机械视觉疲劳裂纹扩展试验裂纹长度动态测量方法技术

一种基于机械视觉技术的疲劳裂纹扩展试验裂纹长度动态测量方法，步骤如下：步骤1：机械视觉裂纹测量系统标定；步骤2：开始疲劳试验，在正弦交变载荷的作用下，带有预制裂纹的试件开始沿预制裂纹方向产生疲劳裂纹并扩展；步骤3：采集裂纹图像，此处疲劳裂纹扩展试验有两种图像采集模式，采集试件单面图像或采集试件双面图像；步骤4：对所采集图像进行增强处理；步骤5：通过图像分析、裂纹识别的方法识别出裂纹主干位置，包括裂纹顶点和裂纹扩展方向；步骤6：计算实际裂纹扩展长度和计算裂纹长度。本发明专利技术简化过程、降低劳动量、可直观精确地观测记录裂纹扩展过程、精确测量国际标准规定的计算裂纹长度、测量精度高、系统抗干扰性好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种疲劳裂纹扩展试验裂纹长度測量方法。
技术介绍
金属疲劳裂纹扩展试验是一种通过实时测量试件在设定交变载荷作用下所产生疲劳裂纹的长度来研究金属材料疲劳断裂特性的一种测试方式，目前主要的疲劳裂纹扩展试验形式是国际标准规定的带有预制裂纹的C(T)紧凑拉伸试验和三点弯曲裂纹扩展试验，在这种情况下，在设定交变载荷作用下疲劳裂纹基本沿着预制裂纹的方向直线延伸，其它的非标准疲劳裂纹扩展试验也基本上是这种形式，只是试件的形状和尺寸有所变化。 疲劳裂纹的萌生和扩展是一个复杂而缓慢的非线性演化过程，传统的显微镜法检测往往全部由人工来完成或大部分环节需要人工參与，不仅工作效率低，而且易受到检测人员主观因素的影响，不能保证裂纹检测的效率与精度，已经不能满足试验的要求。目前疲劳裂纹长度自动检测方法主要有柔度法、电位法、声发射法、基于图像处理技术的视频检测方法及光纤传感检测等方法。柔度法和电位法是两种传统的裂纹长度自动检测方法。柔度法是ー种采用各种引伸仪或涡流位移传感器来测量试件的COD (裂纹缺ロ张开位移)从而来測量疲劳裂纹长度的方法，其测试精度低，传感器安装要求高，动态响应慢，一般情况下应用在低周疲劳试验机上，但高频疲劳试验机检测疲劳裂纹也会采用这种方法,如德国ZWICK公司的AMSLER100HFP5000和美国QUALITEST公司的产品Testronic，但其測量精度低，可靠性差。电位法是利用测量电位分布的方法来判断金属材料中裂纹的状况，可应用在高、低频疲劳试验机上。但测量精度受金属表面、环境、温度影响较大，测试精度不高。而且此方法为非可视的测试方法，根据国家标准規定，试验过程中，必须定时采用可视方法进行校核。声发射技术是20世纪60年发展起来的一种评价材料力学性能的无损检测方法。由于机械零件在受カ状态下产生裂纹和裂纹扩展时往往伴随着声发射现象的出现，因此采用声发射技术对疲劳裂纹进行检测已是裂纹检测的一个新的方向，特别是声发射能检测到零件内部裂纹的萌生扩展情況，目前国内外均有研究声发射检测裂纹的机理、信号辩识极其应用研究。如清华大学机械工程系在进行“基于声发射技术的金属高频疲劳监测”的研究，四川大学制造学院在进行基于模态声发射理论的检测技术的研究。但由于理论和技术的不成熟，实际工程应用不多。基于机械视觉技术的裂纹在线检测方法，可以直观、精确、实时地完成裂纹的检测和进ー步的分析处理，是新的疲劳裂纹扩展速率检测国家标准推荐的微小裂纹检测方法，目前国外已有相关的研究与应用，而国内此方面的研究与报道相对较少。此方法的一大特点是可直观地检测与显示裂纹形状、裂纹发展的进程，省掉了标定与校核的过程，对整个试验过程有据可查，反复观察和分析；另ー特点是可高精度检测微小裂纹，从工程应用和发展的角度来开，测试含有微裂纹试件的力学性能非常重要，通过测试过程可掲示疲劳裂纹发展、扩大直至试件断裂的力学規律。基于图像处理技术的裂纹在线測量方法通过图像采集、处理、分析计算，在线测量出裂纹长度尺寸，其中采集到完整、清晰、分辨率高的图像是图像法測量系统最基本的一个环节，疲劳裂纹扩展试验裂纹图像的采集是一个动态采集过程，随着疲劳试验的进行疲劳裂纹萌生并缓慢扩展，可在摄像头固定的情况下选择合适的镜头和CCD，使扩展的裂纹一直处在视场内，这样一次性采集包含整条裂纹的图像，然后进行分析处理。如要高精度測量裂纹扩展尖端区域的尺寸，可采用专利《疲劳裂纹扩展试验裂纹图像采集方法及装置》所提供的方法，在疲劳裂纹扩展过程中摄像头跟踪疲劳裂纹尖端并在精确定位的情况下采集裂纹图像，根据相应的精确控制下摄像头移动的距离进行不同时刻所采集裂纹图像的拼接得到包含整条裂纹的试件图像，得到包含整条裂纹的试件图像后采用本方法对图像进行处理分析计算出裂纹的实际裂纹长度和扩展方向及疲劳裂纹扩展试验国家标准(GB/T6398-2000.金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法国家标准)规定的计算裂纹长度。实际裂纹长度既沿裂纹扩张方向的裂纹长度，疲劳裂纹扩展试验标准规定的计算裂纹长度是指与 实际裂纹相当的直前缘裂纹长度，即从裂纹顶点到垂直于预制裂纹方向的标准线的垂直距离减去预制裂纹的长度。一般的情况下，如果试件材料热处理均匀、加工完全满足要求，试件安装加载对中、垂直的情况下，疲劳裂纹基本沿着预制裂纹的方向直线延伸，计算裂纹长度等于实际裂纹长度，但实际情况裂纹扩展总会多少偏离预制裂纹方向，如果疲劳裂纹扩展方向偏离预制裂纹方向小于规定角度时，国家标准规定试验是有效的，但此时计算裂纹长度不等于实际裂纹长度，现在通用的疲劳裂纹测量方法基本都是用实际裂纹长度来代替计算裂纹长度进行材料断裂特性的分析。
技术实现思路
为了克服已有疲劳裂纹扩展试验裂纹长度动态测量方法的过程繁琐、劳动量大、精度低、抗干扰性较差、裂纹扩展过程不能直观精确地观测记录、国际标准规定的计算裂纹长度无法精确测量的不足，本专利技术提供ー种简化过程、降低劳动量、精度高、抗干扰性良好、可直观精确地观测记录裂纹扩展过程、精确计算国际标准规定的计算裂纹长度的基于机械视觉技术的疲劳裂纹扩展试验裂纹长度动态测量方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是一种基于机械视觉技术的疲劳裂纹扩展试验裂纹长度测量方法，所述测量方法的步骤如下步骤I :机械视觉裂纹测量系统标定，具体步骤如下(I. I)将加工好的标定试件按要求进行安装，通过计算机发命令给运动控制器，运动控制器控制摄像头运动平台带动摄像头沿设定路线运动至每个标定点；(1.2)采集标定试件图像，依次求取标定点的亚像素定位坐标；(I. 3)求取水平标定线段的亚像素长度，并将其相对应的尺寸输入，并将此标定数据储存于数据文件内；(I. 4)求取垂直标定线段的像素长度，并将其相对应的尺寸输入，并将此标定数据储存于数据文件内；步骤2 :开始疲劳试验，计算试件疲劳次数N，控制试验载荷为所设定数值，所述试验载荷包括正弦交变载荷的最大载荷，最小载荷及平均载荷，在此正弦交变载荷的作用下，带有预制裂纹的试件开始沿预制裂纹方向产生疲劳裂纹并扩展；步骤3 :采集裂纹图像，此处疲劳裂纹扩展试验有两种图像采集模式，采集试件单面图像和采集试件双面图像；步骤4 :对所采集图像进行处理增強，图像处理增强图像灰度拉伸、中值滤波去噪和边缘强化进行；步骤5 :通过图像分析、裂纹识别的方法识别出裂纹主干位置，包括裂纹顶点和裂纹扩展方向；具体步骤如下 (I)采用自适应的多阈值分割法来实现裂纹图像的ニ值化；(2)采用单连接区域增长技术，利用裂纹像素的幅度和方向，以左边界线为起点向右边界生长，将具有相似性的像素点连接起来；( 3 )将连接后的裂纹骨架化；(4)采用压缩编码的方法将骨骼化后裂纹ニ值图像单根宽度为I个像素的裂纹，将裂纹图像转换为保存裂纹点位置的ニ维数组；( 5 )解码恢复细化后的图像；步骤6 :裂纹尺寸、方向測量，裂纹长度測量包括沿裂纹扩展方向的实际裂纹长度測量和国家标准规定的计算裂纹长度，实际裂纹长度及裂纹扩展方向測量方法为对通过步骤4、5得到的裂纹主干进行最小二乗法拟合得到裂纹扩展直线，计算裂纹扩展直线长度既实际裂纹长度，求拟合后裂纹直线和预制裂纹方向线的夹角得到裂纹扩展方向；计算裂纹长度的測量方法为在主机上下夹具严格对心本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于机械视觉技术的疲劳裂纹扩展试验裂纹长度测量方法，其特征在于 所述测量方法的步骤如下 步骤I:机械视觉裂纹测量系统标定，具体步骤如下 (I. I)将加工好的标定标准试件按要求进行安装，通过计算机发命令给摄像头运动控制器，运动控制器控制摄像头运动平台带动摄像头沿设定路线运动至每个标定点； (I. 2)采集标定试件图像，依次求取标定点的亚像素定位坐标； (1.3)求取水平标定线段的亚像素长度，并将其相对应的尺寸输入，并将此标定数据储存于数据文件内； (1.4)求取垂直标定线段的像素长度，并将其相对应的尺寸输入,并将此标定数据储存于数据文件内； 步骤2 :开始疲劳试验，计算试件疲劳次数N，控制试验载荷为所设定数值，所述试验载荷包括正弦交变载荷的最大载荷，最小载荷及平均载荷，在此正弦交变载荷的作用下，带有预制裂纹的试件开始沿预制裂纹方向产生疲劳裂纹并扩展； 步骤3 :采集裂纹图像，此处疲劳裂纹扩展试验有两种图像采集模式，采集试件单面图像或采集试件双面图像； 步骤4 :对所采集图像进行处理增強，图像处理增强通过图像灰度拉伸、中值滤波去噪和边缘强化进行； 步骤5 :通过图像分析、裂纹识别的方法识别出裂纹主干位置，包括裂纹顶点和裂纹扩展方向；具体步骤如下 (5. I)采用自适应的多阈值分割法来实现裂纹图像的ニ值化； (5. 2)采用单连接区域增长技术，利用裂纹像素的幅度和方向，以左边界线为起点向右边界生长，将具有相似性的像素点连接起来； (5.3)将连接后的裂纹骨架化； (5. 4)采用压缩编码的方法将骨骼化后裂纹ニ值图像细化为单根宽度为I个像素的裂纹图像，将裂纹图像转换为保存裂纹点位置的ニ维数组； (5. 5)解码恢复细化后的图像； 步骤6:裂纹尺寸、方向測量，裂纹长度測量包括沿裂纹扩展方向的实际裂纹长度測量和国家标准规定的计算裂纹长度，实际裂纹长度及裂纹扩展方向測量方法为对通过步骤·4、5得到的裂纹主干进行最小二乗法拟合得到裂纹扩展直线，计算裂纹扩展直线长度既实际裂纹长度，求拟合后裂纹直线和预制裂纹方向线的夹角得到裂纹扩展方向；计算裂纹长度的測量方法为在主机上下夹具严格对心的情况下，通过试件、夹具的加工和安装保证夹具左边界和夹具的中心线严格平行，同时使试件加力线和夹具的中心线重合，采用图像上可见的夹具左边界为计算裂纹长度測量基准线，进行基准线的精确定位和裂纹顶点到基准线的垂直距离的计算，然后根据相应公式计算出实际计算裂纹的长度；具体步骤如下 (6. I)采用基于1/4亚像素技术的方法进行标准线边缘精确定位； (6. 2)采用基于1/4亚像素技术的方法求得裂纹顶点到标准线的垂线； (6.3)采用基于1/4亚像素步长搜索的方法求得标准线和裂纹顶点到标准线的垂线的交点； (6. 4)计算裂纹顶点到标准线的像素垂直距离；(6.5)根据步骤I得到的标定文件将其转换为真实长度； (6. 6)计算实际计算裂纹的长度，裂纹顶点到标准线的垂直距离减去1/2夹具宽度和预制裂纹顶点到加力中心线的距离就等于计算裂纹的长度； (6.7)对步骤5得到的裂纹主干进行最小二乗法拟合裂纹扩展直线； (6. 8)求拟合后裂纹直线和预制裂纹方向线的夹角。2.如权利要求I所述的ー种基于机械视觉技术的疲劳裂纹扩展试验裂纹长度测量方法，其特征在于，所述测量方法还包括 步骤7 :对裂纹扩展状态进行判断，如裂纹扩展不满足试验条件，既疲劳裂纹扩展方向偏离预制裂纹方向大于规定角度或试件两面裂纹长度尺寸之差大于规定数值，则停止试验，如裂纹扩展满足试验条件记录试验数据，生成疲劳裂纹扩展曲线a-N及疲劳裂纹扩展曲线da-dN ； 步骤8 :裂纹扩展试验完成后进行综合数据分析。3.如权利要求I或2所述的ー种基于机械视觉技术的疲劳裂纹扩展试验裂纹长度测量方法，其特征在于所述步骤4中，图像灰度拉伸采用分段线性变换函数法增加图像的对比度，变换函数通过对图像的灰度分析并通过多次实验获得，中值滤波去噪即可消除噪声又可保留裂纹细节，边缘强化采用基于垂直方向增强模版的Sobel算子进行边界边缘强化。4.如权利要求I或2所述的ー种基于机械视觉技术的疲劳裂纹扩展试验裂纹长度测量方法，其特征在于所述步骤(5. I)中，采用自适应的多阈值分割法来实现裂纹图像的ニ值化过程为 步骤5. I. I :确定目标区域R0I，根据裂纹扩展规律，裂纹在整个过程中所在的位置比较固定，沿试件水平中间区域近乎直线扩展，所以采用选取固定的ROI 步骤5. I. 2 :把选定区域图像分成MxN个子图像；其中被分割的子图像的个数选取的原则是使每个子图像内的亮度分布近似于均匀 步骤5. I. 3 :计算每个子图像的方差，确定不包含裂纹和背景间边界的子图像的方差范围及包含裂纹和背景间边界的子图像的方差范围 步骤5. I. 4 :将所有不包含裂纹和背景间边界的子图像像素值设为255步骤5. 1.5 :对所有包含裂纹和背景间边界的子图像进行直方图分析，计算阈值，基于图像直方图分析的试探性迭代方法 步骤5. I. 6 :进行所有子图像分割区域的逻辑并，就是图像分割后的最后結果。5.如权利要求I或2所述的ー种基于机械视觉技术的疲劳裂纹扩展试验裂纹长度测量方法，其特征在于所述步骤(5. 2)中，把两个像素看成是连接图中的ー个节点，把单个像素在空间与其它相邻像素的特性进行比较，将特性足够相似的相邻像素连接起来，从而进行区域的增长；裂纹像素之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：高红俐，齐子诚，吴丽华，王建淼，邵新阳，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：