CN117553700A - 一种基于力致发光材料检测滑杆弯曲变形、应力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于力致发光材料检测滑杆弯曲变形、应力的方法，其包括：在原始滑杆表面施加力致发光材料涂层；对滑杆侧面中线处的发光涂层进行破坏处理使其不发光，得到视觉检测的标志线，即滑杆侧面中线；对原始滑杆进行应力拉伸和压缩试验；通过荧光测量系统中的光源照射被测滑杆表面，对获取的被测滑杆的图像进行预处理，以识别出图像中的滑杆；比较被测滑杆与原始滑杆的标志线，以得到被测滑杆的变形情况；基于事先获取滑杆样品测得应力‑发光强度曲线，结合被测滑杆的量子点力致发光强度，得到被测滑杆的平面应力分布情况。本发明能够对滑杆的弯曲应力与变形情况进行无接触检测，且检测结果较为可靠，实用性强。

Description

一种基于力致发光材料检测滑杆弯曲变形、应力的方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，特别是一种基于力致发光材料检测滑杆弯曲变形、应力的方法。

背景技术

传统的运用力致发光材料检测受测物体应力、应变状态，通常是先通过机械应力、应变试验获得该受测物体的应力-应变关系曲线；接着再对涂抹了力致发光材料涂层的受测物体进行载荷-发光强度实验，从而获得对象涂层材料发光强度与载荷的对应关系；最后在正式测试过程中通过测光设备（例如，电荷耦合相机），测得受测物体力致发光强度，将受测物体的发光结果分别对照应力-应变关系曲线和载荷-发光强度关系曲线，从而获得该受测物体的应力与应变情况。

传统方法在受测物体的应力和变形检测领域存在一定局限性：1.当前基于力致发光材料的物体应力检测技术主要应用于简单的拉伸或压缩应力检测，对于其它应力类型，例如切应力与弯曲应力的运用十分有限。2.在物体具有较大变形时，涂层发光强度与应力难以保持较好的线性关系。3.在物体的塑性变形阶段，应力与应变关系通常会发生变化，例如在材料的塑性变形阶段，应力不变时，物体仍会继续发生变形，从而影响检测的准确度。

上述局限性对于使用力致发光材料进行物体应力和变形检测构成了挑战。传统方法往往只能在物体发生简单的变形，例如拉伸、压缩且变形保持在弹性范围内，或者，在仅仅检测物体的应力状态时，才能获得较高的精确度。

在生产生活中，滑杆是一种常见且重要的机械结构元件，它通常用于支承和传递力量，所以对其安全性具有特别要求。在滑杆的运行过程中，由于存在外部力的作用或者机械疲劳、冲击等其他因素，滑杆可能会发生弯曲变形和应力集中等问题。这些问题可能导致滑杆机构发生运动失效、结构损坏等，从而对滑杆的性能和寿命乃至整个机械整体产生不利影响。因此，检测滑杆的弯曲应力和变形具有必要性和重要意义。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种基于力致发光材料检测滑杆弯曲变形、应力的方法，具有非接触式检测、全平面检测、实时检测、适合复杂表面等优点，可以提高滑杆应力、变形检测技术的可靠性和效率。

本发明公开了一种基于力致发光材料检测滑杆弯曲变形、应力的方法，其包括：

步骤1：在原始滑杆表面施加力致发光材料涂层；对滑杆侧面中线处的发光涂层进行破坏处理使其不发光，得到视觉检测的标志线；该标志线为滑杆侧面中线；对原始滑杆进行应力拉伸和压缩试验，以使原始滑杆发生形变；

步骤2：将发生形变后的原始滑杆记为被测滑杆，通过荧光测量系统中的光源照射被测滑杆表面，获取被测滑杆图像并对其进行预处理，以识别出被测滑杆图像中的滑杆；

步骤3：比较被测滑杆中线处的标志线与原始滑杆的标志线，得到被测滑杆的变形情况；

步骤4：基于事先获取滑杆样品测得应力-发光强度曲线，结合被测滑杆的量子点力致发光强度，得到被测滑杆的平面应力分布情况。

进一步地，在所述步骤1中：

量子点和环氧树脂结合后作为被测滑杆的力致发光材料涂层。

进一步地，在所述步骤2中：

荧光测量系统包括光源、滤镜、电荷耦合相机、光谱仪和计算机；

光源为激发光光源；待光源照射被测滑杆表面后，滤镜过滤掉残余激发光，保留量子点的发光；电荷耦合相机获取被测滑杆图像；光谱仪获取被测滑杆应力发光的光谱线，计算机对该光谱线进行处理，得到应力发光的相关参数；相关参数包括强度、频率和波长。

进一步地，在所述步骤2中：

对被测滑杆图像的预处理包括：对被测滑杆图像进行光线不均匀处理，通过高斯函数进行噪声处理，通过边缘检测算子对被测滑杆图像中的被测滑杆进行边缘检测。

进一步地，在所述步骤3中：

采用最小二乘法对原始滑杆的标志线进行函数拟合，得到参考直线；

将被测滑杆的标志线上的点与参考直线上对应的点相减，获得差值，即挠度；

通过滑杆的弯曲变形挠曲线公式，对被测滑杆的标志线上的多个点进行曲线拟合，得到挠曲线；其中，多个点中的每个点的横坐标为x，纵坐标为挠度；

基于挠曲线，计算被测滑杆的变形转角；其中，挠曲线为挠度随x坐标变化的曲线。

进一步地，最小二乘法的公式为：

其中，为拟合误差，/>为原始滑杆的标志线上i点的y坐标值，/>为原始滑杆的标志线的拟合函数i点的y坐标值。

进一步地，计算挠度的公式为：

其中，为挠度值，/>为被测滑杆的标志线i点的y坐标值。

进一步地，所述弯曲变形挠曲线公式为：

其中，EI为弯曲刚度，为弯矩，L为被测滑杆的长度，C和D均为条件系数。

进一步地，所述变形转角的计算公式为：

其中，为转角，/>//>为挠曲线方程的微分。

进一步地，所述步骤4包括：

通过光谱仪检测，事先通过滑杆样品测得应力-发光强度曲线；在对变形滑杆进行应力检测的过程中，获取被测滑杆的量子点力致发光强度，然后将被测滑杆的量子点力致发光强度与事先获得的应力-发光强度曲线进行对照，从而获得被测滑杆的平面应力分布情况。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明通过结合力致发光材料在物体应力状态检测中的优点，以及机器视觉技术在物体表面状态（粗糙度、损伤、变形）检测中的优势，可以实现在物体具有较大变形或复杂变形情况时的应力、变形检测。通过该技术可以实现对滑杆的弯曲应力与变形情况的无接触检测，检测结果具有可靠性与实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种基于力致发光材料检测滑杆弯曲变形、应力的方法的流程示意图；

图2为本发明实施例的涂层标志线概念图；

图3为本发明实施例的图像预处理流程示意图。

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明作进一步说明，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。

针对目前使用力致发光材料进行应力、应变检测的运用现状：1.局限于检测物体弹性变形区域内的应力、应变状态；2.局限于检测物体简单的拉伸或者压缩过程中应力、应变状态，应用范围狭窄。本发明提出了将机器视觉检测变形与力致发光材料检测应力技术相结合的新方法，扩大了基于力致发光材料的物体应力、变形检测技术的运用范围，具有实用性。

参见图1，本发明提供了一种基于力致发光材料检测滑杆弯曲变形、应力的方法的实施例，其首先需要对原始滑杆（未变形）表面施加合适的力致发光材料涂层；然后为了方便后续对变形后的原始滑杆（记为被测滑杆）进行变形检测，需要对滑杆侧面中线处的发光涂层进行破坏处理，从而可以方便地得到视觉检测的标志线；接着为了对物体应力状态进行测量，需要准备力致发光材料光照强度测试系统；为了获得质量较高的图像，需要对电荷耦合相机获得的图像进行处理与图像增强；视觉处理系统分析所采集图像的亮度、颜色、像素点和人工标志位置后，最后通过检测算法对被测滑杆中线处的标志线与原始滑杆的标志线进行比对，得到被测滑杆的变形情况，通过对力致发光材料涂层的光强比较获得被测滑杆的应力状态。

力致发光涂层选择与制备：与其它大多数无机和有机力致发光材料相比较，量子点材料具有很多独特的优势：1.量子点的荧光发光效率和寿命要远远高于大部分稀土发光材料；2.与其它稀土发光材料相较而言，量子点具有可发光的发光波长，可以实现全谱发光；3.与稀土发光材料相比，量子点可以实现高纯色度以及高饱和度的发光，在将其同机器视觉相结合时具有优势。因此，本实施例采用将量子点和环氧树脂结合后作为被测滑杆的力致发光材料涂层。

涂层处理：为了方便后续工作中获得视觉检测的标志线，本方法对滑杆侧面中线处的涂层进行破坏处理，方便利用机器视觉技术实现滑杆弯曲变形状态的检测。常用的破坏量子点发光状态的处理办法主要分为高温破坏处理或者化学处理。高温处理（200℃以上）可以破坏量子点的结构，使其失去发光性质；化学处理（比如采用丙酮、二氯甲烷等）可以破坏量子点表面有机配体的结构，使其失去对量子点的保护作用，从而导致不发光。经过对中线涂层的破坏处理，滑杆侧面中线处将形成一条标志线，如图2所示；在应力作用时，标志线不发光，其周围涂层发光。

力致发光强度检测：量子点发光材料与其它稀土发光材料相似，都需要激光光源作为激发光对其照射后，才能更好地发出荧光，所以需要一个荧光测量系统。荧光测量系统包括光源、滤镜、电荷耦合相机、光谱仪和计算机；光源为激发光光源；待光源照射被测滑杆表面后，滤镜过滤掉残余激发光，保留量子点的发光；电荷耦合相机获取被测滑杆图像；光谱仪获取被测滑杆应力发光的光谱线，计算机对该光谱线进行处理，得到应力发光的相关参数；相关参数包括强度、频率和波长。其中，光源为激发光光源；电荷耦合相机与原始滑杆之间的距离以及曝光时间会影响发光强度检测结果，所以需要将荷耦合相机与原始滑杆之间的距离以及曝光时间保持不变。光谱仪输出应力发光的光谱线，由计算机对光谱线处理，得到应力发光的强度、频率和波长等信息。

图像处理：为了避免采集的图像在变形分析处理时，因为图像质量问题而出现较大的偏差，在图像采集之后需要对其进行预处理，以保证图像的质量。图像预处理流程如图3所示。

图片（被测滑杆图像）光线不均匀处理：可以采用图像加减法对图像的光照、光线不均匀进行处理。图像加减法指的是将两张或者两张以上的图像上的每个像素点进行点对点的加减运算后，得到新图像。简单的图像光线不均匀处理为：1.将读取的原始图像转为灰度图像；2.以此灰度图像生成一个背景图像；3.将原始图像上的像素值减去灰度图像上对应像素点的值，以得到光线不均匀效果图；4.将此效果图反加到原始图像上，以实现去除光线不均匀的效果。

噪声处理（高斯噪声去噪）：采用如下高斯函数对图像进行滤波运算，用一个模板扫描替换原图像（被测滑杆图像）的每一个点，用模板确定的值加权平均替换原图像像素点上的值，以达到去除噪声的效果。函数表达式如下所示。

其中，δ为高斯函数曲线的标准差，为高斯分布函数，x和y表示图像中的像素点同其周围像素点的位置关系。

边缘检测处理：运用边缘检测算子对高斯去噪后的被测滑杆图像中的标志线进行边缘检测。步骤如下：1.计算图像的梯度幅值和方向，计算公式如下所示。

其中，Px（x,y）、Py（x,y）函数分别表示被测滑杆图像中的标志线的边缘数据在x、y方向上的偏导数；M（x,y）表示被测滑杆图像中的标志线的边缘梯度；θ（x,y）表示被测滑杆图像中的标志线的边缘的幅值方向。

2.应用非极大值抑制法细化被测滑杆图像中的标志线的边缘，对边缘点进行筛选，只留下局部变化最大的点；3.通过双阈值处理和边缘链接得到被测滑杆图像中的标志线的边缘图像。

受测物体弯曲变形计算：因为预先破坏了原始滑杆侧面中线处的发光涂层，所以在将采集的力致发光图像经过图像处理和边缘检测以后，可以从采集处理过的图像中得到一条明显的标志线（标志线不发光，对比其周围发光处，形成阴影线）。计算挠度时，需要将被测滑杆的标志线上的点同原始滑杆的参考直线上的对应点进行比较，得到被测滑杆上点的相对位移（挠度）和转角。具体步骤为：

S101：用最小二乘法将原始滑杆上的标志线进行函数拟合，得到参考直线。最小二乘法公式如下所示：

其中，J为拟合误差，为原始滑杆的标志线上i点的y坐标值，/>为原始滑杆的标志线的拟合函数i点的y坐标值；最小二乘法指的是确定一个线性函数，使拟合误差值最小。

S102：在被测滑杆的标志线上取点并将其与参考直线上对应点相减，获得差值，即挠度，其公式为：

其中，为挠度值，/>为被测滑杆的标志线i点的y坐标值。

S103：通过如下的滑杆的弯曲变形挠曲线公式，对被测滑杆的标志线上的多个点进行曲线拟合，得到挠曲线；其中，多个点中的每个点的横坐标为x，纵坐标为挠度；

其中，EI为弯曲刚度，为弯矩，L为被测滑杆的长度，C、D为条件系数。

S104：基于挠曲线，计算出弯曲变形滑杆的变形转角，计算公式为：

其中，θ为转角，dα/dx表示为挠曲线方程的微分。

受测物体平面应力检测包括：

S201：事先对涂有量子点涂层的滑杆样品进行应力拉伸、压缩实验，通过光谱仪对样品涂层力致发光强度进行检测，从而获得滑杆的应力—发光强度曲线。具体为：

先通过滑杆样品测得应力-发光强度曲线；在应力拉伸、压缩实验中，应力是已知的，因此，通过应力与测得的应力发光强度进行对照，就可以获得应力—发光强度曲线；应力-发光强度曲线是在正式测量过程之前，通过滑杆样品测出来的。

S202：在正式的对变形滑杆进行应力检测的过程中，按照同样的方法得到变形滑杆的量子点力致发光强度，然后将变形滑杆的涂层发光强度测试结果同S201获得的应力-发光强度曲线进行对照，就可以获得被测滑杆的平面应力分布情况。

其中，同样的方法是指具体实施方法中的力致发光强度检测的方法，S201中滑杆样品的力致发光强度也是用这个办法获得的；

在正式的变形滑杆（被测滑杆）应力检测过程中，只检测力致发光强度，然后将其与S201获得的应力-发光曲线进行对照。

通过涂层检测应力的方法，还可以对被测物体表面是否具有缺陷或者裂纹进行检测。

本发明独特的创新点在于：将力致发光材料与机器视觉技术结合，实现了对物体的变形情况和应力状态的检测。这种结合使力致发光材料被广泛应用于物体的非接触式检测领域，为工业领域的结构健康监测、材料评估等提供了一种高效、可靠的解决方案。本方法扩大了基于力致发光材料的物体应力、变形检测技术的运用范围，也扩大了基于机器视觉进行图像检测的运用场景，实用性强。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于力致发光材料检测滑杆弯曲变形、应力的方法，其特征在于，包括：

步骤1：在原始滑杆表面施加力致发光材料涂层；对滑杆侧面中线处的发光涂层进行破坏处理使其不发光，得到视觉检测的标志线；该标志线为滑杆侧面中线；对原始滑杆进行应力拉伸和压缩试验，以使原始滑杆发生形变；

步骤2：将发生形变后的原始滑杆记为被测滑杆，通过荧光测量系统中的光源照射被测滑杆表面，获取被测滑杆图像并对其进行预处理，以识别出被测滑杆图像中的滑杆；

步骤3：比较被测滑杆中线处的标志线与原始滑杆的标志线，得到被测滑杆的变形情况；

步骤4：基于事先获取滑杆样品测得应力-发光强度曲线，结合被测滑杆的量子点力致发光强度，得到被测滑杆的平面应力分布情况。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中：

量子点和环氧树脂结合后作为被测滑杆的力致发光材料涂层。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤2中：

荧光测量系统包括光源、滤镜、电荷耦合相机、光谱仪和计算机；

光源为激发光光源；待光源照射被测滑杆表面后，滤镜过滤掉残余激发光，保留量子点的发光；电荷耦合相机获取被测滑杆图像；光谱仪获取被测滑杆应力发光的光谱线，计算机对该光谱线进行处理，得到应力发光的相关参数；相关参数包括强度、频率和波长。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤2中：

对被测滑杆图像的预处理包括：对被测滑杆图像进行光线不均匀处理，通过高斯函数进行噪声处理，通过边缘检测算子对被测滑杆图像中的被测滑杆进行边缘检测。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤3中：

采用最小二乘法对原始滑杆的标志线进行函数拟合，得到参考直线；

将被测滑杆的标志线上的点与参考直线上对应的点相减，获得差值，即挠度；

通过滑杆的弯曲变形挠曲线公式，对被测滑杆的标志线上的多个点进行曲线拟合，得到挠曲线；其中，多个点中的每个点的横坐标为x，纵坐标为挠度；

基于挠曲线，计算被测滑杆的变形转角；其中，挠曲线为挠度随x坐标变化的曲线。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，最小二乘法的公式为：

其中，为拟合误差，/>为原始滑杆的标志线上i点的y坐标值，/>为原始滑杆的标志线的拟合函数i点的y坐标值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，计算挠度的公式为：

其中，为挠度值，/>为被测滑杆的标志线i点的y坐标值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述弯曲变形挠曲线公式为：

其中，EI为弯曲刚度，为弯矩，L为被测滑杆的长度，C和D均为条件系数。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述变形转角的计算公式为：

其中，为转角，/>//>为挠曲线方程的微分。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4包括：

通过光谱仪检测，事先通过滑杆样品测得应力-发光强度曲线；在对变形滑杆进行应力检测的过程中，获取被测滑杆的量子点力致发光强度，然后将被测滑杆的量子点力致发光强度与事先获得的应力-发光强度曲线进行对照，从而获得被测滑杆的平面应力分布情况。