CN114264542B - 基于数字图像相关法的穿孔性能测量方法、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及材料性能测试领域，具体公开了一种基于数字图像相关法的穿孔性能测量方法、设备及介质，包括对待测样本进行穿孔测试，获取所述待测样本的穿孔测试数据和测试装置的测试参数；根据所述穿孔测试数据，计算获得所述冲击头的冲击高度‑时间曲线；根据所述穿孔测试数据、所述测试参数以及冲击高度‑时间曲线，获得所述待测样本穿孔性能的测量结果。本发明通过使用数字图像相关法测试技术，克服了传统穿孔性能测试技术对形变量测量的限制，减少了在高速测试时试验数据与实际读数不匹配的问题，拓展了穿孔测试试验的应用范围；通过自动计算待测样本穿孔性能的测量结果，对材料的冲击性能测试更加高效、便捷。
Description
技术领域
本发明涉及材料性能测试领域，尤其涉及一种基于数字图像相关法的穿孔性能测量方法、设备及介质。
背景技术
多轴冲击试验等穿孔性能试验，是测试材料的抗冲击性能的重要试验之一，多用于模拟汽车、火车、电子产品部件等设备的零部件碰撞场景中，检测材料的抗冲击性能。穿孔性能测试常用于检验汽车外饰和内饰等零件材料在碰撞过程中所产生的破坏情况和受力形变行为，预防在实际碰撞中产生大量碎片飞溅造成误伤，保障乘员的生命安全。
材料的穿孔性能测试在材料性能表征及工程分析过程中重中之重，传统的挠度计可满足准静态条件下刺穿形变量的测试需要，但是在高速刺穿试验条件下，传统的挠度计因其本身特性无法满足高速测试需求，获取的数据不完整，或因采样频率不足而导致数据不准确，只能使用理论公式推算材料高速形变时的情况，无法直接测量获取准确试验参数。因此，目前亟需一种穿孔性能直接测量装置及方法，满足动态和静态测试。
发明内容
为了克服现有的穿孔性能测试试验的形变数据获取不准确、采样率低、高速试验情况下实际试验数据采集困难的问题，本发明提供一种基于数字图像相关法的穿孔性能测量方法、设备及介质。
本发明采用的技术方案是：一种基于数字图像相关法的穿孔性能测量方法、设备及介质，其中，基于数字图像相关法的穿孔性能测量方法，包括：
对待测样本进行穿孔测试，获取所述待测样本的穿孔测试数据和测试装置的测试参数；其中，所述测试装置用于根据所述测试参数通过冲击头对所述待测样本进行穿孔测试；所述穿孔测试数据包括：测试时间、冲击力和穿孔测试过程的影像数据；
根据所述穿孔测试数据，计算获得所述冲击头的冲击高度-时间曲线；
根据所述穿孔测试数据、所述测试参数以及冲击高度-时间曲线，获得所述待测样本穿孔性能的测量结果。
作为优选地，所述对待测样本进行穿孔测试，获取所述待测样本的穿孔测试数据和测试装置的测试参数，具体为：
将所述待测样本安装在测试装置上，在所述测试装置中输入测试参数；
同时启动光学影像装置和所述测试装置，对待测样本进行冲击测试；其中，所述光学影像装置用于实时记录穿孔测试过程的影像数据。
优选地，所述根据所述穿孔测试数据，计算获得所述冲击头的冲击高度-时间曲线，具体为：
对所述影像数据中的测试装置建立虚拟坐标系，对所述影像数据进行图像分析，得到实时高度-时间曲线；根据实时高度-时间曲线，计算获得冲击高度-时间曲线。
优选地，所述根据实时高度-时间曲线，计算获得冲击高度-时间曲线，具体为：
根据所述冲击头的弹性模量，以及冲击头的尺寸和冲击力，计算冲击头的弹性形变-时间曲线；
根据所述弹性形变-时间曲线和所述穿孔测试数据，计算获得所述冲击头的冲击高度-时间曲线。
本发明还公开了一种基于数字图像相关法的穿孔性能测量设备，包括：测试装置、光学影像装置和数据分析系统；
所述测试装置包括冲击头和基座，所述冲击头上设有冲击力传感器，所述基座用于固定待测样本，所述测试装置用于根据测试参数，通过冲击头对所述待测样本进行穿孔测试；所述冲击力传感器用于测量冲击头受到的冲击力数据；
所述光学影像装置用于实时记录穿孔性能试验的影像数据；
所述数据分析系统用于根据所述影像数据、所述冲击力传感器读数和测试装置的测试参数，计算获得所述待测样本穿孔性能的测量结果。
优选地，所述数据分析系统包括：图像分析单元、力值计算单元和能量计算单元；
所述图像分析单元用于根据影像数据，计算获得所述冲击头的冲击高度-时间曲线；
所述力值计算单元用于根据冲击力传感器的读数，计算获得冲击力-时间曲线；
所述能量计算单元用于根据冲击力-时间曲线以及冲击高度-时间曲线，计算获得能量-冲击高度曲线。
优选地，所述冲击头表面设有灰度随机变化的散斑点，所述散斑点用于所述图像分析单元进行图像识别以获取所述冲击头的冲击高度。
优选地，所述数据分析系统还包括：形变修正单元；
所述形变修正单元用于根据所述冲击头的弹性模量，以及冲击头的尺寸和冲击力，计算冲击头的弹性形变-时间曲线，并根据所述弹性形变-时间曲线修正冲击高度-时间曲线。
本发明提供了一种终端设备，包括处理器和存储装置，所述存储装置用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述处理器执行时，所述处理器实现上述基于数字图像相关法的穿孔性能测量方法。
本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行上述基于数字图像相关法的穿孔性能测量方法。
本发明的有益效果是：
通过使用数字图像相关法测试技术，克服了传统穿孔性能测试技术对形变量测量的限制，减少了在高速测试时试验数据与实际读数不匹配的问题，拓展了穿孔测试试验的应用范围；通过自动计算待测样本穿孔性能的测量结果，对材料的冲击性能测试更加高效、便捷。
优选地，通过冲击头上的散斑，方便了图像信息的采集和识别，相比于传统的计算测试方法，本方案使穿孔测试数据的获取更便捷，穿孔测试数据更精确。
附图说明
下文将结合说明书附图对本发明进行进一步的描述说明，其中：
图1为本发明其中一个实施例的基于数字图像相关法的穿孔性能测量方法流程图；
图2为本发明其中一个实施例的测量装置示意图；
图3为本发明其中一个实施例中测量装置的冲击头局部示意图；
图4为本发明其中一个实施例中测量装置的冲击头具体结构示意图；
图5为本发明其中一个实施例的冲击力F与时间t的曲线；
图6为本发明其中一个实施例的实时高度S时间t的曲线；
图7为本发明其中一个实施例的冲击力-冲击高度曲线和能量-冲击高度曲线对比图。
图中：1、测试装置；2、冲击头；3、冲击力传感器；4、电脑；5、光学影像装置；6、标准试样；7、夹具；8、连接件；9、紧固件；10、中间段；11、前端；12、能量-冲击高度曲线；13、冲击力-冲击高度曲线。
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。
穿孔性能可以通过很多参数进行体现，在实际评估材料的穿孔性能时，主要以冲击力-时间曲线、冲击高度-时间曲线、能量-时间曲线或能量-冲击高度曲线12，以及曲线上的一些特征值，如最大冲击力、最大冲击力时的冲击高度、最大力时的冲击能量、刺穿能量、刺穿位移等数据来体现。本发明的穿孔性能包括能量-冲击高度曲线12。
参见图1，是本发明的其中一个实施例，用于实现基于数字图像相关法的穿孔性能测量方法，其实现步骤包括：
S1、对待测样本进行穿孔测试，获取所述待测样本的穿孔测试数据和测试装置1的测试参数；其中，所述测试装置1用于根据所述测试参数通过冲击头2对所述待测样本进行穿孔测试；所述穿孔测试数据包括：测试时间、冲击力和穿孔测试过程的影像数据；
S2、根据所述穿孔测试数据，计算获得所述冲击头2的冲击高度-时间曲线；
S3、根据所述穿孔测试数据、所述测试参数以及冲击高度-时间曲线，获得所述待测样本穿孔性能的测量结果。
作为优选地，上述步骤S1中对待测样本进行穿孔测试，获取所述待测样本的穿孔测试数据和测试装置1的测试参数，包含分步骤如下：
A1、将所述待测样本安装在测试装置1上，在所述测试装置1中输入测试参数；
A2、同时启动光学影像装置5和所述测试装置1，对待测样本进行冲击测试；其中，所述光学影像装置5用于实时记录穿孔测试过程的影像数据。
优选地，上述步骤S2中根据所述穿孔测试数据，计算获得所述冲击头2的冲击高度-时间曲线，具体为：
对所述影像数据中的测试装置1建立虚拟坐标系，对所述影像数据进行图像分析，得到实时高度-时间曲线；根据实时高度-时间曲线，计算获得冲击高度-时间曲线。
优选地，上述所述根据实时高度-时间曲线，计算获得冲击高度-时间曲线，包含分步骤如下：
B1、根据所述冲击头2的弹性模量，以及冲击头2的尺寸和冲击力，计算冲击头2的弹性形变-时间曲线；
B2、根据所述弹性形变-时间曲线和所述穿孔测试数据，计算获得所述冲击头2的冲击高度-时间曲线。
本实施例还包含基于数字图像相关法的穿孔性能测量设备，其包括：测试装置1、光学影像装置5和数据分析系统；
所述测试装置1包括冲击头2和基座，所述冲击头2上设有冲击力传感器3，所述基座用于固定待测样本，所述测试装置1用于根据测试参数，通过冲击头2对所述待测样本进行穿孔测试；所述冲击力传感器3用于测量冲击头2受到的冲击力数据；
所述光学影像装置5用于实时记录穿孔性能试验的影像数据；
所述数据分析系统用于根据所述影像数据、所述冲击力传感器3读数和测试装置1的测试参数，计算获得所述待测样本穿孔性能的测量结果。
优选地，所述数据分析系统包括：图像分析单元、力值计算单元和能量计算单元；
所述图像分析单元用于根据影像数据，计算获得所述冲击头2的冲击高度-时间曲线；所述力值计算单元用于根据冲击力传感器3的读数，计算获得冲击力-时间曲线；所述能量计算单元用于根据冲击力-时间曲线以及冲击高度-时间曲线，计算获得能量-冲击高度曲线12。
优选地，所述冲击头2表面设有灰度随机变化的散斑点，所述散斑点用于所述图像分析单元进行图像识别以获取所述冲击头2的冲击高度。
优选地，所述数据分析系统还包括：形变修正单元；所述形变修正单元用于根据所述冲击头2的弹性模量，以及冲击头2的尺寸和冲击力，计算冲击头2的弹性形变-时间曲线，并根据所述弹性形变-时间曲线修正冲击高度-时间曲线。
参见图2至图7，作为本发明的另一实施例，其测试装置1是万能材料试验机或落锤冲击试验机中的一种，冲击头2是用于进行穿孔性能测试的特殊冲击头2或压头。
本实施例实现基于数字图像相关法的穿孔性能测量方法包括如下步骤：
S1、通过注塑或机加工，将待测样本加工成标准试样6，在标准环境下调节测试装置1的规定时间；
S2、在测试装置1上安装前端11满足测试要求的冲击头2，在所述冲击头2表面设置散斑点，以供运用数字图像技术的光学影像装置5识别获取图像信息；
S3、按照测试参数调试测试装置1，确定初始零点位置；
S4、调试光学影像装置5和光源，获取散斑点的清晰图像，保证足够视窗范围，保持光学影像装置5位置不变，标定影像数据，调节相机曝光频率与测试装置1相同；
S5、将标准试样6安装在测试装置1上；
S6、同时启动测试装置1和光学影像装置5，进行穿孔试验，并通过光学影像装置5进行影像采集；
S7、穿孔试验结束后，停止光学影像装置5图像采集，导出测试装置1上传感器采集的冲击力数据和光学影像装置5采集到的影像数据；
S8、影像数据导入图像分析单元，依据标定参数，对冲击头2上的散斑点进行图像分析，获取冲击头2冲击高度与时间的关系曲线，然后根据冲击头2的材料属性，计算获得弹性形变-时间曲线，以此更新冲击高度-时间曲线；
S9、依据冲击力-时间曲线及冲击高度-时间曲线，合并得出冲击力-冲击高度曲线13，按照曲线积分面积得出能量-冲击高度曲线12。
参见图2至4，是本实施例的基于数字图像相关法的穿孔性能测量设备，其包括：测试装置1、光学影像装置5和数据分析系统；
所述测试装置1包括冲击头2、夹具7，冲击头2上设有冲击力传感器3。
所述光学影像装置5是CCD相机，用于实时记录穿孔性能试验的影像数据。
本实施例的数据分析系统是一台电脑4，所述电脑4中设有图像分析单元、力值计算单元和能量计算单元。
所述冲击头2包括连接件8、紧固件9、中间段10和前端11；前端11为规定尺寸的半球形圆柱头或其他形状的冲击部件，其满足标准尺寸要求，所述中间段10上设有散斑点，所述散斑点可以为一较大标记点或多个细小散斑，所述散斑点灰度随机变化，以供运用数字图像技术的光学影像装置5和图像分析单元识别获取图像信息；所述紧固件9为六边形紧力结构；所述连接件8上设有螺纹或卡槽，可与测试装置1较好且快速连接。
本领域技术人员可以理解，示意图仅仅是测试设备的示例，并不构成对测试设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如测试设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
参见图5和图6，是本实施例在实验过程中得到的冲击力F与时间t的数据和实时高度S时间t的曲线。
将所述影像数据导入图像分析单元，依据标定参数，对冲击头2上散斑点进行图像分析，获取冲击头2实时高度S与时间t的关系曲线。
本实施的冲击头2材质采用高强金属材料，其弹性模量为E，前端11的长度为L，前端11的半径为R，前端11的与中间段10的连接点至视频识别用散斑点中心的距离是a，在冲击测试过程中冲击头2承受的冲击力在材料的弹性范围内，依据冲击头2尺寸和冲击力F在时间t的瞬时值受力Ft即可修正冲击头2弹性形变Se：
根据冲击高度s＝S-Se，即可获取冲击高度s与时间t的关系曲线。
注，相较于金属材料，高分子材料冲击力较小，因夹具7和冲击头2引入的形变基本可忽略。
依据冲击力F与时间t的关系曲线及冲击高度s与时间t的关系曲线，合并得出冲击力-冲击高度曲线13，按照曲线积分面积得出能量-冲击高度曲线12。
本发明还公开了一种终端设备，包括处理器和存储装置，存储装置用于存储一个或多个程序；当一个或多个程序被处理器执行时，处理器实现上述的基于数字图像相关法的穿孔性能测量方法。所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所称处理器是测试设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个测试设备的各个部分。
存储装置可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储装置内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储装置内的数据，实现终端设备的各种功能。存储装置可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。此外，存储装置可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
其中，穿孔性能的测试设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于至少一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
需说明的是，以上所描述的设备及装置的实施例仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例的附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，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 (5)
1.一种基于数字图像相关法的穿孔性能测量方法，其特征在于，包括：
将待测样本安装在测试装置上，在测试装置中输入测试参数；
同时启动光学影像装置和所述测试装置，对待测样本进行穿孔测试；其中，所述光学影像装置用于实时记录穿孔测试过程的影像数据；所述测试装置用于根据所述测试参数通过冲击头对所述待测样本进行穿孔测试；所述穿孔测试的数据包括：测试时间、冲击力和穿孔测试过程的影像数据；
对所述影像数据中的测试装置建立虚拟坐标系，对所述影像数据进行图像分析，得到实时高度-时间曲线；根据所述冲击头的弹性模量，以及冲击头的尺寸和冲击力，计算冲击头的弹性形变-时间曲线；
根据所述弹性形变-时间曲线和所述穿孔测试的影像数据中冲击头的冲击高度，计算获得所述冲击头的冲击高度-时间曲线；
根据所述穿孔测试数据、所述测试参数以及冲击高度-时间曲线，获得所述待测样本穿孔性能的测量结果。
2.一种基于数字图像相关法的穿孔性能测量设备，其特征在于，包括：测试装置、光学影像装置和数据分析系统；
所述测试装置包括冲击头和基座，所述冲击头上设有冲击力传感器，所述基座用于固定待测样本，所述测试装置用于根据测试参数，通过冲击头对所述待测样本进行穿孔测试；所述冲击力传感器用于测量冲击头受到的冲击力数据；
所述光学影像装置用于在所述测试装置启动的同时，开始实时记录穿孔性能试验的影像数据；
所述数据分析系统包括：图像分析单元、力值计算单元、能量计算单元和形变修正单元；
所述图像分析单元用于根据影像数据，计算获得所述冲击头的冲击高度-时间曲线；
所述力值计算单元用于根据冲击力传感器的读数，计算获得冲击力-时间曲线；
所述形变修正单元用于根据所述冲击头的弹性模量，以及冲击头的尺寸和冲击力，计算冲击头的弹性形变-时间曲线，并根据所述弹性形变-时间曲线修正冲击高度-时间曲线；
所述能量计算单元用于根据冲击力-时间曲线以及冲击高度-时间曲线，计算获得能量-冲击高度曲线。
3.根据权利要求2所述的一种基于数字图像相关法的穿孔性能测量设备，其特征在于，所述冲击头表面设有灰度随机变化的散斑点，所述散斑点用于所述图像分析单元进行图像识别以获取所述冲击头的冲击高度。
4.一种终端设备，其特征在于，包括：处理器和存储装置，所述存储装置用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述处理器执行时，所述处理器实现根据权利要求1所述的基于数字图像相关法的穿孔性能测量方法。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如权利要求1所述的基于数字图像相关法的穿孔性能测量方法。
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