CN106323748A - 一种用于碳纤维复丝应变测量和力学性能表征的非接触视频测量*** - Google Patents
一种用于碳纤维复丝应变测量和力学性能表征的非接触视频测量*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于碳纤维复丝拉伸应变测量的非接触视频测量***，包括数字相机(12)、双远心成像***(4)、单色光源(10)、与单色光源波长对应的带通滤波片(9)、机械支撑调节平台(5)、和计算机(8)。该视频测量***可对碳纤维复丝的拉伸应变进行非接触、实时、高精度测量；由于其非接触测量特性，不必考虑传统接触式应变测量中引伸计刀口对试验件的损坏以及引伸计自身重量引起的试验件侧向载荷，可由一次实验测量试样的多个力学参量。
Description
技术领域
本发明涉及高性能纤维材料测试技术领域，尤其是一种基于数字图像相关方法并用于碳纤维复丝拉伸应变测量的非接触视频测量***。
背景技术
碳纤维是高性能纤维增强材料的典型代表，在国防和国民经济领域有着重要而广泛的应用。碳纤维复丝是由多根碳纤维单丝并合而成的丝束，是碳纤维产品的主要形式之一，将其与树脂浸渍并固化得到试样，测试其拉伸性能，是评价碳纤维级别和质量的最重要指标之一。目前在对碳纤维复丝拉伸性能的测试实验中，应变测量工具主要为接触式引伸计。为了防止在拉伸过程中引伸计刀口与碳纤维复丝之间出现相对滑移，通常需要施加一定的压力将刀口紧压在试验件表面。不同于金属类的试验件，碳纤维复丝试验件体积小(通常直径在1mm左右)、重量轻且属于脆性材料，锋利的刀口很容易对试验件造成一定的损伤，进而改变复丝试验件的破坏点，降低试验件强度；另外，刀口自身的重量会引起试验件表面变形等原因使得应变测量精度降低。
碳纤维复丝拉伸性能测试中通常需获得拉伸弹性模量、拉伸强度和断裂伸长率等参数。引伸计锋利的刀口对后两者的测量影响尤为显著，故这两个力学参量的测量通常需要在没有安装过引伸计的试验件进行，也就是说，一个完整的碳纤维复丝拉伸性能测试通常需要两组单独的实验确定，一组测试弹性模量，一组测试强度。另一方面，碳纤维复丝试样拉伸断裂时，属于瞬时崩散形式，若用引伸计测量伸长率将对引伸计产生损坏，导致无法直接测量试验件破坏时的伸长率，常用表观伸长率代替断裂伸长率，结果的准确性受到较大影响。
由于传统的接触式测量方法存在着以上缺点，发展非接触的测量方法成为必然趋势。在众多的非接触测量方法中，光测方法由于其易于实现和灵敏度高等优点得到了广泛的应用。
目前常见的光测力学方法有云纹干涉法、电子散斑干涉法和数字图像相关方法等。基于相干光波干涉原理的云纹干涉法和电子散斑干涉法的位移测量灵敏度非常高(可达波长量级)，且具有测量结果直观可视的优点，但这两种方法的测量光路复杂且不适用于碳纤维复丝试验件的应变测量。云纹干涉法的实现需要在试件表面贴衍射光栅，而电子散斑干涉法则要求试件表面为光学粗糙面，显然都不适用于体积小，表面为光滑树脂的碳纤维复丝试样。相比之下，采用白光或单色光照明的数字图像相关方法则更适合于碳纤维复丝的应变测量。这主要是因为基于数字图像处理和数值计算的数字图像相关方法具有以下两个特殊优势：(1)仅需一个数字相机，光路、实验设备和实验过程简单；(2)采用白光或单色光照明，只需在试件表面喷涂散斑以增加随机灰度分布。
发明内容
为了解决现有碳纤维复丝拉伸应变测量技术存在的上述问题，本发明提出了一种基于数字图像相关的实时高精度非接触视频测量***，避免了传统方法中机械引伸计刀口或夹头对碳纤维复丝试验件力学性能的影响，操作简单，易于实现且精度高。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种高精度视频测量***包括双远心成像***、机械支撑调节平台、单色光源、与单色光源波长对应的窄带通滤波片、数字相机、三角支架、计算机；双远心成像***用于采集碳纤维复丝试验件表面的清晰图像；机械支撑调节平台用于支撑双远心成像***，通过调节机械支撑调节平台能够实现空间中三个方向，三个角度共六个自由度的调节，从而调节双远心成像***的光轴与试验件表面待测区域垂直，并获得高清晰度和对比度的图像；单色光源用于产生高强度的单色光照射试验件表面，经试验件表面反射进入相机；与单色光源对应的窄带通滤波片用于过滤掉其他波长的光线，仅仅保留与单色光源波段对应的光线，从而降低外界光线对采集到图像的影响；数字相机用于采集图像，并将采集到的图像实时传输到计算机；三角支架用于支撑双远心成像***，同时还能够对双远心成像***的高度进行粗调；计算机用于处理由相机采集到的图像数据和力学试验机传输的载荷数据，将得到的试验件实时载荷-应变曲线实时显示在计算机的显示器上。
进一步，所述单色光源为环形光源。
进一步，所述双远心成像***包括数字相机，双远心镜头，单色光源，与光源波长对应的窄带通滤波片。
进一步，所述的应变计算方法为基于数字图像相关(Digital ImageCorrelation,DIC)的方法。数字图像相关利用计算机视觉原理，通过对加载过程中的试验件表面的视频图像里两个或多个特征点的位置进行追踪，实时计算出标距段的当前实际长度后(L)，对比标距的实际长度和原始长度(L0)即可得出试验件的实时应变((L-L0)/L0)。
一种用于碳纤维复丝拉伸应变测量非接触视频测量方法：
1)在已浸胶并固化的碳纤维复丝试验件表面喷涂散斑，将试验件固定到试验机的拉伸夹具上，此时应保持上下夹具与试验件中心线重合，避免出现斜拉现象；
2)在双远心镜头前安装窄带通滤波片，用单色环形光源对试验件进行主动照明，并调整相机使图像清晰；
3)对试验件施加初始载荷(约为破坏载荷的5％)，当载荷达到预加载设计设定值后，启动数字图像采集单元实时采集试验件的图像，并在初始载荷的参考图像中定义标距、计算点以及计算图像子区；
4)试验机载荷继续增大，此时，试验机的加载数据和相机采集到的图像数据实时传输到计算机平台，利用数字图像相关方法实时计算标距的应变后，将应力-应变曲线数据输出、记录、显示，直至试验件破坏；
5)计算机由应力-应变曲线初始直线段计算碳纤维复丝拉伸弹性模量，并根据试验件破坏瞬间的载荷和应变值直接得到拉伸强度和断裂伸长率，并将数据处理结果显示和保存。
为了给试件表面提供足够的灰度变化信息，通常需要通过喷涂黑白漆或其他方法制作散斑。
本发明的有益效果为：
1、采用了双远心成像***，双远心镜头畸变较小，对离面位移不敏感，能够提高采集到的图像质量，进而确保了应变测量精度。
2、采用了环形光源，其提供了不同照射角度，亮度均匀，成像清晰，并有助于提高结构设计的紧凑性和节省***安装空间。
3、和传统的接触式引伸计测量相比，本发明避免了引伸计与碳纤维复丝试验件接触导致试验件表面损伤和附加变形，大大提高了应变测量精度。
4、和传统的接触式引伸计测量相比，本发明利用数字图像相关方法进行特征点的位移追踪，避免了刀口滑移等造成的测量误差，能够在保持高效率的同时得到更精确的应变计算结果。
5、和传统的接触式引伸计测量相比，本发明能够实现大应变的测量，直接测量碳纤维复丝的断裂伸长率，而不需采用表观伸长率代替。
6、和传统的接触式引伸计测量相比，通过单次实验即可确定每根碳纤维复丝试样的拉伸弹性模量、拉伸强度和断裂伸长率等多个力学参量。
7、和传统的接触式引伸计测量相比，增加了测量***和力学试验机同步功能，利用数字图像相关方法处理相机采集到的图像数据后，将应力-应变曲线数据实时显示到计算机屏幕上，输出并记录。
8、和传统的接触式引伸计测量相比，计算机由应力-应变曲线初始直线段计算碳纤维复丝拉伸弹性模量，并根据试验件破坏瞬间的载荷和应变值直接得到拉伸强度和断裂伸长率，并不需要手动进行数据后处理。
在碳纤维复丝试验件表面制作散斑后，用材料力学试验机夹持试验机，将视频测量***放置在试验机正前方合适距离，采用单色环形光源主动照明试验件，使数字相机能对试验件表面散斑图像进行清晰成像。在加载前的试验件表面图像上选择两个或多个计算点，以及合适的计算区域，随后利用试验机对试验件施加拉伸载荷直至试样破坏，加载过程中数字相机实时采集试验件表面图像，利用数字图像相关方法实时跟踪各计算点在当前视频图像中的位置，从而对标距的拉伸应变进行高精度实时测量，结合试验件载荷数据可计算碳纤维复丝的拉伸模量、断裂伸长率等性能参数。本发明所建立的非接触视频测量***，采用与力学试验机同步的设计，由应力-应变曲线初始直线段计算拉伸弹性模量，由最终拉伸断裂时刻的应变得到断裂伸长率。另外，由于其非接触测量特性，不必考虑传统接触式应变测量中引伸计刀口对试验件的损坏以及引伸计自身重量引起的试验件侧向载荷，可由一次实验测量试样的多个力学参量。
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，下面将对实施例或现有技术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是本发明的结构示意图；
图2是双远心成像***结构示意图；
图中：1、试验件；2、夹具；3、力学试验机；4、双远心成像***；5、机械支撑调节平台；6、非接触视频测量***；7、三角支架；8、计算机；9、与单色光源波长对应的窄带通滤波片；10、单色光源；11、双远心镜头；12、相机。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种用于碳纤维复丝拉伸应变测量的非接触视频测量***，该***包括双远心成像***4、机械支撑调节平台5、单色光源10、与单色光源波长对应的窄带通滤波片9、数字相机12、三角支架7、计算机8；双远心成像***4用于采集碳纤维复丝试验件1表面的清晰图像；机械支撑调节平台5用于支撑双远心成像***4，通过调节机械支撑调节平台5能够实现空间中三个方向和三个角度共六个自由度的调节，从而调节双远心成像***4的光轴与试验件1表面待测区域垂直，并获得高清晰度和对比度的图像；单色光源10用于产生单色光照射到试验件1表面，经试验件1表面反射进入相机12；与单色光源对应的窄带通滤波片9用于过滤掉其他波长的光线，保留与单色光源10波段对应的光线，从而降低外界光线对采集到图像的影响；相机12用于采集图像，并将采集到的图像实时传输到计算机8；三角支架7用于支撑双远心成像***4，同时还能够对双远心成像***4的高度进行粗调；计算机8用于处理由相机12采集到的图像数据和万能试验机3传输的载荷数据，将得到的试验件1实时载荷-应变曲线实时显示在计算机8的显示器上。
实施例一
一种用于碳纤维复丝拉伸应变测量的非接触视频测量***，包括：双远心成像***4、机械支撑调节平台5、单色光源10、与单色光源波长对应的窄带通滤波片9、相机12、三角支架7、计算机8；双远心成像***4用于采集碳纤维复丝试验件1表面的清晰图像；机械支撑调节平台5用于支撑双远心成像***4，通过调节机械支撑调节平台5能够实现空间中三个方向和三个角度共六个自由度的调节，从而调节双远心成像***4的光轴与试验件1表面待测区域垂直，并获得高清晰度和对比度的图像；单色光源10用于产生单色光照射到试验件1表面，经试验件1表面反射进入相机12；与单色光源对应的窄带通滤波片9用于过滤掉其他波长的光线，保留与单色光源10波段对应的光线，从而降低外界光线变化对采集到的图像的影响；相机12用于采集图像，并将采集到的图像实时传输到计算机8；三角支架7用于支撑双远心成像***4，同时还能够对双远心成像***4的高度进行粗调；计算机8用于处理由相机12采集到的图像数据和万能试验机3传输的载荷数据，将得到的试验件1实时载荷-应变曲线实时显示在计算机8的显示器上。
具体操作方法如下：
1)在碳纤维复丝试验件1表面喷涂散斑，将试验件1固定到试验机3的拉伸夹具2上，此时应保持上下夹具2与试验件1中心线重合，避免斜拉现象的出现；
2)在双远心镜头11前安装窄带通滤波片9，用单色环形光源10对试验件1进行主动照明，并调整相机12使图像清晰；
3)对试验件1施加初始载荷(约为破坏载荷的5％)，当载荷达到预加载设计设定值后，启动数字图像采集单元实时采集试验件的图像；
4)试验机3载荷继续增大，此时，试验机3的加载数据和相机12采集到的图像数据实时传输到计算机8平台，利用数字图像相关方法实时计算应变后，将应力-应变曲线数据输出、记录、显示，直至试验件破坏；
5)计算机8由应力-应变曲线初始直线段计算碳纤维复丝拉伸弹性模量，并根据试验件1破坏瞬间的载荷和应变值直接得到拉伸强度和断裂伸长率，并将数据处理结果显示和保存。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (11)
1.一种用于碳纤维复丝拉伸应变测量的非接触视频测量***，其特征在于：该非接触视频测量***包括双远心成像***(4)、机械支撑调节平台(5)、支架(7)、和计算机(8)；所述双远心成像***(4)用于采集碳纤维复丝试验件(1)表面的清晰图像，并传输至计算机(8)；所述机械支撑调节平台(5)用于支撑所述双远心成像***(4)，通过调节所述机械支撑调节平台(5)能够实现空间中三个方向和三个角度共六个自由度的调节，从而调节所述双远心成像***(4)的光轴与试验件(1)表面待测区域垂直，并获得试验件(1)的图像；所述支架(7)用于支撑所述双远心成像***(4)，同时对所述双远心成像***(4)的高度进行调节；所述计算机(8)用于处理由双远心成像***(4)采集到的图像数据和万能试验机(3)传输的载荷数据，将得到的试验件(1)实时载荷-应变曲线实时显示在计算机(8)的显示器上。
2.根据权利要求1所述的一种用于碳纤维复丝拉伸应变测量的非接触视频测量***，其特征在于：所述的双远心成像***(4)包括数字相机(12)，双远心镜头(11)，单色光源(10)，以及与光源波长对应的窄带通滤波片(9)；所述单色光源(10)用于产生单色光照射到试验件(1)表面，所述试验件(1)表面的反射光进入所述相机(12)；所述与单色光源对应的窄带通滤波片(9)用于过滤掉其他波长的光线，保留与所述单色光源(10)波段对应的光线，从而降低外界光线变化对采集图像灰度的影响；所述数字相机(12)用于采集试验件表面图像，并将采集到的数字图像实时传输到所述计算机(8)。
3.根据权利要求2所述的一种用于碳纤维复丝拉伸应变测量的非接触视频测量***，其特征在于：所述的单色光源(10)为环形光源，其提供了不同照射角度，并有助于提高结构设计的紧凑性和节省***安装空间。
4.根据权利要求1所述的一种用于碳纤维复丝拉伸应变测量的非接触视频测量***，其特征在于：所述的支架(7)为三角支架。
5.根据权利要求1所述的一种用于碳纤维复丝拉伸应变测量的非接触视频测量***，其特征在于：测量***和试验机同步与计算机平台相连，将应力- 应变曲线数据输出、记录、显示。
6.根据权利要求1所述的一种用于碳纤维复丝拉伸应变测量的非接触视频测量***，其特征在于：由于测量***的非接触特性，仅通过一次实验便可确定每根碳纤维复丝的拉伸弹性模量、拉伸强度和断裂伸长率等多个力学参量。
7.根据权利要求1所述的一种用于碳纤维复丝拉伸应变测量的非接触视频测量***，其特征在于：对比传统碳纤维复丝力学性能测量方法，所述非接触视频测量***可以直接测量断裂伸长率，而不需采用表观伸长率代替。
8.根据权利要求1所述的一种用于碳纤维复丝拉伸应变测量的非接触视频测量***，其特征在于：计算机由应力-应变曲线初始直线段计算碳纤维复丝拉伸弹性模量，并根据试验件破坏瞬间的载荷和应变值直接得到拉伸强度和断裂伸长率，并不需要手动进行数据后处理。
9.一种用于碳纤维复丝拉伸应变测量非接触视频测量方法，其具体步骤如下：
1)在已浸胶并固化的碳纤维复丝试验件(1)表面喷涂散斑，将试验件固定到试验机的拉伸夹具(2)上，此时应保持上下夹具与试验件中心线重合，避免出现斜拉现象；
2)在双远心镜头(11)前安装窄带通滤波片(9)，用单色环形光源(10)对试验件进行主动照明，并调整相机使图像清晰；
3)对试验件施加初始载荷，当载荷达到预加载设计设定值后，启动数字图像采集单元实时采集试验件的图像，并在初始载荷的参考图像中定义标距、计算点以及计算图像子区；
4)试验机载荷继续增大，此时，试验机的加载数据和数字相机(12)采集到的图像数据实时传输到计算机(8)平台，利用数字图像相关方法实时计算标距的应变后，将应力-应变曲线数据输出、记录、显示，直至试验件破坏；
5)计算机由应力-应变曲线初始直线段计算碳纤维复丝拉伸弹性模量，并根据试验件破坏瞬间的载荷和应变值直接得到拉伸强度和断裂伸长率，并将数据处理结果显示和保存。
10.根据权利要求8所述的用于碳纤维复丝拉伸应变测量非接触视频测量方法，其特征在于：所述初始载荷为破坏载荷的5％。
11.根据权利要求8所述的用于碳纤维复丝拉伸应变测量非接触视频测量方法，其特征在于：所述数字图像采集单元为数字相机。
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