CN109269893B - 一种基于图像识别的材料应力腐蚀测试***及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于图像识别的材料应力腐蚀测试***，包括底座、安装在底座上的腐蚀测试装置、设置在底座且与腐蚀测试装置相对应的图像采集装置以及与图像采集装置通信连接的控制机构；腐蚀测试装置包括安装在底座上的试验架以及设置在底座上的加载装置；试验架侧面设置有腐蚀液槽，加载装置设置于腐蚀液槽远离所述试验架的一侧；图像采集装置包括设置在底座上且与试验架相对应的支架、滑动连接在支架上的采集器，且采集器与所述控制机构通信连接；通过非接触式的像距标定、图像采集、距离信息识别，实现多组同时试验的裂纹缺口张开位移的实时自动化检测，大大提高了应力腐蚀性能评价的工作效率和精度，缩短了试验周期，抗干扰能力强。
Description
技术领域
本发明涉及材料性能表征技术领域，具体涉及一种基于图像识别的材料应力腐蚀测试***及其测试方法。
背景技术
应力腐蚀开裂发生于在特定介质中的结构材料，在承受拉伸应力静载荷/动载荷作用下，由于腐蚀介质和应力的协同作用而发生的脆性裂纹扩展及断裂的现象。出现该失效形式的服役结构材料往往发生于湿热空气介质、海洋环境下服役的情况，如热交换器、蒸汽发生器、气液输送管道等，会对服役结构的使用寿命和安全可靠性造成巨大影响。
目前针对应力腐蚀性能及开裂性能的测试可采用恒载荷下预应裂纹试样方法(GB/T 15970.6-2007)。通过恒定载荷/位移的加载，跟踪预裂纹缺口(14)的张开位移变化，获得应力腐蚀裂纹的扩展速率及应力腐蚀临界强度因子。该试验耗时，其中一个试样通常要进行数周或者数月，并且目前主要采用引伸计进行接触式的位移测量，每个测试试样都需配备独立的引伸计记录，设备占用率高且效率低下。考虑增加平行样及不同载荷级别测试，为获得临界强度因子，则整个试验周期过于漫长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测试精度高且测试效率高的应力腐蚀测试***及其测试方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于图像识别的材料应力腐蚀测试***，包括底座、安装在底座上的腐蚀测试装置、设置在底座且与腐蚀测试装置相对应的图像采集装置以及与图像采集装置通信连接的控制机构；
所述腐蚀测试装置包括安装在底座上的试验架以及设置在底座上的加载装置；所述试验架侧面设置有腐蚀液槽，所述加载装置设置于所述腐蚀液槽远离所述试验架的一侧；
所述图像采集装置包括设置在底座上且与试验架相对应的支架、滑动连接在支架上的采集器，且所述采集器与所述控制机构通信连接。
进一步，所述试验架包括安装在底座上且内部为空腔结构的脚架以及设置在脚架顶端的顶板。
进一步，所述加载装置包括设置在底座上的固定板以及连接在固定板上的丝杆。
进一步，所述丝杆上连接有拉力传感器，所述拉力传感器通信连接有数据采集卡，且所述数据采集卡与所述控制机构通信连接。
进一步，所述控制机构包括伺服电机以及与所述伺服电机电性连接工控机，所述工控机分别与所述数据采集卡和采集器通信连接。
本发明还提供了一种基于图像识别的材料应力腐蚀测试***的测试方法，包括以下步骤：
步骤①：将制作好的多个应力腐蚀试样安装至试验架上，并安装独立的腐蚀液槽，将配置的腐蚀溶液倒入至腐蚀液槽内，使得腐蚀溶液浸没裂纹尖端；
步骤②：启动驱动器带动采集器在导轨上移动，使采集器的拍摄视场对准第一个腐蚀试样的切口处，并对切口两侧识别点精准对焦；
步骤③：启动加载装置向待测的腐蚀试样加载相应的载荷或位移速率；
步骤④：通过采集器记录该腐蚀试样的视场图像，并传输至工控机；
步骤⑤：通过采集器跟踪切口裂纹炸开的位移，采用识别点识别和像素换算，转换成该腐蚀试样的裂纹扩展长度；
步骤⑥：通过驱动器将采集器沿导轨运行至下一腐蚀试样的待观察区域，并重复步骤③至步骤⑤，依次监测所有腐蚀试样的裂纹扩展长度。
进一步，步骤①中制作应力腐蚀试样，在腐蚀试样上预制切口及疲劳裂纹，对切口上表面位置设置识别点，并在实验前在识别点位置处粘贴刻度标尺。
进一步，步骤①中所述腐蚀溶液采用浓度为3.5％NaCl溶液。
进一步，通过采集器以固定的时间间隔采集切口裂纹视图，且其间隔时间为12h或24h。
本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种基于图像识别的材料应力腐蚀测试***及其测试方法，通过非接触式的像距标定、图像采集、距离信息识别，实现多组同时试验的裂纹缺口张开位移的实时自动化检测，大大提高了应力腐蚀性能评价的工作效率和精度，缩短了试验周期；且根据试验需求可以准确控制不同尺寸视场拍摄需求，提供不同的采样频率，抗干扰能力强。
附图说明
图1为本发明的***示意图；
图2为本发明结构示意图；
图3为本发明中腐蚀试样结构示意图；
图4为本发明中试验架结构示意图；
图5为本发明中加载装置结构示意图；
图1至图5中所示附图标记分别表示为：1-底座，2-腐蚀测试装置，3-图像采集装置，4-控制机构，5-试验架，6-腐蚀试样，7-加载装置，8-腐蚀液槽，9-支架，10-移动台，11-采集器，12-驱动器，601-固定端，602-加载端，603-切口裂纹段，604-识别点，605-刻度标尺，501-脚架，502-顶板，701-固定板，702-丝杆，13-拉力传感器，14-缺口，16-数据采集卡。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种基于图像识别的材料应力腐蚀测试***，包括底座1、安装在底座1上的腐蚀测试装置2、设置在底座1且与腐蚀测试装置2相对应的图像采集装置3以及与图像采集装置3通信连接的控制机构4。底座1为测试***整体提供稳定可靠的支撑。
通过该测试***同时进行多组恒载荷的应力腐蚀试验，以固定的时间间隔通过图像采集装置3采集腐蚀试样6切口的视图，并通过腐蚀试样6的识别点604位移变化，转换成裂纹扩展长度随恒载荷加载过程的扩展情况，实现对腐蚀试样6的监测。
如图2至图4所示，腐蚀测试装置2包括安装在底座1上的试验架5以及设置在底座1上的加载装置7；试验架5侧面设置有腐蚀液槽8，加载装置7设置于腐蚀液槽8远离所述试验架5的一侧。
制作腐蚀试样6，该腐蚀试样6包括固定端601、加载端602以及设置在固定端601与加载端602之间的切口裂纹段603，切口裂纹段603位置处设置有识别点604，且识别点604位置处设置有刻度标尺605。
腐蚀测试装置2包括安装在底座1上的试验架5、均匀安装在试验架5上的多组腐蚀试样6以及设置在底座1上且作用在腐蚀试样6上的加载装置7。腐蚀试样6的固定端601固定在试验架5上，且与试验架5相垂直，加载端602与加载装置7连接，通过胶贴或喷墨在切口位置处制作识别点604，并预制刻度标尺605。腐蚀液槽8内的腐蚀溶液完全浸没切口处的裂纹尖端，根据试样测试要求，通过加载装置7对每组测试腐蚀试样6加载相应的载荷或位移速率。加载装置7包括设置在底座1上的固定板701以及连接在固定板701上的丝杆702，丝杆702远离固定板701的端部连接在腐蚀试样6的加载端602上，通过丝杆702的调节，实现对腐蚀试样6的载荷加载，进而通过图像采集装置3对切口裂纹的张开变化进行采集视场图像，并通过千兆以太网传输至工控机402，转换成该试样的裂纹扩展长度，实现对腐蚀试样6的监测。
试验架5包括安装在底座1上且内部为空腔结构的脚架501以及设置在脚架501顶端的顶板502，腐蚀试样6的固定端601贯穿所述脚架501并延伸至脚架501的空腔内，且固定端601通过螺栓连接在顶板502上。腐蚀试样稳定可靠的固定在试验架5上，避免由于腐蚀试样6的加载端受到载荷加载而发生固定松脱的情况，保证了试验的有效的正常进行，且通过螺栓实现腐蚀试样的可拆卸连接，便于突发情况下的及时更换。
如图2所示，图像采集装置3包括设置在底座1上且与试验架5相对应的支架9、安装在支架9上的移动导轨、与所述移动导轨滑动连接的移动台10、设置移动台10上的采集器11以及驱动所述移动台10移动的驱动器12，且驱动器12和采集器11均与控制机构4通信连接。轨道沿支架9长度方向上和宽度方向上均有设置，便于移动台10带动采集器11调焦操作。支架9位于试验架5的正上方且与试验架5相对应，便于采集器11对准待测的腐蚀试样6，采集器11为数字相机，用于拍摄记录在施加载荷的过程中腐蚀试样6切口裂纹的变化。移动台10为调焦机构，在驱动器12的驱动作用下驱动移动台10沿导轨移动实现调焦功能，移动台10既能沿轨道长度方向上移动，也能沿轨道宽度方向上移动，从而使得采集器11拍摄视场正对腐蚀试样6的切口表面，对切口两侧识别点604精准对焦。控制机构4包括伺服电机401以及与伺服电机401电性连接的工控机402，伺服电机401还与所述驱动器12电性连接，工控机402还分别与所述数据采集卡16和采集器11通信连接。伺服电机401与驱动器12相连，且通过工业总线连接到工控机402，提供动力来源。工控机402用于接收采集器11的图像采集，采集器通过识别点604识别，并输出每组试样切口处张开距离变化，记录转化为裂纹扩展长度结果输出，且工控机402用于发出输出信号，驱动伺服电机401驱动驱动器12带动采集器11进行移动和对焦。
为了确保加载装置7的拉力能加载到制定的试验载荷，本发明中，丝杆702上连接有拉力传感器13，拉力传感器13通信连接有数据采集卡16，且数据采集卡16与所述控制机构4通信连接。拉力传感器13可准确测得加载到腐蚀试样6上的载荷强度，通过数据采集卡16将测得的数据传递至工控机402，提高检测的准确有效性。
本发明还提供了一种基于图像识别的材料应力腐蚀测试***的测试方法，包括以下步骤：
步骤①、将制作好的多个应力腐蚀试样6安装至试验架5上，并安装独立的腐蚀液槽8，将配置的腐蚀溶液倒入至腐蚀液槽8内，使得腐蚀溶液浸没裂纹尖端，腐蚀溶液的成分为浓度为3.5％NaCl溶液；；制作腐蚀试样6，时在腐蚀试样6上预制切口及疲劳裂纹，对切口上表面位置设置识别点604，并在实验前在识别点604位置处粘贴刻度标尺605；
步骤②、启动驱动器12带动采集器11在导轨上移动，使采集器11的拍摄视场对准第一个腐蚀试样6的切口处，并对切口两侧识别点604精准对焦；
步骤③、启动加载装置7向待测的腐蚀试样6加载相应的载荷或位移速率；其中腐蚀试样6通过安装的丝杆702与固定板701相连，并通过丝杆702运动实现试对试样的牵引，并通过拉力传感器13确保牵引力加载到制定试验载荷；
步骤④、通过采集器11记录该腐蚀试样6的视场图像，并传输至工控机402；视场图像通过千兆以太网传输至工控机402；
步骤⑤、采用识别点604识别和像素换算，通过采集器11跟踪切口裂纹张开的位移，转换成该腐蚀试样6的裂纹扩展长度；
步骤⑥、通过驱动器12将采集器11沿导轨运行至下一腐蚀试样6的待观察区域，并重复步骤③至步骤⑤，依次监测所有腐蚀试样6的裂纹扩展长度。
以上为本发明的具体实施方式，从实施过程可以看出，本发明所提供的一种基于图像识别的材料应力腐蚀测试***及其测试方法，通过非接触式的像距标定、图像采集、距离信息识别，实现多组同时试验的裂纹缺口张开位移的实时自动化检测，大大提高了应力腐蚀性能评价的工作效率和精度，缩短了试验周期；且根据试验需求可以准确控制不同尺寸视场拍摄需求，提供不同的采样频率，抗干扰能力强。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于图像识别的材料应力腐蚀测试***，其特征在于，包括底座(1)、安装在底座(1)上的腐蚀测试装置(2)、设置在底座(1)且与腐蚀测试装置(2)相对应的图像采集装置(3)以及与图像采集装置(3)通信连接的控制机构(4)；
所述腐蚀测试装置(2)包括安装在底座(1)上的试验架(5)以及设置在底座(1)上的加载装置(7)；所述试验架(5)侧面设置有腐蚀液槽(8)，所述加载装置(7)设置于所述腐蚀液槽(8)远离所述试验架(5)的一侧；
所述图像采集装置(3)包括设置在底座(1)上且与试验架(5)相对应的支架(9)、滑动连接在支架(9)上的采集器(11)，且所述采集器(11)与所述控制机构(4)通信连接；
图像采集装置(3)包括设置在底座(1)上且与试验架(5)相对应的支架(9)、安装在支架(9)上的移动导轨、与所述移动导轨滑动连接的移动台(10)、设置移动台(10)上的采集器(11)以及驱动所述移动台(10)移动的驱动器(12)，且驱动器(12)和采集器(11)均与控制机构(4)通信连接；
所述加载装置(7)包括设置在底座(1)上的固定板(701)以及连接在固定板(701)上的丝杆(702)；
所述丝杆(702)上连接有拉力传感器(13)，所述拉力传感器(13)通信连接有数据采集卡(16)，且所述数据采集卡(16)与所述控制机构(4)通信连接；
所述控制机构(4)包括伺服电机(401)以及与所述伺服电机(401)电性连接的工控机(402)，所述工控机(402)还分别与所述数据采集卡(16)和采集器(11)通信连接；腐蚀试样(6)包括固定端(601)、加载端（ 602） 以及设置在固定端(601)与加载端(602)之间的切口裂纹段(603)，切口裂纹段(603)位置处设置有识别点(604)，且识别点(604)位置处设置有刻度标尺(605)。
2.根据权利要求1所述的一种基于图像识别的材料应力腐蚀测试***，其特征在于，所述试验架(5)包括安装在底座(1)上且内部为空腔结构的脚架(501)以及设置在脚架(501)顶端的顶板(502)。
3.采用权利要求1至2任一项所述的一种基于图像识别的材料应力腐蚀测试***的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤①：将制作好的多个应力腐蚀试样(6)安装至试验架(5)上，并安装独立的腐蚀液槽(8)，将配置的腐蚀溶液倒入至腐蚀液槽(8)内，使得腐蚀溶液浸没裂纹尖端；
步骤②：启动驱动器(12)带动采集器(11)在导轨上移动，使采集器(11)的拍摄视场对准第一个腐蚀试样(6)的切口处，并对切口两侧识别点(604)精准对焦；
步骤③：启动加载装置(7)向待测的腐蚀试样(6)加载相应的载荷或位移速率；
步骤④：通过采集器(11)记录该腐蚀试样(6)的视场图像，并传输至工控机(402)；
步骤⑤：通过采集器(11)跟踪切口裂纹炸开的位移，采用识别点识别和像素换算，转换成该腐蚀试样(6)的裂纹扩展长度；
步骤⑥：通过驱动器(12)将采集器(11)沿导轨运行至下一腐蚀试样(6)的待观察区域，并重复步骤③至步骤⑤，依次监测所有腐蚀试样(6)的裂纹扩展长度。
4.根据权利要求3所述的一种基于图像识别的材料应力腐蚀测试***的测试方法，其特征在于，步骤①中制作应力腐蚀试样(6)，在腐蚀试样(6)上预制切口及疲劳裂纹，对切口上表面位置设置识别点(604)，并在实验前在识别点(604)位置处粘贴刻度标尺(605)。
5.根据权利要求4所述的一种基于图像识别的材料应力腐蚀测试***的测试方法，其特征在于，步骤①中所述腐蚀溶液采用浓度为3.5％NaCl溶液。
6.根据权利要求5所述的一种基于图像识别的材料应力腐蚀测试***的测试方法，其特征在于，通过采集器(11)以固定的时间间隔采集切口裂纹视图，且其间隔时间为12h或24h。
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