张所述图像数据中的多组实际位移；根据所述多组实际位移确定所述大变形材料的应变值。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述实际位移通过以下公式确定：
其中，L为实际位移、g1为灰度差值、g2为最大灰度差值，K为常数。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，当所述试样进行拉伸试验时，选取所述第一像素坐标作为参照点；当所述试样进行受压试验时，选取所述第二像素坐标作为参照点。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，当所述第一像素坐标以及与所述第一像素坐标相邻坐标的灰度差值相同，或相邻坐标的灰度值大于所述第一像素坐标的灰度时，则确定所述第一像素坐标对应的参照点移入所述相邻的像素位置。
10.根据权利要求6-9任一所述的装置，其特征在于，所述采集模块，具体用于当所述金属丝的直径占所述图像数据中的3-5个像素点时，采集包含有所述标距段的图像数据。
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