CN115950371B - 基于光学显微的一点应变测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学显微的一点应变测量方法，包括：基于光学显微设备对介质被测点进行高倍率放大摄像或拍照，获得被测点局部范围高像素细观特征图像，在图像中选择若干个特征点，将特征点相连获得特征线段；测量特征线段在初始时刻的线段长度及其与坐标轴正方向夹角，计算夹角的余弦值；测量特征线段在后续某一时刻的线段长度，计算特征线段相比于初始时刻长度的相对变化量；基于一点的应变状态与该点任意方向正应变之间的关系式计算被测点的应变，获得应变测量结果。本发明解决了电阻式应变测量方法应变片覆盖面积大、环境适应性差、测试精度低、不适用用导电液体环境等问题。

Description

基于光学显微的一点应变测量方法

技术领域

本发明属于应变测量领域，特别是涉及一种基于光学显微的一点应变测量方法。

背景技术

一点的应变测量通常由电阻式应变花进行测量，每个应变花包含不少于3个不同方向的应变片，为了保证测量精度电阻应变片的长度普遍大于1cm。因此，每个应变片测得的应变应为应变片覆盖范围沿应变片长度方向的平均正应变，进而由应变计算得到的一点应变近似为应变花覆盖区域的平均应变值，因此，电阻应变测量方法无法精确获得微小区域的真实应变。

由于电阻式应变测量需将应变片与被测介质采用粘结剂进行紧密粘贴，介质在变形过程中一定程度上会受到粘结剂和电阻式应变片的束缚，其并非是完全自由变形状态，尤其是测量对象为质地较软时，这种影响将非常显著，导致错误的测量结果。若介质处于潮湿环境或介质不致密时，电阻式应变片粘贴效果难以保障，进而产生错误的测试数据，甚至致使测试失败。当被测介质浸于导电的液体中时(如充水钻孔、海上轮船底部等)，电阻式应变无法进行直接测量，必须临时封隔出干燥腔体进行测量，给测试工作带来的很大的困难。即便如此，由于腔体内介质不受液体压力作用，其应变状态与正常工作条件时并不相同。电阻式应变花为一次性测量元件，大量测量时其成本相对较大。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了如下方案：基于光学显微的一点应变测量方法，包括：

基于光学显微设备对介质被测点进行高倍率放大摄像或拍照，获得被测点局部范围高像素细观特征图像，在图像中选择若干个特征点，将所述特征点相连获得特征线段，基于所述特征线段获得特征线段集；

测量所述特征线段在初始时刻的线段长度及所述特征线段与坐标轴正方向夹角，计算夹角的余弦值；

基于所述特征线段在后续某一时刻的线段长度与所述特征线段在初始时刻的线段长度，计算特征线段相比于初始时刻长度的相对变化量；

基于所述特征线段长度的相对变化量、一点的应变状态与该点任意方向正应变之间的关系，计算被测点的应变，获得应变测量结果。

优选地，所述光学显微设备的放大倍率在1倍～100000倍之间连续可调。

优选地，所述特征图像像素不低于100万。

优选地，所述特征线段的长度及所述特征线段与坐标轴正方向之间的夹角基于所述光学显微设备或图像分析软件的虚拟标尺、标记和像素点位置识别功能实现。

优选地，所述特征点为与被测介质固接且同步变形的可分辨物理特征点，至少包括尖点、凹点、散斑、颜色。

优选地，所述特征线段为从一个特征点中心位置至另一个特征点中心位置的直线段。

优选地，所述若干个特征点为特征点数量满足两两相连所得的特征线段中不平行线段数量不少于3条；

所述特征线段集为根据需要连接任意两个特征点得到的特征线段的集合，且不平行线段数量不少于3条。

优选地，所述相对变化量在数值上等于被测点应变在线段方向上的正应变，其计算表达式为：

式中,为特征线段的初始长度，/>为被测点产生变形后特征线段在T时刻的线段长度；/>为T时刻特征线段的相对变化量(正应变)。

优选地，所述一点的应变状态为：ε＝[ε_x,ε_y,γ_xy]；

所述一点应变与任意方向正应变关系为：

式中，l和m分别为线段与x轴和y轴正方向夹角的余弦值；为一点应变ε在该方向的正应变。

优选地，所述T时刻各特征线段方向上的正应变可用被测点的应变状态分量ε_x、ε_y、γ_xy表示为：

式中,l_i和m_i分别为在初始时刻各线段与x轴和y轴正向夹角的余弦值。

优选地，当特征线段集中不平行特征线段数量等于3时，可构建一点应变计算方程组，求解该方程组可得一点应变分量ε_x、ε_y、γ_xy；当特征线段集中不平行特征线段数量大于3时，所构建方程组为超静定方程组，利用最小二乘法可求解一点应变的分量ε_x、ε_y、γ_xy的最优解；

所述一点应变分量ε_x、ε_y、γ_xy计算表达式可统一表示为：

本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的基于光学显微的一点应变测量方法，基于光学显微设备对介质被测点进行高倍率放大摄像或拍照，获得被测点局部范围高像素细观特征图像，在图像中选择若干个特征点，将特征点相连获得特征线段，测量特征线段在初始时刻的线段长度及其与坐标轴正方向夹角，并计算夹角的余弦值，由特征线段在后续某一时刻的线段长度可计算其相比于初始时刻长度的相对变化量，基于一点的应变状态与该点任意方向正应变之间的关系式计算被测点的应变，获得应变测量结果。解决了电阻式应变测量方法应变片覆盖面积大、环境适应性差、测试精度低、不适用用导电液体环境等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的方法流程图；

图2为本发明实施例的初始时刻特征点空间关系示意图；

图3为本发明实施例的T时刻特征点空间关系示意图。

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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供了一种基于光学显微的一点应变测量方法，包括：基于光学显微设备对介质被测点进行高倍率放大摄像或拍照，获得被测点局部范围高像素细观特征图像，在图像中选择若干个特征点，将特征点相连获得特征线段，测量特征线段在初始时刻的线段长度及其与坐标轴正方向夹角，并计算夹角的余弦值，由特征线段在后续某一时刻的线段长度可计算其相比于初始时刻长度的相对变化量，基于一点的应变状态与该点任意方向正应变之间的关系式计算被测点的应变，获得应变测量结果。

进一步地优化方案，所述光学显微设备放大倍率可在10倍～100000倍之间连续可调，特征图像像素不低于100万。

进一步地优化方案，所述光学显微设备或图像分析软件具有虚拟标尺、标记和像素点位置识别功能，可测量两点之间的距离、两线段夹角。

进一步地优化方案，所述特征点指与被测介质固接且同步变形的可分辨物理特征点，至少包括尖点、凹点、散斑、颜色。

进一步地优化方案，所述特征线段指从一个特征点中心位置至另一个特征点中心位置的直线段。

进一步地优化方案，所述若干个特征点指特征点数量满足两两相连所得的特征线段中不平行线段数量不少于3条；

进一步地优化方案，所述一系列特征线段集指根据需要连接任意两个特征点得到的特征线段的集合，且不平行线段数量不少于3条。

进一步地优化方案，所述特征线段与坐标轴正方向夹角指以线段任一端点为起点，指向线段另一端的射线分别与x轴和y轴正方向的夹角，其取值范围为[-π,π]。

更进一步，特征线段与坐标轴正方向夹角的余弦值值域范围为[-1,1]。

进一步地优化方案，所述特征线段长度相比于初始时刻的相对变化量指线段当前长度与其初始长度的差值与线段初始长度的比值。

设一点的应变状态为ε＝[ε_x,ε_y,γ_xy]，则该点在任意方向的正应变为：

式中,l和m分别为该线段与x轴和y轴正方向夹角的余弦；为一点应变ε在该方向的正应变。

采用光学显微方法对被测点进行放大摄像或拍照，获得被测点高像素特征图像并选择待测目标微区域内的k个可识别特征点，记做p₁、p₂、……、p_k,将特征点相连可得n条特征线段，特征线段数量n不超过k(k-1)/2，在初始时刻各特征线段与x轴和y轴正向夹角的余弦值为分别为l_i和m_i、初始长度为(i＝1,2,…,n)。当测点区域受到外部扰动产生变形后，特征点位置产生变化，若T时刻测量得到的上述特征线段长度为/>则特征线段相比于初始时刻长度的相对变化量可表示为：

鉴于特征图像为光学显微得到的极小区域的微视场，被测点应变也较小，由于特征点位置改变引起的线段方向的相对变化量相比于应变为高阶小量，可忽略不计，在变形过程中可认为各线段方向不发生变化，各线段相对变化量即为被测点应变在线段方向上的正应变。因此，在T时刻各线段的正应变可用被测点应变状态分量ε_x、ε_y、γ_xy表示为：

当特征线段集中不平行特征线段数量等于3时，可构建3个线性无关方程，进而获得测点的三个应变分量；当特征线段集中不平行特征线段数量大于3时，所构建方程组为超静定方程组，利用最小二乘法可求解该点应变分量的最优解，具体的法方程组为：

则该点的应变分量可直接统一表示为

所述不在同一直线的特征点数量不少于3个，宜取不少于5个特征点以提高计算精度，避免客观测量误差导致错误计算结果。

实施例一

本发明通过以下实施例对本技术方案进行详细描述。

(1)在对被测点进行100倍放大、采用5000万像素CCD相机拍照，在待测点区域附近选取k＝4个特征点分别为p₁、p₂、p₃、p₄，且任意三个特征点不在同一直线，由四个测点两两相连可得6条特征线段，如图2所示。在具体测试分析时可取所有或部分特征线段，特征线段数量满足不平行线段数量不少于3条即可。为提高测试精度本案例中取所有线段进行测试分析。在初始时刻，各特征线段长度分别为L₁＝0.5545mm、L₂＝0.6194mm、L₃＝0.6953mm、L₄＝0.6300mm、L₅＝0.8807mm、L₆＝0.8812mm，其方向余弦(与x轴和y轴夹角的余弦值)依次为(0.2853,0.9584)、(0.9853,-0.1708)、(-0.2685,-0.9633)、(-0.9221,0.3869)、(0.8742,0.4856)、(0.4782,-0.8782)。

(2)结构受到外力作用后产生变形，导致待测区域选取的特征点产生位移，在T时刻各特征点当前位置为p₁′、p₂′、p₃′、p₄′，相应的特征点两两相连特征线段长度变为L₁′＝0.5541mm、L₂′＝0.6194mm、L₃′＝0.6946mm、L₄′＝0.6329mm、L₅＝0.8807mm、L₆＝0.8812mm，如图3所示。

(3)六条线段当前长度相比于初始时刻长度相对变化量分别为：

上述相对变化量即为待测点区域应变沿着线段方向的正应变。

(4)根据一点应变分量ε_x、ε_y、γ_xy与该点在任意方向正应变的理论关系式可得如下方程：

(5)上述方程组为超静定方程组，其对应的求解法方程组为：

求解该方程组可得待测点的应变，各应变分量分别为

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于光学显微的一点应变测量方法，其特征在于，包括：

基于光学显微设备对介质被测点进行高倍率放大摄像或拍照，获得被测点局部范围高像素细观特征图像，在图像中选择若干个特征点，将所述特征点相连获得特征线段，基于所述特征线段获得特征线段集；

测量所述特征线段在初始时刻的线段长度及所述特征线段与坐标轴正方向夹角，计算夹角的余弦值；

基于所述特征线段在后续某一时刻的线段长度与所述特征线段在初始时刻的线段长度，计算特征线段相比于初始时刻长度的相对变化量；

基于所述特征线段长度的相对变化量、一点的应变状态与该点任意方向正应变之间的关系，计算被测点的应变，获得应变测量结果；

所述光学显微设备的放大倍率在1倍～100000倍之间连续可调，特征图像像素不低于100万；

所述特征线段的长度及所述特征线段与坐标轴正方向之间的夹角基于所述光学显微设备或图像分析软件的虚拟标尺、标记和像素点位置识别功能实现；

当特征线段集中不平行特征线段数量等于3时，构建一点应变计算方程组，求解该方程组可得应变状态分量ε_x、ε_y、γ_xy；当特征线段集中不平行特征线段数量大于3时，所构建方程组为超静定方程组，利用最小二乘法求解应变状态分量ε_x、ε_y、γ_xy的最优解；

所述应变状态分量ε_x、ε_y、γ_xy计算表达式可统一表示为：

式中，l和m分别为线段与x轴和y轴正方向夹角的余弦值；ε为一点应变ε在该方向的正应变。

2.根据权利要求1所述的基于光学显微的一点应变测量方法，其特征在于，所述特征点为与被测介质固接且同步变形的可分辨物理特征点，至少包括尖点、凹点、散斑、颜色。

3.根据权利要求1所述的基于光学显微的一点应变测量方法，其特征在于，所述特征线段为从一个特征点中心位置至另一个特征点中心位置的直线段。

4.根据权利要求1所述的基于光学显微的一点应变测量方法，其特征在于，

所述若干个特征点为特征点数量满足两两相连所得的特征线段中不平行线段数量不少于3条；

所述特征线段集为根据需要连接任意两个特征点得到的特征线段的集合，且不平行线段数量不少于3条。

5.根据权利要求1所述的基于光学显微的一点应变测量方法，其特征在于，

所述相对变化量在数值上等于被测点应变在线段方向上的正应变，其计算表达式为：

式中,为特征线段的初始长度，/>为被测点产生变形后特征线段在T时刻的线段长度；/>为T时刻特征线段的相对变化量。

6.根据权利要求1所述的基于光学显微的一点应变测量方法，其特征在于，

所述一点的应变状态为：ε＝[ε_x,ε_y,γ_xy]；

所述一点应变与任意方向正应变关系为：

7.根据权利要求6所述的基于光学显微的一点应变测量方法，其特征在于，

T时刻各特征线段方向上的正应变用被测点的应变状态分量ε_x、ε_y、γ_xy表示为：

式中,l_i和m_i分别为在初始时刻各线段与x轴和y轴正向夹角的余弦值。