CN110207606A - 基于数字图像关联性的面外应变测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合材料应力应变测量技术领域，提供了基于数字图像关联性的面外应变测量方法。该方法首先根据实验方案开展试验，而且为保证镜头与试件之间的距离保持不变，需将相机和力传感器关联，让它们同时运动，对试件缓慢加载，同时按下相机快门，试验过程中相机快门一直未松开，直至加载结束。试验结束后，获得变形前后的图像与试验数据，编写算法进行计算搜索变形后的点的位置，从而获得试件的变形信息（位移和应变），通过划分区域进行双线性插值得到试件任意一点的应变值，最后根据应变值的正负和大小设置颜色的深浅便得到了试件的应变云图。该方法操作方便，而且可以适用于较复杂结构的变形测量中，提高了计算效率也扩大了适用范围。

Description

基于数字图像关联性的面外应变测量方法

技术领域

本发明属于复合材料应力应变测量技术领域，涉及一种基于数字图像关联性（DIC）的面外应变测量方法。

背景技术

应变的测量一直是结构工程发展的核心。随着世界各地的结构达到其预期使用寿命的终点，需要更强大的测量技术，并且结合数值模型来确定这些结构是否仍然适用。传统的变形测量方法主要包括使用引伸计、位移计、应变仪等，对于以上工具，只能将其布置在待测件关键位置进行点测量，而且布线复杂，仅能够提供有限数量的离散点的测量，这通常不足以评估复杂结构，所以说存在一定的局限性。数字图像处理的方法可以很大程度的改善这些弊端，数字图像处理是通过对待测件进行人工散斑的制作，然后对变形前后的图片进行计算得到全场位移和变形信息。目前进行的多项研究都是有关金属材料拉伸试验件的数字图像处理方法，这是因为拉伸试验件在变形过程中，试验件与相机的距离始终不变，而试验件除了会发生拉伸变形之外还会存在压缩变形，所以需要开发一定的测量系统解决压缩试验件的变形。

本发明针对传统测量工具以及拉伸试验件的数字图像处理方法所存在的问题，先对复合材料压缩试验件表面进行人工散斑的制作，尽量保证散斑随机分布，然后搭建试验台进行压缩试验件变形图片的采集，同时利用激光传感器和力传感器记录某一特征点的力和位移信息，在试验件的某几个点粘贴应变片并连接应变仪进行试验测量应变以验证数字图像处理测量压缩试验件变形的可行性并计算误差，得到试验件变形前后的图片以后，通过对图片进行预处理进而导入VS中的MFC处理界面进行变形的计算，最终输出应变云图，如果想要得到应力云图，则需带入复合材料构件的层合板的刚度矩阵进行求解。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提出一种测基于数字图像关联性的面外应变测量方法。

本发明的技术方案：

一种基于数字图像关联性的面外应变测量方法，步骤如下：

第一步：进行复合材料压缩试验件的变形试验以获取试验数据以及样件变形前后的图片

（1）制作压缩试验件的人工散斑：为保证后续处理结果的准确性，在制作散斑时需尽量保证散斑分布的随机性，由于使用的复合材料压缩试验件为碳纤维复合材料，在制作散斑时喷涂的是白色的漆，并标记好需要施加载荷的承力点的位置；在复合材料压缩试验件表面选择几处位置粘贴应变片以记录在加载过程中试验件发生的应变；

（2）实验设备的搭建：将试验件通过铝片和螺钉固定在试验台上，将制作人工散斑的表面朝上，用磁力吸座夹持激光传感器，先确定激光传感器能测量的范围，调整磁力吸座的高度，并将光源对准事先标记好的施加载荷的承力点，将磁力吸座通过脚架固定在铝型材上，将力传感器的导轨先固定在试验台上，移动导轨使力传感器的加载头对准试验件上标记好的承力点，最后将相机固定在三脚架上，调整云台使相机镜头对准试验件的散斑部分，并调整好焦距，准备开始试验，考虑到试验件在压缩过程中，试验件与相机镜头的距离随着压缩距离的增大而增大，因此，将相机与力传感器的加载头夹持装置关联使它们同步移动，保证在测量过程中不会因为实验装置本身的误差造成实验结果的不准确；在调整相机的过程中需保证相机能拍摄到的图片体现力传感器以及位移传感器的读数；

（3）开始进行试验：对试验件进行缓慢加载，相机在试验开始时同时按下快门键，一直连拍直至加载结束；试验完成后对拍摄的试验件压缩变形前后的图片进行处理，记录下来拍摄的每张图片对应的力传感器的读数和位移传感器的读数，之后对图片进行裁剪以保证图片的质量，将每张图片都裁剪成相同的像素大小，并根据拍摄的前后顺序进行编号，以便后续的计算和处理；

第二步：编写相关算法以搜索变形前后的点，从而计算试验件全场的位移和应变，进而输出应变云图；

将变形前后的图片导入算法执行界面，实现点击鼠标左键能读出鼠标点击处的灰度值以及相对于屏幕的绝对坐标，然后点击鼠标右键，开始搜索鼠标左键点击点变形后的点的位置，搜索的依据是变形前后子区灰度值不变，具体如下：

（1）获取鼠标左键点击处的绝对坐标值（x1，y1）和灰度值Grey，并显示在执行界面的编辑框中，然后计算该点相邻的上下左右四个点的灰度平均值作为变形前图像子区的灰度平均值Grey1；具体公式如下：

（1）

其中，Grey11是鼠标左键点击点的上侧相邻点，Grey12是鼠标左键点击点的下侧相邻点，Grey13是鼠标左键点击点的左侧相邻点，Grey14是鼠标左键点击点的右侧相邻点；

（2）以变形后的图像中鼠标左键点击点对应的坐标点（x_2，y_2），为遍历范围（20*20）的中心，x_2为变形后的图片中坐标与变形前图片鼠标点击点相同的参考点的横坐标，y_2为变形后的图片中坐标与变形前图片鼠标点击点相同的参考点的纵坐标；在x_2-10~ x_2+10以及y_2-10~ y_2+10这些点的子区进行子区灰度平均值Grey2的计算，遍历找到Grey1和Grey2差值最小的子区中心点作为变形后的点（x2，y2），将X=x2-x1，Y=y2-y1作为变形的位移显示在执行界面的编辑框中；

（3）将试验件分为六个区域，计算组成这六个区域的十二个边界点（边界点总共分为四行三列，四个为一组，组成一个区域，组成的六个区域有三行两列）的应变，具体计算公式如下：

（2）

其中是试件的变形量，L是试件的总长度，є是指该点的应变；

（4）针对每一区域组成该区域的四个边界点对区域内的任意一点进行双线性插值，从而得到区域内任意一点的应变，双线性插值的具体计算方法如下：

①先在X方向进行线性插值，具体计算如下：

（3）

其中为区域左下方边界点的横坐标，为区域右下方边界点的横坐标，、、、分别代表坐标、、、这几个边界点的应变值，为区域内任意一点的横坐标；

②再在Y方向进行线性插值，得到：

（4）

整理得到最终的结果：

（5）

得到区域内任意一点的应变值；

第三步：将正应变设置为红色，负应变设置为蓝色，零应变设置为绿色，而且根据应变值的大小设置颜色的深浅，通过数字图像处理得到变形前后的应变云图。

如果想要得到复合材料的应力分布，则可以带入复合材料层合板的刚度矩阵进行求解得出应力的分布。

本发明的有益技术效果：

1.针对试验件应变的测量，传统的测量方法就是将引伸计、位移计、应变仪等贴在被测试验件的表面，而且布线比较困难，这就不适应于某些表面比较复杂结构的测量，另一方面，上述方法只能读取接触点的应变值，而读数都是一些离散点的应变值，我们在利用这些数据对结构进行评估时，会没有代表性，所以现有的方法是存在一定的局限性的。本发明通过利用相机以及计算机，对变形前后的图片进行处理，通过一定的搜索方法找到变形前后的点的位置，从而得到试件表面内任意一点的变形信息。而且现有的数字图像处理都是针对拉伸试验件而言的，因为拉伸试验件能够保证试件在变形过程中样件与相机镜头之间的距离保持不变，而对于压缩试验件却没有进行过尝试。所以提出了对于压缩试验件的数字图像处理测量方法来补充完善数字图像处理可以应用的领域。

2. 在测量的过程中不需要连接太多试验仪器，也不需要接太多线，大大提高了测量的效率，而且可以应用于结构较复杂的测量中。

3.结合计算机视觉对变形点进行搜索与计算，大大提高了计算范围，也降低了测量成本。

附图说明

图1是复合材料压缩试验件的测量与计算过程的流程图。

图2是压缩试验件在算法执行界面进行搜索变形点变形之前的示意图。

图3是按照变形前后图像子区灰度平均值差值最小得到的变形后的点示意图。

图4是划分的六个区域。

图5是对划分的各个子区域进行双线性插值求任意一点的应变值的插值示意图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

（1）制作压缩试验件的人工散斑，喷涂白漆时应尽量保证散斑均匀分布。在试验件表面选择几处位置粘贴应变片以记录在加载过程中试件发生的应变。

（2）在试验件上标记好试验过程中承力点的位置，将试验件带有散斑的表面朝上装夹在试验台上，安装好力传感器以及激光传感器，调整力传感器加载头的位置使其与标记点重合，调整激光传感器使光源对准标记点，调整相机镜头使其垂直对准试验件的散斑部位，并将焦距调整至最佳以保证图片质量，由于压缩试验件在变形过程中不能保证样件与镜头的距离保持不变，所以需要使镜头与样件关联，样件下降多少位移，镜头就下降多少位移，清理试验周围环境，准备开始试验，试验开始时，手动缓慢加载并同时按下快门，使相机处于连拍模式，直至加载结束松开快门。

（3）对变形前后的图片进行预处理，并将各变形图片裁剪为像素相同的图片以便导入算法程序执行界面，打开该计算界面导入变形图片，点击鼠标左键，程序开始执行，获得点击点的坐标值和灰度值，然后点击鼠标右键，此时程序开始在（20*20）的遍历范围内进行遍历，遍历的依据是根据变形前后图像子区的灰度平均值差值最小来确定变形后的点，进而根据变形信息得出样件的位移以及应变。

（4）将试件分为六个区域，计算试件每个区域的边界点应变，在每个区域中进行双线性插值以得到区域内任意一点的应变，这样就可以得到整个试件各个点的应变。

（5）将正应变设置为红色，负应变设置为蓝色，零应变设置为绿色，颜色的深浅随着应变的大小变化而变化。这样就得到了试件在变形过程中的应变云图。

Claims (1)

1.一种基于数字图像关联性的面外应变测量方法，其特征在于，步骤如下：

第一步：进行复合材料压缩试验件的变形试验以获取试验数据以及样件变形前后的图片；

制作压缩试验件的人工散斑：在制作散斑时尽量保证散斑分布的随机性，由于使用的复合材料压缩试验件为碳纤维复合材料，在制作散斑时喷涂的是白色的漆，并标记好需要施加载荷的承力点的位置；在复合材料压缩试验件表面选择几处位置粘贴应变片以记录在加载过程中试验件发生的应变；

实验设备的搭建：将试验件通过铝片和螺钉固定在试验台上，将制作人工散斑的表面朝上，用磁力吸座夹持激光传感器，先确定激光传感器能测量的范围，调整磁力吸座的高度，并将光源对准事先标记好的施加载荷的承力点，将磁力吸座通过脚架固定在铝型材上，将力传感器的导轨先固定在试验台上，移动导轨使力传感器的加载头对准试验件上标记好的承力点，最后将相机固定在三脚架上，调整云台使相机镜头对准试验件的散斑部分，并调整好焦距，准备开始试验，考虑到试验件在压缩过程中，试验件与相机镜头的距离随着压缩距离的增大而增大，因此，将相机与力传感器的加载头夹持装置关联使它们同步移动，保证在测量过程中不会因为实验装置本身的误差造成实验结果的不准确；在调整相机的过程中需保证相机能拍摄到的图片体现力传感器以及位移传感器的读数；

开始进行试验：对试验件进行缓慢加载，相机在试验开始时同时按下快门键，一直连拍直至加载结束；试验完成后对拍摄的试验件压缩变形前后的图片进行处理，记录下来拍摄的每张图片对应的力传感器的读数和位移传感器的读数，之后对图片进行裁剪以保证图片的质量，将每张图片都裁剪成相同的像素大小，并根据拍摄的前后顺序进行编号，以便后续的计算和处理；

第二步：编写相关算法以搜索变形前后的点，从而计算试验件全场的位移和应变，进而输出应变云图；

将变形前后的图片导入算法执行界面，实现点击鼠标左键能读出鼠标点击处的灰度值以及相对于屏幕的绝对坐标，然后点击鼠标右键，开始搜索鼠标左键点击点变形后的点的位置，搜索的依据是变形前后子区灰度值不变，具体如下：

获取鼠标左键点击处的绝对坐标值（x1，y1）和灰度值Grey，并显示在执行界面的编辑框中，然后计算该点相邻的上下左右四个点的灰度平均值作为变形前图像子区的灰度平均值Grey1；具体公式如下：

（1）

其中，Grey11是鼠标左键点击点的上侧相邻点，Grey12是鼠标左键点击点的下侧相邻点，Grey13是鼠标左键点击点的左侧相邻点，Grey14是鼠标左键点击点的右侧相邻点；

以变形后的图像中鼠标左键点击点对应的坐标点（x_2，y_2），为遍历范围（20*20）的中心，x_2为变形后的图片中坐标与变形前图片鼠标点击点相同的参考点的横坐标，y_2为变形后的图片中坐标与变形前图片鼠标点击点相同的参考点的纵坐标；在x_2-10~ x_2+10以及y_2-10~ y_2+10这些点的子区进行子区灰度平均值Grey2的计算，遍历找到Grey1和Grey2差值最小的子区中心点作为变形后的点（x2，y2），将X=x2-x1，Y=y2-y1作为变形的位移显示在执行界面的编辑框中；

将试验件分为六个区域，计算组成这六个区域的十二个边界点（边界点总共分为四行三列，四个为一组，组成一个区域，组成的六个区域有三行两列）的应变，具体计算公式如下：

（2）

其中是试件的变形量，L是试件的总长度，є是指该点的应变；

针对每一区域组成该区域的四个边界点对区域内的任意一点进行双线性插值，从而得到区域内任意一点的应变，双线性插值的具体计算方法如下：

①先在X方向进行线性插值，具体计算如下：

（3）

其中为区域左下方边界点的横坐标，为区域右下方边界点的横坐标，、、、分别代表坐标、、、这几个边界点的应变值，为区域内任意一点的横坐标；

②再在Y方向进行线性插值，得到：

（4）

整理得到最终的结果：

（5）

得到区域内任意一点的应变值；

第三步：将正应变设置为红色，负应变设置为蓝色，零应变设置为绿色，而且根据应变值的大小设置颜色的深浅，通过数字图像处理得到变形前后的应变云图。