CN112504523A - 一种二维无接触计算机视觉测应力场的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维无接触计算机视觉测应力场的方法，步骤一、相机标定：选用标准件，按指定摆设方式，用紫外线LED灯照射标准件，反射光经过相机的紫外照相镜头过滤掉杂光后，被相机拍摄到，然后将数据传输至计算机，再依据畸变数据对相机参数进行纠正；步骤二、实物测试：将步骤一中的标准件替换为被测物，本发明涉及应力场测试技术领域。该二维无接触计算机视觉测应力场的方法，通过以上装置对被测物进行光学检测，再由计算机分析处理，可无接触检测出被测物的应力场，整个装置简单，主要工作量由计算机程序算法处理，测量过程简单，测量范围广，且自动化测量效率高，节省人力，同时可消除其余人为因素的影响，精准度高。
Description
技术领域
本发明涉及应力场测试技术领域，具体为一种二维无接触计算机视觉测应力场的方法。
背景技术
应力场是指任意一物体或岩体中的每一点都存在着一个与该点对应的瞬时应力状态，由一系列点的瞬时应力状态组成的空间应力场，应力场中如果各点的应力状态都相同称为均匀应力场，如果不断变化称为非均匀应力场。
电测法为应力测试方法中的一种，金属电阻丝承受拉伸或压缩变形时，电阻也将发生变化。将电阻丝往复绕成特殊形状(如栅状)，就可做成电阻应变片。测量前，将电阻应变片用特殊的胶合剂黏贴在欲测应变的部位，当壳体受到载荷作用发生变形时，电阻应变片中的电阻丝随之一起变形，导致电阻丝长度及截面积的改变，从而引起其电阻值的变化。可见，电阻的变化与应变有一定的对应关系。通过电阻应变仪，就可测得相应的变化。利用胡克定律或其他理论公式，就可求得应力值。电测时，应尽量消除产生各种测量误差的因素。例如，应变片位置的偏差，应变片与壳壁接触的紧密程度，应变片与导线的焊接质量，环境、温度的变化等。电测法是最普遍和传统的方式，目前随着仪器和方法的优化，其在精度和动态测量方面的优势是其他方案无法比拟的，但其也存在缺点，比如需要粘贴所带来的一些问题。
光测力学是应用光学的基本原理，结合力学的理论，通过数学的推演，以实验为手段，来测量物体中的应力、应变和位移等力学量，去研究和验证物体的变形机理和固有的力学行为的学科。光测法也是一种传统应力测量方案，原理是使用特殊材料在发生变形导致自身光学性质变化进行应力测量，其优点是可直接观察到应力集中，获取全局的应力场，缺点也比较明显：需要做额外的工作来制作对应的模型。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种二维无接触计算机视觉测应力场的方法，解决了电测法存在如需要粘贴所带来的一些问题，光测法需要做额外的工作来制作对应的模型的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种二维无接触计算机视觉测应力场的方法，具体包括以下步骤：
步骤一、相机标定：选用标准件，按指定摆设方式，用紫外线LED灯照射标准件，反射光经过相机的紫外照相镜头过滤掉杂光后，被相机拍摄到，然后将数据传输至计算机，再依据畸变数据对相机参数进行纠正；
步骤二、实物测试：将步骤一中的标准件替换为被测物，然后重复操作拍摄紫外线光束，由计算机系统进行处理；
步骤三、散点匹配：
1)先对整像素划分区域：
以坐标(x,y)为中心的参考子区x个像素点大小；
以坐标(x’,y’)为中心的目标子区x个像素点大小；
判断两子区相关性的相关函数：
2)再对散点搜索：
整像素定位：隔点搜索--->整像素位移；隔2个像素，在相关值最大处，以4×4的区域中再次搜索；
亚像素测量：二次曲面拟合--->亚像素位移
在3×3的区域中：
C(xi,yi)＝a0+a1xi+a2yj+a3xi 2+a4xiyj+a5yj 2
使用最小二乘法计算系数a0，a1，a2，a3，a4，a5。；
对X与Y求导：
步骤四、位移和应力计算：依据散点搜索结果对位移和应力进行计算：
广义位移函数：
带入一个三角形上的3个点(xi,yi)，(xj,yj)，(xm,ym)，计算a1-a6。
将其整理为插值函数的表示方式：
进一步整理：
这样有：
其中：
αi＝xjym-yjxm,αj＝xmyi-ymxi,αm＝xiyj-yixj,
βi＝yj-ym,βj＝ym-yi,βm＝yi-yj,
γi＝xm-xj,γj＝xi-x,γm＝xj-xi
在此基础上，对位移函数求导计算应变：
进一步应力为：
其中：
由此画出应力场。
优选的，所述被测物平面与紫外照相镜头平行。
优选的，所述被被测物表面应近似平面且变形主要在面内。
优选的，在紫外摄影下被测物表面天然散斑有大片连续暗色时，用荧光粉喷涂。
优选的，所述测试过程中采用黑色幕布作为背景。
优选的，所述步骤一和步骤二中，在无紫外照相镜头的情况下，用紫外滤光镜替代紫外照相镜头。
优选的，所述步骤一和步骤二中，紫外线LED灯紫外线摄影的光谱保持在380nm以下。
优选的，所述步骤一和步骤二进行时，紫外照相镜头的位置固定保持不变，被测物和标准件用定点夹具固定在同一个位置。
本发明还公开了一种二维无接触计算机视觉测应力场测试系统，包括被测物、紫外线LED灯、紫外照相镜头、相机、计算机，所述紫外线LED灯固定设置在被测物右上角，照射方向朝向被测物，相机固定设置于被测物右侧，紫外照相镜头安装于相机拍摄端，相机的输出端通过数据线与计算机的输入端电性连接。
有益效果
本发明提供了一种二维无接触计算机视觉测应力场的方法。与现有技术相比具备以下有益效果：
(1)、该二维无接触计算机视觉测应力场的方法，通过在步骤一、相机标定：选用标准件，按指定摆设方式，用紫外线LED灯照射标准件，反射光经过相机的紫外照相镜头过滤掉杂光后，被相机拍摄到，然后将数据传输至计算机，再依据畸变数据对相机参数进行纠正；步骤二、实物测试：将步骤一中的标准件替换为被测物，然后重复操作拍摄紫外线光束，由计算机系统进行处理，通过以上装置对被测物进行光学检测，再由计算机分析处理，可无接触检测出被测物的应力场，整个装置简单，主要工作量由计算机程序算法处理，测量过程简单，测量范围广，且自动化测量效率高，节省人力，同时可消除其余人为因素的影响，精准度高。
(2)、该二维无接触计算机视觉测应力场的方法，通过在步骤一、相机标定：选用标准件，按指定摆设方式，用紫外线LED灯照射标准件，反射光经过相机的紫外照相镜头过滤掉杂光后，被相机拍摄到，然后将数据传输至计算机，再依据畸变数据对相机参数进行纠正；在正式检测前，通过标准件进行预检测，再对相机进行标定，可消除相机自身参数的影响，可保证测试的准确性。
附图说明
图1为本发明测试装置的示意图；
图2为本发明测量流程的示意图；
图3为本发明3×3区域的示意图。
图中：1-被测物、2-紫外线LED灯、3-紫外照相镜头、4-相机、5-计算机。
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。
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种二维无接触计算机视觉测应力场的方法，具体包括以下步骤：
步骤一、相机标定：选用标准件，按指定摆设方式，用紫外线LED灯2照射标准件，反射光经过相机4的紫外照相镜头3过滤掉杂光后，被相机4拍摄到，然后将数据传输至计算机5，再依据畸变数据对相机4参数进行纠正。在正式检测前，通过标准件进行预检测，再对相机4进行标定，可消除相机4自身参数的影响，可保证测试的准确性。
步骤二、实物测试：将步骤一中的标准件替换为被测物1，然后重复操作拍摄紫外线光束，由计算机5系统进行处理。通过以上装置对被测物1进行光学检测，再由计算机5分析处理，可无接触检测出被测物1的应力场，整个装置简单，主要工作量由计算机5程序算法处理，测量过程简单，测量范围广，且自动化测量效率高，节省人力，同时可消除其余人为因素的影响，精准度高。
步骤三、散点匹配：
1先对整像素划分区域：
以坐标(x,y)为中心的参考子区2N+1x2N+1个像素点大小；
以坐标(x’,y’)为中心的目标子区2N+1x2N+1个像素点大小；
判断两子区相关性的相关函数：
2再对散点搜索：
整像素定位：隔点搜索--->整像素位移U,V；隔2个像素，在相关值最大处，以4×4的区域中再次搜索；
亚像素测量：二次曲面拟合--->亚像素位移dU,dV
在3×3的区域中：
C(xi,yi)＝a0+a1xi+a2yj+a3xi 2+a4xiyj+a5yj 2
使用最小二乘法计算系数a0，a1，a2，a3，a4，a5。；
对X与Y求导：
步骤四、位移和应力计算：依据散点搜索结果对位移和应力进行计算：
广义位移函数：
带入一个三角形上的3个点(xi,yi)，(xj,yj)，(xm,ym)，计算a1-a6。
将其整理为插值函数的表示方式：
进一步整理：
这样有：
其中：
αi＝xjym-yjxm,αj＝xmyi-ymxi,αm＝xiyj-yixj,
βi＝yj-ym,βj＝ym-yi,βm＝yi-yj,
γi＝xm-xj,γj＝xi-x,γm＝xj-xi
在此基础上，对位移函数求导计算应变：
进一步应力为：
其中：
由此画出应力场。
进一步的，被测物1平面与紫外照相镜头3平行；被测物1表面应近似平面且变形主要在面内；在紫外摄影下被测物1表面天然散斑有大片连续暗色时，用荧光粉喷涂；测试过程中采用黑色幕布作为背景；步骤一和步骤二中，在无紫外照相镜头3的情况下，用紫外滤光镜替代紫外照相镜头3；步骤一和步骤二中，紫外线LED灯2紫外线摄影的光谱保持在380nm以下，步骤一和步骤二进行时，紫外照相镜头3的位置固定保持不变，被测物1和标准件用定点夹具固定在同一个位置。
本发明还公开了一种二维无接触计算机视觉测应力场测试系统，包括被测物1、紫外线LED灯2、紫外照相镜头3、相机4、计算机5，所述紫外线LED灯2固定设置在被测物1右上角，照射方向朝向被测物1，相机4固定设置于被测物1右侧，紫外照相镜头3安装于相机4拍摄端，或用夹具在相机4前固定一片紫外滤光片，相机4的输出端通过数据线与计算机5的输入端电性连接。
综上所述，该应力场测试系统，可无接触检测出被测物1的应力场，整个装置简单，主要工作量由计算机5程序算法处理，测量过程简单，测量范围广，且自动化测量效率高，节省人力，同时可消除其余人为因素和设备自身误差的影响，精准度高。
同时本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域技术人员公知的现有技术，且各电器的型号参数不作具体限定，使用常规设备即可。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种二维无接触计算机视觉测应力场的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一、相机标定：选用标准件，按指定摆设方式，用紫外线LED灯(2)照射标准件，反射光经过相机(4)的紫外照相镜头(3)过滤掉杂光后，被相机(4)拍摄到，然后将数据传输至计算机(5)，再依据畸变数据对相机(4)参数进行纠正；
步骤二、实物测试：将步骤一中的标准件替换为被测物(1)，然后重复操作拍摄紫外线光束，由计算机(5)系统进行处理；
步骤三、散点匹配：
1)先对整像素划分区域：
以坐标(x,y)为中心的参考子区(2N+1)x(2N+1)个像素点大小；
以坐标(x’,y’)为中心的目标子区(2N+1)x(2N+1)个像素点大小；
判断两子区相关性的相关函数：
2)再对散点搜索：
整像素定位：隔点搜索--->整像素位移(U,V)；隔2个像素，在相关值最大处，以4×4的区域中再次搜索；
亚像素测量：二次曲面拟合--->亚像素位移(dU,dV)
在3×3的区域中：
C(xi,yi)＝a0+a1xi+a2yj+a3xi 2+a4xiyj+a5yj 2
使用最小二乘法计算系数a0，a1，a2，a3，a4，a5。；
对X与Y求导：
步骤四、位移和应力计算：依据散点搜索结果对位移和应力进行计算：
广义位移函数：
带入一个三角形上的3个点(xi,yi)，(xj,yj)，(xm,ym)，计算a1-a6。
将其整理为插值函数的表示方式：
进一步整理：
这样有：
其中：
αi＝xjym-yjxm,αj＝xmyi-ymxi,αm＝xiyj-yixj,
βi＝yj-ym,βj＝ym-yi,βm＝yi-yj,
γi＝xm-xj,γj＝xi-x,γm＝xj-xi
在此基础上，对位移函数求导计算应变：
进一步应力为：
其中：
由此画出应力场。
2.根据权利要求1所述的一种二维无接触计算机视觉测应力场的方法，其特征在于：所述被测物(1)平面与紫外照相镜头(3)平行。
3.根据权利要求1所述的一种二维无接触计算机视觉测应力场的方法，其特征在于：所述被测物(1)表面应近似平面且变形主要在面内。
4.根据权利要求1所述的一种二维无接触计算机视觉测应力场的方法，其特征在于：在紫外摄影下被测物(1)表面天然散斑有大片连续暗色时，用荧光粉喷涂。
5.根据权利要求1所述的一种二维无接触计算机视觉测应力场的方法，其特征在于：所述测试过程中采用黑色幕布作为背景。
6.根据权利要求1所述的一种二维无接触计算机视觉测应力场的方法，其特征在于：所述步骤一和步骤二中，在无紫外照相镜头(3)的情况下，用紫外滤光镜替代紫外照相镜头(3)。
7.根据权利要求1所述的一种二维无接触计算机视觉测应力场的方法，其特征在于：所述步骤一和步骤二中，紫外线LED灯(2)紫外线摄影的光谱保持在380nm以下。
8.根据权利要求1所述的一种二维无接触计算机视觉测应力场的方法，其特征在于：所述步骤一和步骤二进行时，紫外照相镜头(3)的位置固定保持不变，被测物(1)和标准件用定点夹具固定在同一个位置。
9.一种根据权利要求1-8所述的二维无接触计算机视觉测应力场测试方法的测试系统，其特征在于：包括被测物(1)、紫外线LED灯(2)、紫外照相镜头(3)、相机(4)、计算机(5)，所述紫外线LED灯(2)固定设置在被测物(1)右上角，照射方向朝向被测物(1)，相机(4)固定设置于被测物(1)右侧，紫外照相镜头(3)安装于相机(4)拍摄端，相机(4)的输出端通过数据线与计算机(5)的输入端电性连接。
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