CN114529528A - 一种胶接结构粘接界面演变太赫兹定量计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种胶接结构粘接界面演变太赫兹定量计算方法，使用太赫兹时域光谱仪分别采集加载前后的胶接结构太赫兹时域信号；从胶接结构太赫兹时域信号中提取粘接界面飞行时间特征，并进行成像，获得胶接结构加载前后的胶层粘接界面飞行时间图像I1及图像I2；利用尺度不变特征变换匹配算法获取图像I1与图像I2匹配的特征点；利用图像I1与图像I2识别出的特征点进行图像匹配；将图像I1与图像I2*的重合区域做差值运算，获得胶接结构加载前后的胶层粘接界面的变化图像I3；对变化图像I3整幅图像的变化值分布占比进行统计，对变化图像I3中大于设定阈值的区域进行统计，计算该区域飞行时间变化的均值，用于表征该区域粘接界面的变化情况。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹无损检测领域，具体涉及一种利用太赫兹成像对胶接结构粘接界面演变进行定量计算的方法。
背景技术
复合材料胶接结构在使用过程中，存在温度、应力、冲击等环境载荷，尤其当环境载荷大于胶接结构所能承受的范围时，胶接结构的粘接界面可能会出现变化，甚至出现粘接缺陷，导致局部的传力性能发生改变，使得结构失效的风险增加。因此对于粘接界面的识别以及受载后的演变计算，可以对胶接结构粘接质量的评价提供支撑。
目前在无损检测领域对于胶接结构的质量评价多集中于对粘接缺陷的识别，尚无对胶接结构受载后粘接界面的演变表征方法。在太赫兹粘接界面的识别方法方面，CN108267419B中应用太赫兹三维时域数据矩阵的时间轴数据对胶接结构脱粘缺陷进行成像；其成像方法可以识别粘接界面脱粘缺陷的位置。在损伤演变无损表征方面，多集中于采用CT、红外等方法对试件表面缺陷以及裂纹的动态检测，缺少对于胶接结构粘接界面的损伤演变的无损表征手段。
太赫兹无损检测是复合材料无损检测新的一种检测手段，其中太赫兹时域光谱信号的飞行时间特征参数，可表征材料的折射率、材料密度、材料厚度等信息。太赫兹时域光谱信号的飞行时间特征参数也可对粘接结构，尤其是粘接层厚度、缺陷等信息进行表征。
提出了一种基于尺度不变特征变换匹配算法(SIFT)的太赫兹定量表征方法，可以实现对胶接结构粘接界面的变化监测，并对变化情况进行定量计算。
发明内容
针对胶接结构受载后粘接界面的演变问题，本发明提供了一种胶接结构粘接界面演变太赫兹定量计算方法，基于太赫兹无损检测成像技术对粘接界面进行准确识别，利用尺度不变特征变换匹配算法(SIFT)可以实现对胶接结构粘接界面的变化监测，并对变化情况进行定量计算。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种胶接结构粘接界面演变太赫兹定量计算方法，包括以下步骤：
步骤一、使用太赫兹时域光谱仪以二维逐点扫描方式，分别采集加载前后的胶接结构太赫兹时域信号；
步骤二、从采集到的胶接结构太赫兹时域信号中提取粘接界面飞行时间特征，并进行成像，获得胶接结构加载前的胶层粘接界面飞行时间图像I1以及加载后的胶层粘接界面飞行时间图像I2；
步骤三、利用尺度不变特征变换匹配算法(SIFT)获取所述图像I1与图像I2匹配的特征点；
步骤四、利用图像I1与图像I2识别出的特征点进行图像匹配：通过公式I2*＝T·I2，将图像I2旋转变换为图像I2*，使图像I2投影在了图像I1上，式中，T为变换矩阵，通过仿射变换方法计算获得；
步骤五、将图像I1与图像I2*的重合区域做差值运算，获得胶接结构加载前后的胶层粘接界面的变化图像I3；
步骤六、对变化图像I3整幅图像的变化值分布占比进行统计，对变化图像I3中大于设定阈值的区域进行统计，计算该区域飞行时间变化的均值，用于表征该区域粘接界面的变化情况。
本发明其技术效果在于：
通过太赫兹无损检测对胶接结构粘接界面进行识别，选取飞行时间成像方式，可以反映粘接界面的纵向信息，以及脱粘缺陷信息，对胶接结构受载后粘接界面的变化反应较为灵敏。
本发明提供的胶接结构粘接界面演变太赫兹定量表征方法，可以有效的将胶接结构粘接界面以及粘接缺陷变化可视化，并可以定量统计粘接界面任一区域内变化情况。
本发明可以推广到太赫兹无损检测对样件内部缺陷变化的应用中，如复合材料受冲击损伤变化监测、绝缘芯子老化过程监测等。
附图说明
图1为本发明一种胶接结构粘接界面演变太赫兹定量计算方法整体流程图；
图2为本发明实施例所述的胶接结构样件示意图；图中，1-复合材料、2-上层胶层、3-应变隔离垫、4-下层胶层、5-金属基底；
图3为本发明实施例所述胶接结构样件某点的太赫兹时域波形；
图4(a)为本发明实施例所述的加载前胶接结构样件下层胶层飞行时间成像I1；
图4(b)为本发明实施例所述的加载后胶接结构样件下层胶层飞行时间成像I2；
图5(a)为本发明实施例所述的图像I1与I2特征点识别图；
图5(b)为本发明实施例所述的图像I1与I2剔除匹配误差大的特征点后的特征点识别图；
图6为本发明实施例所述图像I1与图像I2匹配结果示意图；
图7为本发明实施例所述胶接结构加载前后的胶层粘接界面的变化图像I3；
图8(a)为本发明实施例所述粘接界面的变化分布直方图；
图8(b)为本发明实施例所述变化图像I3中大于设定阈值的区域示意图；
图8(c)为本发明实施例所述大于设定阈值的区域的粘接界面局部的变化情况。
具体实施方式
为了使发明的目的、技术方案及优点更加地清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
一种胶接结构粘接界面演变太赫兹定量计算方法，本实施例的胶接结构如图2所示，本发明具体方案如下所述：
步骤一、利用太赫兹时域光谱仪以二维逐点扫描方式，采集加载前后的胶接结构样件太赫兹时域信号，设置行列采集步长分别为a，b，采集步距为1mm，获得样件加载前后的太赫兹数据集合A1、A2。
步骤二、从采集到的胶接结构样件太赫兹时域信号中提取粘接界面特征信息，如图3所示，为获取到的太赫兹数据集中某点(a,b)的太赫兹时域信号Sa,b(t)，横轴为飞行时间，纵轴为幅值，其中该点处下层胶层特征波形为b所示区域，计算其飞行时间差作为粘接界面纵向信息的特征值。飞行时间的计算公式为：
其中，tfly为图3波形中下层胶层上表面反射信号Peak1与金属基底反射信号Peak2的飞行时间差tfly＝Peak2-Peak1，n为有机胶粘接层的折射率，d为有机胶粘接层的厚度，c为光传播的速度。
通过计算每一点的胶层飞行时间差，获取采集数据集合A1、A2的下层胶层飞行时间值。通过飞行时间成像就可以得到胶接结构受载前后胶层的二维图像信息，如图4(a)为受载前样件下层胶层飞行时间成像图I1，图4(b)为受载后样件下层胶层飞行时间成像图I2，此方法可以将样件的粘接界面可视化。
步骤三、将步骤二获取到的加载前后飞行时间成像图I1、I2，利用尺度不变特征变换匹配算法进行特征点匹配。首先构建图像I1、I2的尺度空间。将图像的多尺度空间定义为一个函数L(x,y,σ)，它是由一个可以改变尺度的高斯函数G(x,y,σ)与一个输入图像I(x,y)卷积得到的，如公式(2)所示：
L(x,y,σ)＝G(x,y,σ)*I(x,y) (2)
其中(x，y)为坐标空间，σ为可变比例的空间因子。在得到的尺度空间中寻求极值点作为图像的待选特征点。在特征点处提取特征描述符，形成特征向量。当两幅图像的特征向量计算完成后，采用关键点特征向量的欧式距离来作为两幅图像中关键点的相似性判定度量，寻找两幅图像中匹配度较高的特征点，在上诉两幅图像中画上标记，连接对应的匹配的点。结果如图5(a)所示，图像中线条所连接的点为识别出的两幅图像特征相同的对应点。
由于特征空间的高维性，相似的距离可能有大量其他的错误匹配，为了得到准确的图像转换模型，采用随机样本一致性算法(RANSAC)，将匹配误差大的特征点进行剔除，获得结果如图5(b)所示。
步骤四、将图像I2中的特征点作为移动点，图像I1中的特征点作为固定点，利用仿射变换，求取变化矩阵，计算公式如(3)所示。
其中图像I1的特征点为(x，y)，图像I2的特征点为(u，v)，T为变换矩阵。将求取得到的变换矩阵T，利用公式(4)得到I2*，其为图像I2旋转变换后的图像，此时图像I2*图像I1重合，如图6所示。
I2*＝T·I2 (4)
步骤五、利用公式(5)，获取图像I1与I2*重合区域的差值，得到受载后粘接界面太赫兹飞行时间特征值变化图像I3。结果如图7所示，获得了受载前后粘接界面的变化分布情况。
I3＝I2*-I1 (5)
步骤六、在获取了粘接界面的变化图像I3后，对粘接界面变化值进行统计分析，得到该区域内飞行时间变化分布直方图，如图8(a)所示，统计得到不同飞行时间变化区间内所占的比例，从而判断出粘接界面整体的变化情况。同时可以对图像I3中大于0.5ps的区域进行统计，如图8(b)中黑色框内的区域，获取该区域粘接界面局部的变化情况如图8(c)直方图所示，计算其变化均值，表征变化的大小。
Claims (3)
1.一种胶接结构粘接界面演变太赫兹定量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、使用太赫兹时域光谱仪以二维逐点扫描方式，分别采集加载前后的胶接结构太赫兹时域信号；
步骤二、从采集到的胶接结构太赫兹时域信号中提取粘接界面飞行时间特征，并进行成像，获得胶接结构加载前的胶层粘接界面飞行时间图像I1以及加载后的胶层粘接界面飞行时间图像I2；
步骤三、利用尺度不变特征变换匹配算法(SIFT)获取所述图像I1与图像I2匹配的特征点；
步骤四、利用图像I1与图像I2识别出的特征点进行图像匹配：通过公式I2*＝T·I2，将图像I2旋转变换为图像I2*，使图像I2投影在了图像I1上，式中，T为变换矩阵，通过仿射变换方法计算获得；
步骤五、将图像I1与图像I2*的重合区域做差值运算，获得胶接结构加载前后的胶层粘接界面的变化图像I3；
步骤六、对变化图像I3整幅图像的变化值分布占比进行统计，对变化图像I3中大于设定阈值的区域进行统计，计算该区域飞行时间变化的均值，用于表征该区域粘接界面的变化情况。
2.如权利要求1所述的一种胶接结构粘接界面演变太赫兹定量计算方法，其特征在于，所述步骤三包括：
首先构建所述图像I1及图像I2的尺度空间：将图像的多尺度空间定义为一个函数L(x,y,σ)，它是由一个可以改变尺度的高斯函数G(x,y,σ)与一个输入图像I(x,y)卷积得到的，如下式所示：
L(x,y,σ)＝G(x,y,σ)*I(x,y)
其中，(x，y)为坐标空间，σ为可变比例的空间因子；
在得到的尺度空间中寻求极值点作为图像的待选特征点；
在特征点处提取特征描述符，形成特征向量；
最后，采用随机样本一致性算法，将匹配误差大的特征点进行剔除。
3.如权利要求1所述的一种胶接结构粘接界面演变太赫兹定量计算方法，其特征在于，所述步骤四中，仿射变换方法计算变化矩阵T包括：
将所述图像I2中的特征点作为移动点，图像I1中的特征点作为固定点，通过下式求取变化矩阵：
其中，图像I1的特征点为(x，y)，图像I2的特征点为(u，v)，T为变换矩阵。
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