CN111289361A - 基于高分辨数字图像相关的材料力学特性测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高分辨数字图像相关的材料力学特性测量装置及方法，是首先把预拉紧试件并记录拉伸力；然后控制LED阵列按照顺序点亮，调整狭缝的宽度及方向，采集在不同组合LED照射角度下通过狭缝后的图像；其次利用傅里叶叠层成像方法综合计算获取高分辨率大视场试件拉伸图片；再结合数字图像相关方法得到高分辨率变形信息；之后按预设间隔力逐渐增加拉伸力，得到相应拉伸力下试件拉伸成像图片和变形信息；最后计算得到试件材料的高分辨率力学特性。本发明能实现不同尺度透射材料物体的高分辨率应变测量，并提高测量分辨率及精度。
Description
技术领域
本发明涉及的透射式物体高分辨率数字图像相关(DIC)材料力学特性测量装置及其测量方法，属于材料力学特性测试领域，尤其涉及到针对透射物体不同尺度结构的材料力学特性测试提供一种高分辨率自动化测量方法。
背景技术
材料力学特性是指在一定的温度条件和外力作用下，抵抗变形和断裂能力的力学性能，主要通过材料在力作用下应力与应变相应关系来确定相应的性能参数。在研制和发展新材料、改进材料质量、金属制件的设计和使用等过程中，力学性能是最重要的性能指标，是金属塑性加工产品性能检验中不可缺少的检验参数。
数字图像相关技术(DIC)主要应用于应变分布测量，相对于传统的应变测量测量，DIC应变测量技术有实时、全场的特点。为了提高其测量精度，DIC一般结合光学显微镜、扫描电镜、原子力显微镜等技术，应用于生物材料、半导体、金属材料局部或者全局应变检测。而传统的DIC材料应变测量需要借助于在被测物体表面喷涂相应的随机散斑，且该随机散斑质量好坏对于测量结果有着很大的影响，一般需要根据经验或者多次实验的方式确定散斑的特征。但是散斑的喷涂对于较大的物体具有可操作性，如果针对较小尺寸的物体进行喷涂则具有一定困难甚至无法实现。另外，传统的DIC材料应变测量受限于所采用的相机的分辨率，理论上来说，在相同的外界参数下，分辨率越高更容易实现高精度的应变测量，但在已有分辨率的相机条件下，无法从物理意义上提升其精度。
发明内容
本发明是为了解决上述现有的技术存在的不足之处，针对透明材料物体，提出一种基于高分辨数字图像相关的材料力学特性测量装置及方法，以期能实现不同尺度透射材料物体的高分辨率应变测量，并提高测量分辨率及精度。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明一种基于高分辨数字图像相关的材料力学特性测量装置，是在LED可控阵列光源的前方并按照其照射方向依次设置有滤波片、聚光镜、显微物镜、成像透镜、摄像机；
所述LED可控阵列光源为M*N的LED阵列，在所述聚光镜和显微物镜之间通过两侧的试件夹持机构设置有试件；所述试件夹持机构由试件加载机构提供拉伸力；在所述试件夹持机构和试件加载机构之间设置有力传感器；其特点在于：
在所述显微物镜和成像透镜之间设置有可调狭缝；且所述可调狭缝处于所述显微物镜的傅里叶成像面位置处。
本发明所述的材料力学特性测量装置的测量方法的特点是按如下步骤进行：
步骤1、利用所述试件夹持机构夹持所述试件；利用试件加载机构对所述试件进行预加载，直到所述力传感器的力值出现变化时停止，记录当前所述力传感器的拉伸力F1；
步骤2、定义当前控制周期为i，并初始化i＝1；设置拉伸力变化量为ΔF；
步骤3、记录当前第i个控制周期下的拉伸力Fi＝ΔF(i-1)+F1；
步骤4、定义亮灯序列为j，并初始化j＝1；
步骤5、设置当前第i个控制周期下的所述LED可控阵列光源的第j个亮灯序列LEDij，当j＝1时，所述第j个亮灯序列LEDij为所述LED可控阵列光源中央与可调狭缝平行的序列，从而实现对所述试件的中央照明；
步骤6、第j个亮灯序列LEDij的照射光依次经过所述滤波片、聚光镜后穿透所述试件，再经过所述显微物镜，并穿过所述可调狭缝后，经由所述成像透镜最终在所述摄像机上成像；
步骤7、根据所述摄像机上的成像结果，调整所述可调狭缝的狭缝的宽度，以调整光通量并限制杂散光的空间频率，使得通过可调狭缝成像的傅里叶频谱图的频谱覆盖整个频谱的一半，从而得到当前第i个控制周期下第j个亮灯序列LEDij的图像FIGij；
步骤8、将j+1赋值给j后，返回步骤5执行，从而实现所述LED可控阵列光源中与所述可调狭缝侧向平行的序列点亮，直到得到当前第i个控制周期下的图像的全部频谱信息为止
步骤9、利用傅里叶叠层成像方法对当前第i个控制周期下所有的图像进行处理，使其在迭代过程中的高分辨率复振幅收敛，从而得到当前第i个控制周期下的高分辨率图像FIGi；
步骤10、从第i-1个控制周期下的高分辨率图像FIGi-1中选择特征区域作为参考子区域，从所述第i个控制周期下的高分辨率图像FIGi上查找与所述参考子区域相关性最大的特征区域作为目标子区域，从而利用DIC相关算法得到第i个控制周期下的试件变形信息μi；当i＝1时，令μi＝0；
步骤11、根据第i个控制周期下的拉伸力Fi和试件变形信息μi，计算第i个控制周期下相对应的应力σi和应变εi；
步骤12、将i+1赋值给i后，返回步骤3执行，直到达到试件的屈服强度，从而得到所述试件的材料特性参数。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明借助物体内部结构的物体特征，在不同光源照射下的低分辨率多幅图像综合后，高分辨率图像相关特征作为DIC算法参考信息得到相应的高分辨率应变信息；该方法不用喷涂散斑，可以依据试件物理层面特征信息来提高***的测量分辨率及精度。
2、散斑的喷涂对于较大的物体具有可操作性，如果针对较小尺寸的物体进行喷涂则具有一定困难甚至无法实现。本发明可以不借助喷涂散斑而利用物体的自身物理特征信息，仍可采用DIC相关特征纹理识别算法来获取透射物体的变形信息。
3、传统的DIC材料应变测量受限于所采用的相机的分辨率，在已有分辨率的相机条件下，无法从物理意义上提升其精度。本发明利用采用显微物镜实现DIC算法所需的放大倍数，利用行列照明的傅里叶叠层成像技术得到被测物体超分辨率的图像信息，再利用DIC算法计算得到超分辨率图像的应力应变信息，两个技术相互结合，相辅相成，实现了超分辨率的DIC测量，提高了测量精度。
4、本发明利用可调狭缝实现了光通量大小的调整和限制杂散光的作用，又实现了空间频率的取舍调整作用，采用基于狭缝方向的行列式照明，既增大了图像的亮度，降低了信噪比，保证了DIC算法的精度，又实现了移频的功能，提高了图像在被测样品拉伸方向的空间分辨率。
附图说明
图1为本发明测量方法装置硬件结构框图；
图2为本发明***整体数据采集处理流程图；
图3为本发明经过狭缝成像示意图；
图4为本发明狭缝成像对应的频谱图；
图5为本发明不同列的LED照明状况拼接的频谱示意图；
图6为本发明傅里叶叠层成像方法计算流程图；
图中标号：1LED可控阵列光源；2滤波片；3聚光镜；4显微物镜；5可调狭缝；6成像透镜；7摄像机；8试件；9试件夹持机构；10力传感器；11试件加载机构。
具体实施方式
本实施例中，一种基于高分辨数字图像相关的材料力学特性测量装置，如图1所示，是在LED可控阵列光源1的前方并按照其照射方向依次设置有滤波片2、聚光镜3、显微物镜4、成像透镜6、摄像机7；
LED可控阵列光源1为M*N的LED阵列，可以受程序控制实现不同LED点的亮灭控制或者色彩控制(比如红色、绿色和蓝色灯)；在聚光镜3和显微物镜4之间通过两侧的试件夹持机构9设置有试件8；试件夹持机构9由试件加载机构11提供拉伸力；在试件夹持机构9和试件加载机构11之间设置有力传感器10；整个装置由运算控制模块12进行控制和计算。
在显微物镜4和成像透镜6之间设置有可调狭缝5；且可调狭缝5处于显微物镜4的傅里叶成像面位置处，可调狭缝5的间隙和方向可以调整(手动或者程控电动)。
本实施例中，如图2所示，一种材料力学特性测量装置的测量方法是按如下步骤进行：
步骤1、利用试件夹持机构9夹持试件8；利用试件加载机构11对试件8进行预加载，夹紧试件防止在拉伸过程中脱落，直到力传感器10的力值出现变化时停止，记录当前力传感器10的拉伸力F1；
步骤2、定义当前控制周期为i，并初始化i＝1；设置拉伸力的变化量为ΔF；
步骤3、记录当前第i个控制周期下的拉伸力Fi＝ΔF(i-1)+F1；
步骤4、定义亮灯序列为j，并初始化j＝1；
步骤5、程序控制按照预先设定顺序进行LED的亮灭控制(可以是行列式，点式，部分点阵同亮灯)。设置当前第i个控制周期下的LED可控阵列光源1的第j个亮灯序列LEDij,当j＝1时，第j个亮灯序列LEDij为LED可控阵列光源1中央与可调狭缝5平行的序列；即控制LED可控阵列光源(1)中央与狭缝平行的LED列点亮，实现对试件8的中央照明；
步骤6、第j个亮灯序列LEDij的照射光依次经过滤波片2、聚光镜3后穿透试件8，再经过显微物镜4，并穿过可调狭缝5后，经由成像透镜6最终在摄像机7上成像；照射光经过可调狭缝5所成像如图3所示；
步骤7、根据摄像机7上的成像结果，调整可调狭缝5的狭缝的宽度，以调整光通量并限制杂散光的空间频率，使通过可调狭缝5成像的傅里叶频谱图的频谱覆盖整个频谱的一半；光线经过傅里叶变化其对应的频谱图如图4所示；从而得到当前第i个控制周期下第j个亮灯序列LEDij的图像FIGij；
由于被测试件在相应拉力作用下的像经过狭缝，该狭缝实现狭缝宽度的调整，既可以实现光通量大小的调整和限制杂散光的作用，又可以实现空间频率的取舍调整作用。物平面经过狭缝成像到相应的全息平面的像作用公式可以用式(1)表示：
式(1)中，Lx，Ly分别是物平面的长和宽，D为物平面到全息像面的距离，λ为照射光源波长，Nx和Ny为CCD感光阵列面的坐标，lp为相机像素点的物理尺寸数值。其能通过狭缝的最大频率为式(2)：
式(2)中，θmax为光线照射到CCD靶面角度的最大值，通过上式可以看到当狭缝宽度不同时，能够起到滤除空间频率的取舍。
步骤8、将j+1赋值给j后，返回步骤5执行，从而实现LED可控阵列光源1中与可调狭缝5侧向平行的的序列点亮，以实现对试件8的照明，直到补充出试件8经过LED可控阵列光源1照明所得当前第i个控制周期下的图像的全部频谱信息为止。使用侧向平行中央照明LED列的光源照明，频谱会发生偏斜，通过多次侧向照明能补充出全部频谱信息，其频谱覆盖移动示意图如图5所示，a边框是矩阵是正中间的LED光频谱，b、c和d边框区域为依次偏移LED列对应的频谱图。
步骤9、傅里叶叠层成像技术是一种光学显微技术，能够提供大视场、高分辨率和定量相位图片，可以依据强度和相位分布来实现宽频高分辨率的综合成像结果。通过控制LED阵列实现不同位置的LED按照控制顺序先后进行各自点亮，可以实现超出显微物镜数值孔径的频率成分被平移到数值孔径内，从而可以成像到成像面。利用傅里叶叠层成像方法对当前第i个控制周期下所有的图像进行处理，通过FIGij反应的空域中的光强信息和频域中频谱的固定映射关系，将多幅低分率的图FIGij进行综合迭代运算，使在迭代过程中结果小于给定的误差数值即高分辨率复振幅收敛，得到当前第i个控制周期下具有被测试件综合物理特征的高分辨率图像FIGi。传统傅里叶叠层成像技术的重构过程如图6所示。
步骤10、当获取试件在特定力状况下的综合高分辨率图像后，物体在相应力下的变形测量可以通过DIC相关算法来实现，适用于DIC的不同处理方法仍然能够有效的应用到该领域中。从第i-1个控制周期下的高分辨率图像FIGi-1中选择特征区域作为参考子区域，从第i个控制周期下的高分辨率图像FIGi上查找与参考子区域相关性最大的特征区域作为目标子区域，从而利用DIC相关算法，对比FIGi和FIGi-1，研究变形前后两幅图片的对应点或者区域来实现区域变形的测量，得到第i个控制周期下的试件变形信息μi；当i＝1时，令μi＝0；
步骤11、根据第i个控制周期下的拉伸力Fi和试件变形信息μi，计算第i个控制周期下相对应的应力σi和应变εi；
步骤12、将i+1赋值给i后，返回步骤3执行，直到达到试件8的屈服强度，从而得到试件8的材料特性参数。
Claims (2)
1.一种基于高分辨数字图像相关的材料力学特性测量装置，是在LED可控阵列光源(1)的前方并按照其照射方向依次设置有滤波片(2)、聚光镜(3)、显微物镜(4)、成像透镜(6)、摄像机(7)；
所述LED可控阵列光源(1)为M*N的LED阵列，在所述聚光镜(3)和显微物镜(4)之间通过两侧的试件夹持机构(9)设置有试件(8)；所述试件夹持机构(9)由试件加载机构(11)提供拉伸力；在所述试件夹持机构(9)和试件加载机构(11)之间设置有力传感器(10)；其特征在于：
在所述显微物镜(4)和成像透镜(6)之间设置有可调狭缝(5)；且所述可调狭缝(5)处于所述显微物镜(4)的傅里叶成像面位置处。
2.根据权利要求1所述的材料力学特性测量装置的测量方法，其特征是按如下步骤进行：
步骤1、利用所述试件夹持机构(9)夹持所述试件(8)；利用试件加载机构(11)对所述试件(8)进行预加载，直到所述力传感器(10)的力值出现变化时停止，记录当前所述力传感器(10)的拉伸力F1；
步骤2、定义当前控制周期为i，并初始化i＝1；设置拉伸力变化量为ΔF；
步骤3、记录当前第i个控制周期下的拉伸力Fi＝ΔF(i-1)+F1；
步骤4、定义亮灯序列为j，并初始化j＝1；
步骤5、设置当前第i个控制周期下的所述LED可控阵列光源(1)的第j个亮灯序列LEDij，当j＝1时，所述第j个亮灯序列LEDij为所述LED可控阵列光源(1)中央与可调狭缝(5)平行的序列，从而实现对所述试件(8)的中央照明；
步骤6、第j个亮灯序列LEDij的照射光依次经过所述滤波片(2)、聚光镜(3)后穿透所述试件(8)，再经过所述显微物镜(4)，并穿过所述可调狭缝(5)后，经由所述成像透镜(6)最终在所述摄像机(7)上成像；
步骤7、根据所述摄像机(7)上的成像结果，调整所述可调狭缝(5)的狭缝的宽度，以调整光通量并限制杂散光的空间频率，使得通过可调狭缝(5)成像的傅里叶频谱图的频谱覆盖整个频谱的一半，从而得到当前第i个控制周期下第j个亮灯序列LEDij的图像FIGij；
步骤8、将j+1赋值给j后，返回步骤5执行，从而实现所述LED可控阵列光源(1)中与所述可调狭缝(5)侧向平行的序列点亮，直到得到当前第i个控制周期下的图像的全部频谱信息为止
步骤9、利用傅里叶叠层成像方法对当前第i个控制周期下所有的图像进行处理，使其在迭代过程中的高分辨率复振幅收敛，从而得到当前第i个控制周期下的高分辨率图像FIGi；
步骤10、从第i-1个控制周期下的高分辨率图像FIGi-1中选择特征区域作为参考子区域，从所述第i个控制周期下的高分辨率图像FIGi上查找与所述参考子区域相关性最大的特征区域作为目标子区域，从而利用DIC相关算法得到第i个控制周期下的试件变形信息μi；当i＝1时，令μi＝0；
步骤11、根据第i个控制周期下的拉伸力Fi和试件变形信息μi，计算第i个控制周期下相对应的应力σi和应变εi；
步骤12、将i+1赋值给i后，返回步骤3执行，直到达到试件(8)的屈服强度，从而得到所述试件(8)的材料特性参数。
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