CN112985303B - 一种多相机拍摄的疲劳裂纹三维测量系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多相机拍摄的疲劳裂纹三维测量系统和方法，所述系统包括移动式测量支架、高亮度LED照明带、照明带环形支架、若干台高清相机、相机环形支架、相机镜头扭曲矫正板、空间相机标定物以及数据处理系统。本发明具有组装灵活、操作简便、适应复杂使用环境等优点，能够以低成本、高精度、多尺度、智能测量物体的疲劳裂纹和疲劳寿命。

Description

一种多相机拍摄的疲劳裂纹三维测量系统和方法
技术领域
本发明属于非接触式测量领域，特别涉及了一种疲劳裂纹检测系统和方法。
背景技术
在工程结构领域，通常大部分桥梁、轨道以及厂房等在其寿命周期内承受长期循环荷载(包括地震荷载、车致振动和风致振动等)，结构材料会因这些百万次动态循环荷载而受到损伤，进而导致金属毫无征兆地开裂破坏，即为疲劳破坏。由于属于脆性破坏，疲劳破坏会对结构安全和耐久性构成极大的威胁。然而这种灾害在工程领域中不可避免，必须对其加以重视，以便掌握疲劳诱发因素、破坏机理和预防措施。其中对疲劳破坏机理的掌握重点在于如何快速有效识别并测量疲劳裂纹，现有的疲劳裂纹检测技术包括渗透检测、磁粉检测等直接检测技术以及超声检测、红外检测、涡流检测等间接无损检测技术。然而，这些技术目前在国内研究和工程应用领域存在以下不足：
第一、渗透检测、磁粉检测等直接检测技术虽能识别疲劳裂纹，却无法快速可靠测量裂纹发展大小，进而无法预测疲劳寿命；超声检测、红外检测等间接无损检测技术设备部署复杂繁琐，无法实现检测系统的自动化、智能化。
第二、现有的检测手段大部分应用于机械领域，对土木工程领域的大型结构疲劳测量需要耗费大量人力物力，尤其是对大跨桥梁以及高层建筑的疲劳裂纹，无法实现简单快速、廉价可靠的检测。
第三、目前对疲劳裂纹的识别测量仅停留在二维平面，对于复杂结构或者管柱系构件(如螺栓、吊杆等)的三维疲劳裂纹无法精确测量。
数字图像相关技术已应用于工程领域的应变场位移场检测中，然而目前国内外相关商用产品仅采用单个或两个机位拍摄物体，无法有效捕捉空间尺度下的疲劳裂纹，同时现有产品并未真正实现关于疲劳裂纹的测量和疲劳寿命的预测等系统的功能。此外，昂贵的商业设备以及复杂专业的操作流程进一步限制了相关测量系统的普及，难以实现工程结构领域的全面推广。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种多相机拍摄的疲劳裂纹三维测量系统和方法。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种多相机拍摄的疲劳裂纹三维测量系统，包括移动式测量支架、高亮度LED照明带、照明带环形支架、若干台高清相机、相机环形支架、相机镜头扭曲矫正板、空间相机标定物以及数据处理系统；所述照明带环形支架和相机环形支架分别固定在所述移动式测量支架上，所述高亮度LED照明带设置在所述照明带环形支架上，所述若干台高清相机均匀分别在所述相机环形支架上，各高清相机通过数据线与所述数据处理系统连接，所述相机镜头扭曲矫正板正对高清相机的视角并通过面内面外旋转的方式被高清相机拍摄，所述空间相机标定物位于所有高清相机的视角范围内，对测量系统进行初始化标定。
进一步地，所述移动式测量支架包括能够折叠收放的三脚架以及与该三脚架连接的能够调节高度的高强度铝合金管。
进一步地，所述照明带环形支架通过螺栓抱箍与移动式测量支架的高强度铝合金管连接，所述照明带环形支架能够覆盖120°的照明范围。
进一步地，所述相机环形支架通过螺栓抱箍与移动式测量支架的高强度铝合金管连接，所述相机环形支架能够覆盖120°的拍摄范围。
进一步地，所述相机镜头扭曲矫正板为具有白色背景、黑色圆点的平板，所述黑色圆点的直径由2mm到6mm渐变，且10mm等间距排列。
进一步地，所述空间相机标定物为具有白色背景、黑色方片的圆柱体，所述黑色方片的边长相同，且等间距排列。
进一步地，所述数据处理系统配置有基于数字图像相关的疲劳裂纹自动识别算法和疲劳寿命预测算法。
基于上述多相机拍摄的疲劳裂纹三维测量系统的测量方法，包括以下步骤：
(1)调整移动式测量支架和高清相机的角度，开启高亮度LED照明带；
(2)将相机镜头扭曲矫正板正对高清相机，每次调整矫正板的角度，高清相机拍摄保存一组对应的照片，并将照片通过数据线传送给数据处理系统，数据处理系统根据照片对高清相机的镜头进行自动矫正；
(3)将空间相机标定物放置在高清相机视角范围内，每两个高清相机至少有50％的共同视角覆盖，该覆盖百分比通过拍摄空间相机标定物上黑色方片的列序号确定；
(4)将被测物体表面使用酒精擦洗干净，先均匀喷涂白漆，然后点喷黑漆制作散斑图；
(5)启动测量系统，对被测物体持续进行检测，数据处理系统自动识别产生的疲劳裂纹并记录特征信息，所述特征信息包括疲劳裂纹周围应变峰值、谷值和疲劳裂纹深度；
(6)数据处理系统根据预加载信息和记录的特征信息通过疲劳寿命预测算法计算被测物体的剩余疲劳寿命，并根据实时记录的特征信息更新预测结果。
进一步地，所述疲劳寿命预测算法的公式如下：
Figure BDA0002957521010000031
上式中，a是裂纹尺寸，N是疲劳荷载循环次数，R是应力比，C0是应力比为零时的断裂参数，f表示Newman模型裂纹闭合参数，ΔK是应力强度因子幅，ΔKth是当前应力比下的应力强度因子幅阈值，Kmax是在应力强度因子幅ΔK中的最大应力强度因子，Kc代表关键应力强度因子，n、p和q为断裂系数。
进一步地，所述被测物体为试验室中正在疲劳加载的测试试件或者为工程现场正承受动荷载的构件。
采用上述技术方案带来的有益效果：
首先，本发明系统中软硬件构成简单、成本可控，根据使用环境要求可灵活配备不同分辨率的高清相机以及不同色调的LED照明带，能够实现从教学演示到工程检测多层级高精度应用，突破了国外公司的商业壁垒；其次，本发明将裂纹识别、测量以及疲劳寿命预测进行了深度融合，实现了疲劳检测的智能化、自动化，避免了现有技术仅限用于结构的应变场位移场测量的问题；最后，由于采用了多相机拍摄，能够实现对复杂结构或者管柱体系构件(如螺栓、吊杆)的三维疲劳裂纹检测，解决了现有测量系统无法在空间坐标系下有效拼接处理多角度图像的问题。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明中相机镜头扭曲矫正板使用示意图；
图3为本发明中空间相机标定物使用示意图；
图4为本发明中疲劳寿命预测的流程图；
标号说明：1、移动式测量支架；2、高亮度LED照明带；3、高清相机；4、照明带环形支架；5、相机环形支架；6、相机镜头扭曲矫正板；7、空间相机标定物；8、数据处理系统；9、数据线。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明设计了一种多相机拍摄的疲劳裂纹三维测量系统，如图1所示，包括移动式测量支架1、高亮度LED照明带2、照明带环形支架4、若干台高清相机3、相机环形支架5、相机镜头扭曲矫正板6、空间相机标定物7以及数据处理系统8。所述照明带环形支架和相机环形支架分别固定在所述移动式测量支架上，所述高亮度LED照明带设置在所述照明带环形支架上，所述若干台高清相机均匀分别在所述相机环形支架上，各高清相机通过数据线9与所述数据处理系统连接，所述相机镜头扭曲矫正板正对高清相机的视角并通过面内面外旋转的方式被高清相机拍摄，所述空间相机标定物位于所有高清相机的视角范围内，对测量系统进行初始化标定。高亮度LED照明带可根据使用环境更换色调，具有节能、高效、抗环境光干扰的特点。多台高清相机保证了被拍摄物体不受单个相机平面拍摄位置限制，避免了传统方法无法准确跟踪测量疲劳裂纹在空间范围发展大小和方向等问题。
在本实施例中，优选地，所述移动式测量支架包括能够折叠收放的三脚架以及与该三脚架连接的能够调节高度的高强度铝合金管。
在本实施例中，优选地，所述照明带环形支架通过螺栓抱箍与移动式测量支架的高强度铝合金管连接，所述照明带环形支架能够覆盖120°的照明范围。所述相机环形支架通过螺栓抱箍与移动式测量支架的高强度铝合金管连接，所述相机环形支架能够覆盖120°的拍摄范围。通过组装3架测量系统，可对被测物体进行360°全角度疲劳裂纹测量。
在本实施例中，优选地，高清相机技术规格和数量可根据使用环境搭配，分辨率范围可选定为1μm/像素～1000μm/像素，高清相机拍摄的视频和图片可存储在内置储存卡或通过数据线传输到数据处理系统中。
在本实施例中，优选地，相机镜头扭曲矫正板为具有白色背景、黑色圆点的平板，所述黑色圆点的直径由2mm到6mm渐变，且10mm等间距排列。
在本实施例中，优选地，所述空间相机标定物为具有白色背景、黑色方片的圆柱体，所述黑色方片的边长相同，且等间距排列。
在本实施例中，优选地，所述数据处理系统配置有基于数字图像相关的疲劳裂纹自动识别算法和疲劳寿命预测算法，基于数字图像相关的疲劳裂纹自动识别算法具有自动识别疲劳裂纹空间位置和测算裂纹尺寸的功能。
本发明还设计了一种基于上述多相机拍摄的疲劳裂纹三维测量系统的测量方法，步骤如下：
步骤1：调整移动式测量支架和高清相机的角度，开启高亮度LED照明带；
步骤2：如图2所示，将相机镜头扭曲矫正板正对高清相机，每次调整矫正板的角度，高清相机拍摄保存一组对应的照片，并将照片通过数据线传送给数据处理系统，数据处理系统根据照片对高清相机的镜头进行自动矫正；
步骤3：如图3所示，将空间相机标定物放置在高清相机视角范围内，每两个高清相机至少有50％的共同视角覆盖，该覆盖百分比通过拍摄空间相机标定物上黑色方片的列序号确定；
步骤4:将被测物体表面使用酒精擦洗干净，先均匀喷涂白漆，然后点喷黑漆制作散斑图；
步骤5：启动测量系统，对被测物体持续进行检测，数据处理系统自动识别产生的疲劳裂纹并记录特征信息，所述特征信息包括疲劳裂纹周围应变峰值、谷值和疲劳裂纹深度；
步骤6：数据处理系统根据预加载信息和记录的特征信息通过疲劳寿命预测算法计算被测物体的剩余疲劳寿命，并根据实时记录的特征信息更新预测结果。
所述疲劳寿命预测算法如图4所示，图中a是裂纹尺寸，N是疲劳荷载循环次数，R是应力比，C0是应力比为零时的断裂参数，f表示Newman模型裂纹闭合参数，ΔK是应力强度因子幅，ΔKth是当前应力比下的应力强度因子幅阈值，Kc代表关键应力强度因子，n、p和q为断裂系数，Δσ为应力幅值，Y为无量纲几何参数，与裂纹形态，构件几何以及荷载布置有关，σmax为循环应力的应力峰值，Kmax为在应力强度因子幅ΔK中的最大应力强度因子。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多相机拍摄的疲劳裂纹三维测量系统，其特征在于：包括移动式测量支架、高亮度LED照明带、照明带环形支架、若干台高清相机、相机环形支架、相机镜头扭曲矫正板、空间相机标定物以及数据处理系统；所述照明带环形支架和相机环形支架分别固定在所述移动式测量支架上，所述高亮度LED照明带设置在所述照明带环形支架上，所述若干台高清相机均匀分别在所述相机环形支架上，各高清相机通过数据线与所述数据处理系统连接，所述相机镜头扭曲矫正板正对高清相机的视角并通过面内面外旋转的方式被高清相机拍摄，所述空间相机标定物位于所有高清相机的视角范围内，对测量系统进行初始化标定；
所述相机镜头扭曲矫正板为具有白色背景、黑色圆点的平板，所述黑色圆点的直径由2mm到6mm渐变，且10mm等间距排列；
所述高亮度LED照明带能根据使用环境更换色调；
所述空间相机标定物为具有白色背景、黑色方片的圆柱体，所述黑色方片的边长相同，且等间距排列，黑色方片上有连续的列序号。
2.根据权利要求1所述多相机拍摄的疲劳裂纹三维测量系统，其特征在于：所述移动式测量支架包括能够折叠收放的三脚架以及与该三脚架连接的能够调节高度的高强度铝合金管。
3.根据权利要求2所述多相机拍摄的疲劳裂纹三维测量系统，其特征在于：所述照明带环形支架通过螺栓抱箍与移动式测量支架的高强度铝合金管连接，所述照明带环形支架能够覆盖120°的照明范围。
4.根据权利要求2所述多相机拍摄的疲劳裂纹三维测量系统，其特征在于：所述相机环形支架通过螺栓抱箍与移动式测量支架的高强度铝合金管连接，所述相机环形支架能够覆盖120°的拍摄范围。
5.根据权利要求1所述多相机拍摄的疲劳裂纹三维测量系统，其特征在于：所述数据处理系统配置有基于数字图像相关的疲劳裂纹自动识别算法和疲劳寿命预测算法。
6.基于权利要求1所述多相机拍摄的疲劳裂纹三维测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)调整移动式测量支架和高清相机的角度，开启高亮度LED照明带；
(2)将相机镜头扭曲矫正板正对高清相机，每次调整矫正板的角度，高清相机拍摄保存一组对应的照片，并将照片通过数据线传送给数据处理系统，数据处理系统根据照片对高清相机的镜头进行自动矫正；
(3)将空间相机标定物放置在高清相机视角范围内，每两个高清相机至少有50％的共同视角覆盖，该覆盖百分比通过拍摄空间相机标定物上黑色方片的列序号确定；
(4)将被测物体表面使用酒精擦洗干净，先均匀喷涂白漆，然后点喷黑漆制作散斑图；
(5)启动测量系统，对被测物体持续进行检测，数据处理系统自动识别产生的疲劳裂纹并记录特征信息，所述特征信息包括疲劳裂纹周围应变峰值、谷值和疲劳裂纹深度；
(6)数据处理系统根据预加载信息和记录的特征信息通过疲劳寿命预测算法计算被测物体的剩余疲劳寿命，并根据实时记录的特征信息更新预测结果。
7.根据权利要求6所述测量方法，其特征在于，所述被测物体为试验室中正在疲劳加载的测试试件或者为工程现场正承受动荷载的构件。
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