[发明专利]基于数字图像关联性的面外应变测量方法

摘要

本发明属于复合材料应力应变测量技术领域，提供了基于数字图像关联性的面外应变测量方法。该方法首先根据实验方案开展试验，而且为保证镜头与试件之间的距离保持不变，需将相机和力传感器关联，让它们同时运动，对试件缓慢加载，同时按下相机快门，试验过程中相机快门一直未松开，直至加载结束。试验结束后，获得变形前后的图像与试验数据，编写算法进行计算搜索变形后的点的位置，从而获得试件的变形信息（位移和应变），通过划分区域进行双线性插值得到试件任意一点的应变值，最后根据应变值的正负和大小设置颜色的深浅便得到了试件的应变云图。该方法操作方便，而且可以适用于较复杂结构的变形测量中，提高了计算效率也扩大了适用范围。

主权项

1.一种基于数字图像关联性的面外应变测量方法，其特征在于，步骤如下：第一步：进行复合材料压缩试验件的变形试验以获取试验数据以及样件变形前后的图片；制作压缩试验件的人工散斑：在制作散斑时尽量保证散斑分布的随机性，由于使用的复合材料压缩试验件为碳纤维复合材料，在制作散斑时喷涂的是白色的漆，并标记好需要施加载荷的承力点的位置；在复合材料压缩试验件表面选择几处位置粘贴应变片以记录在加载过程中试验件发生的应变；实验设备的搭建：将试验件通过铝片和螺钉固定在试验台上，将制作人工散斑的表面朝上，用磁力吸座夹持激光传感器，先确定激光传感器能测量的范围，调整磁力吸座的高度，并将光源对准事先标记好的施加载荷的承力点，将磁力吸座通过脚架固定在铝型材上，将力传感器的导轨先固定在试验台上，移动导轨使力传感器的加载头对准试验件上标记好的承力点，最后将相机固定在三脚架上，调整云台使相机镜头对准试验件的散斑部分，并调整好焦距，准备开始试验，考虑到试验件在压缩过程中，试验件与相机镜头的距离随着压缩距离的增大而增大，因此，将相机与力传感器的加载头夹持装置关联使它们同步移动，保证在测量过程中不会因为实验装置本身的误差造成实验结果的不准确；在调整相机的过程中需保证相机能拍摄到的图片体现力传感器以及位移传感器的读数；开始进行试验：对试验件进行缓慢加载，相机在试验开始时同时按下快门键，一直连拍直至加载结束；试验完成后对拍摄的试验件压缩变形前后的图片进行处理，记录下来拍摄的每张图片对应的力传感器的读数和位移传感器的读数，之后对图片进行裁剪以保证图片的质量，将每张图片都裁剪成相同的像素大小，并根据拍摄的前后顺序进行编号，以便后续的计算和处理；第二步：编写相关算法以搜索变形前后的点，从而计算试验件全场的位移和应变，进而输出应变云图；将变形前后的图片导入算法执行界面，实现点击鼠标左键能读出鼠标点击处的灰度值以及相对于屏幕的绝对坐标，然后点击鼠标右键，开始搜索鼠标左键点击点变形后的点的位置，搜索的依据是变形前后子区灰度值不变，具体如下：获取鼠标左键点击处的绝对坐标值（x1，y1）和灰度值Grey，并显示在执行界面的编辑框中，然后计算该点相邻的上下左右四个点的灰度平均值作为变形前图像子区的灰度平均值Grey1；具体公式如下：      （1）其中，Grey11是鼠标左键点击点的上侧相邻点，Grey12是鼠标左键点击点的下侧相邻点，Grey13是鼠标左键点击点的左侧相邻点，Grey14是鼠标左键点击点的右侧相邻点；以变形后的图像中鼠标左键点击点对应的坐标点（x_2，y_2），为遍历范围（20*20）的中心，x_2为变形后的图片中坐标与变形前图片鼠标点击点相同的参考点的横坐标，y_2为变形后的图片中坐标与变形前图片鼠标点击点相同的参考点的纵坐标；在x_2‑10~ x_2+10以及y_2‑10~ y_2+10这些点的子区进行子区灰度平均值Grey2的计算，遍历找到Grey1和Grey2差值最小的子区中心点作为变形后的点（x2，y2），将X=x2‑x1，Y=y2‑y1作为变形的位移显示在执行界面的编辑框中；将试验件分为六个区域，计算组成这六个区域的十二个边界点（边界点总共分为四行三列，四个为一组，组成一个区域，组成的六个区域有三行两列）的应变，具体计算公式如下：                （2）其中是试件的变形量，L是试件的总长度，є是指该点的应变；针对每一区域组成该区域的四个边界点对区域内的任意一点进行双线性插值，从而得到区域内任意一点的应变，双线性插值的具体计算方法如下：①先在X方向进行线性插值，具体计算如下：        （3）其中为区域左下方边界点的横坐标，为区域右下方边界点的横坐标，、、、分别代表坐标、、、这几个边界点的应变值，为区域内任意一点的横坐标；②再在Y方向进行线性插值，得到：          （4）整理得到最终的结果：（5）得到区域内任意一点的应变值；第三步：将正应变设置为红色，负应变设置为蓝色，零应变设置为绿色，而且根据应变值的大小设置颜色的深浅，通过数字图像处理得到变形前后的应变云图。