機械視覺疲勞裂紋擴展試驗裂紋長度動態測量方法

2023-05-13 21:29:31

專利名稱：機械視覺疲勞裂紋擴展試驗裂紋長度動態測量方法
技術領域：
本發明涉及一種疲勞裂紋擴展試驗裂紋長度測量方法。
背景技術：
金屬疲勞裂紋擴展試驗是一種通過實時測量試件在設定交變載荷作用下所產生疲勞裂紋的長度來研究金屬材料疲勞斷裂特性的一種測試方式，目前主要的疲勞裂紋擴展試驗形式是國際標準規定的帶有預製裂紋的C(T)緊湊拉伸試驗和三點彎曲裂紋擴展試驗，在這種情況下，在設定交變載荷作用下疲勞裂紋基本沿著預製裂紋的方向直線延伸，其它的非標準疲勞裂紋擴展試驗也基本上是這種形式，只是試件的形狀和尺寸有所變化。
疲勞裂紋的萌生和擴展是一個複雜而緩慢的非線性演化過程，傳統的顯微鏡法檢測往往全部由人工來完成或大部分環節需要人工參與，不僅工作效率低，而且易受到檢測人員主觀因素的影響，不能保證裂紋檢測的效率與精度，已經不能滿足試驗的要求。目前疲勞裂紋長度自動檢測方法主要有柔度法、電位法、聲發射法、基於圖像處理技術的視頻檢測方法及光纖傳感檢測等方法。柔度法和電位法是兩種傳統的裂紋長度自動檢測方法。柔度法是ー種採用各種引伸儀或渦流位移傳感器來測量試件的COD (裂紋缺ロ張開位移)從而來測量疲勞裂紋長度的方法，其測試精度低，傳感器安裝要求高，動態響應慢，一般情況下應用在低周疲勞試驗機上，但高頻疲勞試驗機檢測疲勞裂紋也會採用這種方法,如德國ZWICK公司的AMSLER100HFP5000和美國QUALITEST公司的產品Testronic，但其測量精度低，可靠性差。電位法是利用測量電位分布的方法來判斷金屬材料中裂紋的狀況，可應用在高、低頻疲勞試驗機上。但測量精度受金屬表面、環境、溫度影響較大，測試精度不高。而且此方法為非可視的測試方法，根據國家標準規定，試驗過程中，必須定時採用可視方法進行校核。聲發射技術是20世紀60年發展起來的一種評價材料力學性能的無損檢測方法。由於機械零件在受カ狀態下產生裂紋和裂紋擴展時往往伴隨著聲發射現象的出現，因此採用聲發射技術對疲勞裂紋進行檢測已是裂紋檢測的一個新的方向，特別是聲發射能檢測到零件內部裂紋的萌生擴展情況，目前國內外均有研究聲發射檢測裂紋的機理、信號辯識極其應用研究。如清華大學機械工程系在進行「基於聲發射技術的金屬高頻疲勞監測」的研究，四川大學製造學院在進行基於模態聲發射理論的檢測技術的研究。但由於理論和技術的不成熟，實際工程應用不多。基於機械視覺技術的裂紋在線檢測方法，可以直觀、精確、實時地完成裂紋的檢測和進ー步的分析處理，是新的疲勞裂紋擴展速率檢測國家標準推薦的微小裂紋檢測方法，目前國外已有相關的研究與應用，而國內此方面的研究與報導相對較少。此方法的一大特點是可直觀地檢測與顯示裂紋形狀、裂紋發展的進程，省掉了標定與校核的過程，對整個試驗過程有據可查，反覆觀察和分析；另ー特點是可高精度檢測微小裂紋，從工程應用和發展的角度來開，測試含有微裂紋試件的力學性能非常重要，通過測試過程可掲示疲勞裂紋發展、擴大直至試件斷裂的力學規律。基於圖像處理技術的裂紋在線測量方法通過圖像採集、處理、分析計算，在線測量出裂紋長度尺寸，其中採集到完整、清晰、解析度高的圖像是圖像法測量系統最基本的一個環節，疲勞裂紋擴展試驗裂紋圖像的採集是一個動態採集過程，隨著疲勞試驗的進行疲勞裂紋萌生並緩慢擴展，可在攝像頭固定的情況下選擇合適的鏡頭和CCD，使擴展的裂紋一直處在視場內，這樣一次性採集包含整條裂紋的圖像，然後進行分析處理。如要高精度測量裂紋擴展尖端區域的尺寸，可採用專利《疲勞裂紋擴展試驗裂紋圖像採集方法及裝置》所提供的方法，在疲勞裂紋擴展過程中攝像頭跟蹤疲勞裂紋尖端並在精確定位的情況下採集裂紋圖像，根據相應的精確控制下攝像頭移動的距離進行不同時刻所採集裂紋圖像的拼接得到包含整條裂紋的試件圖像，得到包含整條裂紋的試件圖像後採用本方法對圖像進行處理分析計算出裂紋的實際裂紋長度和擴展方向及疲勞裂紋擴展試驗國家標準(GB/T6398-2000.金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法國家標準)規定的計算裂紋長度。實際裂紋長度既沿裂紋擴張方向的裂紋長度，疲勞裂紋擴展試驗標準規定的計算裂紋長度是指與 實際裂紋相當的直前緣裂紋長度，即從裂紋頂點到垂直於預製裂紋方向的標準線的垂直距離減去預製裂紋的長度。一般的情況下，如果試件材料熱處理均勻、加工完全滿足要求，試件安裝加載對中、垂直的情況下，疲勞裂紋基本沿著預製裂紋的方向直線延伸，計算裂紋長度等於實際裂紋長度，但實際情況裂紋擴展總會多少偏離預製裂紋方向，如果疲勞裂紋擴展方向偏離預製裂紋方向小於規定角度時，國家標準規定試驗是有效的，但此時計算裂紋長度不等於實際裂紋長度，現在通用的疲勞裂紋測量方法基本都是用實際裂紋長度來代替計算裂紋長度進行材料斷裂特性的分析。

發明內容
為了克服已有疲勞裂紋擴展試驗裂紋長度動態測量方法的過程繁瑣、勞動量大、精度低、抗幹擾性較差、裂紋擴展過程不能直觀精確地觀測記錄、國際標準規定的計算裂紋長度無法精確測量的不足，本發明提供ー種簡化過程、降低勞動量、精度高、抗幹擾性良好、可直觀精確地觀測記錄裂紋擴展過程、精確計算國際標準規定的計算裂紋長度的基於機械視覺技術的疲勞裂紋擴展試驗裂紋長度動態測量方法。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是一種基於機械視覺技術的疲勞裂紋擴展試驗裂紋長度測量方法，所述測量方法的步驟如下步驟I :機械視覺裂紋測量系統標定，具體步驟如下(I. I)將加工好的標定試件按要求進行安裝，通過計算機發命令給運動控制器，運動控制器控制攝像頭運動平臺帶動攝像頭沿設定路線運動至每個標定點；(1.2)採集標定試件圖像，依次求取標定點的亞像素定位坐標；(I. 3)求取水平標定線段的亞像素長度，並將其相對應的尺寸輸入，並將此標定數據儲存於數據文件內；(I. 4)求取垂直標定線段的像素長度，並將其相對應的尺寸輸入，並將此標定數據儲存於數據文件內；步驟2 :開始疲勞試驗，計算試件疲勞次數N，控制試驗載荷為所設定數值，所述試驗載荷包括正弦交變載荷的最大載荷，最小載荷及平均載荷，在此正弦交變載荷的作用下，帶有預製裂紋的試件開始沿預製裂紋方向產生疲勞裂紋並擴展；步驟3 :採集裂紋圖像，此處疲勞裂紋擴展試驗有兩種圖像採集模式，採集試件單面圖像和採集試件雙面圖像；步驟4 :對所採集圖像進行處理增強，圖像處理增強圖像灰度拉伸、中值濾波去噪和邊緣強化進行；步驟5 :通過圖像分析、裂紋識別的方法識別出裂紋主幹位置，包括裂紋頂點和裂紋擴展方向；具體步驟如下 (I)採用自適應的多閾值分割法來實現裂紋圖像的ニ值化；(2)採用單連接區域增長技術，利用裂紋像素的幅度和方向，以左邊界線為起點向右邊界生長，將具有相似性的像素點連接起來；( 3 )將連接後的裂紋骨架化；(4)採用壓縮編碼的方法將骨骼化後裂紋ニ值圖像單根寬度為I個像素的裂紋，將裂紋圖像轉換為保存裂紋點位置的ニ維數組；( 5 )解碼恢復細化後的圖像；步驟6 :裂紋尺寸、方向測量，裂紋長度測量包括沿裂紋擴展方向的實際裂紋長度測量和國家標準規定的計算裂紋長度，實際裂紋長度及裂紋擴展方向測量方法為對通過步驟4、5得到的裂紋主幹進行最小二乗法擬合得到裂紋擴展直線，計算裂紋擴展直線長度既實際裂紋長度，求擬合後裂紋直線和預製裂紋方向線的夾角得到裂紋擴展方向；計算裂紋長度的測量方法為在主機上下夾具嚴格對心的情況下，通過試件、夾具的加工和安裝保證夾具左邊界和夾具的中心線嚴格平行，同時使試件加カ線(既通過試件兩個定位中心孔圓心的直線)和夾具的中心線重合，採用圖像上可見的夾具左邊界為計算裂紋長度測量基準線，進行基準線的精確定位和裂紋頂點到基準線的垂直距離的計算，然後根據相應公式計算出實際計算裂紋的長度；具體步驟如下(I)採用基於1/4亞像素技術的方法求得裂紋頂點到標準線的垂線；(2)採用基於1/4亞像素步長搜索的方法求得標準線和裂紋頂點到標準線的垂線的交點；(3)計算裂紋頂點到標準線的像素垂直距離；(4)根據步驟I得到的標定文件將其轉換為真實長度；(5)根據相應公式計算出實際的裂紋的長度；(6)對步驟5得到的裂紋主幹進行最小二乗法擬合裂紋擴展直線；(7)求擬合後裂紋直線和預製裂紋方向線的夾角。進ー步,所述測量方法還包括步驟7 :對裂紋擴展狀態進行判斷，如裂紋擴展不滿足試驗條件，既疲勞裂紋擴展方向偏離預製裂紋方向大於規定角度或試件兩面裂紋長度尺寸之差大於規定數值，則停止試驗，如裂紋擴展滿足試驗條件記錄試驗數據，生成疲勞裂紋擴展曲線a-N及疲勞裂紋擴展曲線da-dN ；步驟8 :裂紋擴展試驗完成後進行綜合數據分析。再進一歩，所述步驟4中，圖像灰度拉伸採用分段線性變換函數法增加圖像的對比度，變換函數通過對圖像的灰度分析並通過多次實驗獲得，中值濾波去噪即可消除噪聲又可保留裂紋細節，邊緣強化採用基於垂直方向增強模版的Sobel算子進行邊界邊緣強化。更進一歩，所述步驟(5. I)中，採用自適應的多閾值分割法來實現裂紋圖像的ニ值化的過程為步驟5. I. I :確定目標區域R0I，根據裂紋擴展規律，裂紋在整個過程中所在的位置比較固定，沿試件水平中間區域近乎直線擴展，所以採用選取固定的ROI步驟5. I. 2 :把選定區域圖像分成MxN個子圖像；其中被分割的子圖像的個數選取 的原則是使每個子圖像內的亮度分布近似於均勻步驟5. 1.3 :計算每個子圖像的方差，確定不包含裂紋和背景間邊界的子圖像的方差範圍及包含裂紋和背景間邊界的子圖像的方差範圍步驟5. I. 4 :將所有不包含裂紋和背景間邊界的子圖像像素值設為255步驟5. I. 5 :對所有包含裂紋和背景間邊界的子圖像進行直方圖分析，計算閾值，基於圖像直方圖分析的試探性迭代方法步驟5. I. 6 :進行所有子圖像分割區域的邏輯並，就是圖像分割後的最後結果。所述步驟(5. 2)中，把兩個像素看成是連接圖中的ー個節點，把單個像素在空間與其它相鄰像素的特性進行比較，將特性足夠相似的相鄰像素連接起來，從而進行區域的增長。裂紋像素之間具有一定的相似性，都是從左邊界向右邊界擴展，大致保持水平，具有一定規律，即不會有太大的傾角。利用裂紋像素的幅度和方向來確定它們之間的相似性，以左邊界線為起點向右邊界生長，將具有相似性的像素點連接起來。所述步驟(5. 4)的具體過程如下設圖像尺寸為mXn，創建ー個跟圖像尺寸列數相等為n，行數為2的ニ維數組A，以圖像左邊界為起點，按列搜索。(5.4. I)遇到像素為O吋，繼續搜索。如果整列都沒有像素為I的點，將數組A對應列的兩個數置零。(5. 4. 2)遇到第一個像素為I的點時，判斷其為裂紋頂點，將該點位置(X，y)存入A對應列和寄存器B中。轉入下一列掃描。(5. 4. 3)其後將整列像素為I的點與前一列存入寄存器B中位置的點進行比較,取距離最近的點為裂紋點，將該點位置存入A對應列和寄存器B中，轉入下一列掃描；按此規則直至掃描結束，然後將編碼壓縮後得到的裂紋主幹數據還為裂紋主幹圖像。所述步驟(6. I)中，採用基於亞像素技術的方法進行夾具的左邊界的邊緣精確定位的過程為(6. I. I)選定目標區域，包含上夾具左邊緣的小矩形區域，靠近邊緣頂點和拐點(6. I. 2)採用基於垂直方向增強模版的Sobel算子進行邊界邊緣強化(6. I. 3)採用IMAQ Vision中亞像素邊沿定位函數IMAQ Edge Tool進行夾具左邊界四分之ー亞像素精確定位，得到上夾具左邊界定位坐標值(6. I. 4)計算邊緣最大橫坐標值Xmax及所選區域左邊界邊緣長度L(6. I. 5)根據邊緣定位坐標值進行最小ニ乘直線擬合，得到擬合後邊界直線的坐標值，求邊界方向(6. I. 6)根據試件及夾具尺寸，將擬合後的夾具所選區域左邊界沿邊界方向延伸直至超過試件預製裂紋中心線。所述步驟(6. 2)中，基於亞像素技術求裂紋頂點到標準線DEF的垂直距離，步驟如下(6. 2. I)由步驟(6. I)所得到的裂紋頂點以四分之一亞像素的步長，沿垂直於標準線DEFJ生成垂線AY，垂線終點Y需超過標準線DEFJ ；(6. 2. 2)搜索標準線DEFJ和垂線AY的交點N，標準線從上往下，垂線AY從左向右以四分之一亞像素的步長向前捜索，每搜索一步比較兩條線上得到的兩點的橫坐標差值，如差值小於或等於四分之一亞像素長度則捜索停止，此點既為兩線交點N ；(6. 2. 3)計算AN的像素距離，並根據標定信息，轉化為真實的尺寸。 所述步驟(I)中，法採用與疲勞裂紋擴展試驗所用試件具有同樣安裝與定位尺寸的高精度加工的標準試件進行系統標定，在標準試件垂直方向和水平方向加工出ー些具有不同尺寸的直角平臺，這些尺寸分布於水平方向和垂直方向的測量範圍內，對這些直角平臺的頂點進行亞像素精確定位，計算出相應頂點之間的距離，根據加工尺寸，進行水平和垂直方向的分段標定，得出系統垂直方向和水平方向分段標定數據；所述步驟(I. 2)中標定點亞像素精確定位方法如下(1.2. I)在標定點的水平線段內選取ー包圍水平邊緣的矩形區域，不包括標定點；(I. 2. 2)採用IMAQ Vision中亞像素邊沿定位函數IMAQ Edge Tool進行水平邊緣四分之ー亞像素精確定位，得到水平邊緣頂位坐標值；(1.2.3)計算邊緣點X坐標的平均值作為標定點的X坐標；(I. 2. 4)在標定點的垂直線段內選取ー包圍垂直邊緣的矩形區域，不包括標定點；(I. 2. 5)採用IMAQ Vision中亞像素邊沿定位函數IMAQ Edge Tool進行垂直邊緣四分之ー亞像素精確定位，得到垂直邊緣定位坐標值；(1.2.6)計算邊緣點Y坐標的平均值作為標定點的Y坐標。本發明的有益效果主要表現在I、基於數字圖像採集與處理技術的疲勞裂紋自動檢測方法的一大特點是可直觀地檢測與顯示裂紋形狀、裂紋發展的進程，省掉了標定過程與校核的過程，對整個試驗過程有據可查，反覆觀察和分析；2、疲勞裂紋識別測量精度高，尤其是可高精度檢測微小裂紋，測量裂紋尖端尺寸；3、採用本方法即可精確計算出實際裂紋長度和方向，又可精確計算出《金屬材料疲勞裂紋擴展速率試驗方法國家標準》GB/T 6398-2000所規定的計算裂紋長度，據此生成裂紋擴展曲線和裂紋擴展速率曲線；4、本方法為非接觸式裂紋測量方法，主要適用於緊湊拉伸和三點彎曲裂紋擴展試驗，其特點為裂紋為基本沿直線擴展的表面裂紋，疲勞裂紋裂紋擴展過程直觀可視，測量數據精確，試驗過程簡單可靠，採用本方法的系統可安裝在任何型號的可進行金屬疲勞裂紋擴展試驗的試驗機上，包括電液式低頻疲勞試驗機、電液和電磁式高頻疲勞試驗機及其它的各種疲勞試驗機上，應用範圍非常廣泛，如此項技術推廣開來，預計可取得巨大的經濟效益。


圖I是基於機械視覺技術的疲勞裂紋擴展試驗裂紋長度測量系統。圖2是機械視覺技術裂紋長度計算算法總流程圖。圖3是單區域增長圖像連接示意圖。圖4是疲勞裂紋擴展試驗夾具機構及計算裂紋長度測量示意圖。圖5是計算裂紋長度測量算法流程圖。 圖6是疲勞裂紋擴展試驗系統標定標準試件示意圖。圖7是機械視覺技術疲勞裂紋擴展試驗裂紋長度動態測量總流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進ー步描述。參照圖I 圖7，一種基於機械視覺技術的疲勞裂紋擴展試驗裂紋長度測量系統，包括被測試件、圖像成像及採集系統，攝像頭位置調整系統及計算機處理分析控制系統，除此之外，還有為保證疲勞裂紋擴展試驗進行必備的系統疲勞試驗機和由載荷控制器和載荷傳感器組成的疲勞試驗機載荷控制系統。CCD攝像頭、鏡頭、光源裝置安裝在攝像頭安裝支架上組成圖像成像単元，將帶有預製裂紋的CT緊湊試件安裝在產生設定交變載荷的疲勞試驗機上，試件在交變載荷的作用下裂紋不斷擴展，光源裝置所提供的光線照射在試件表面上，試件表面處理為慢反射，其均勻反射的光線通過鏡頭投影到CCD靶面上，CCD與數據採集卡通過通訊電纜相連，將CCD上所形成的裂紋試件圖像傳輸到圖像採集卡，圖像採集卡將此模擬圖像轉換為計算機可處理的數字圖像，通過圖像採集卡和計算機之間的通訊電纜將此數字圖像傳輸到計算機內；攝像頭運動定位平臺、攝像頭運動控制器及安裝在攝像頭運動定位平臺上的攝像頭運動位移測量傳感器組成攝像頭位置調整系統，可根據控制計算機發來的控制命令驅動攝像頭定位雲臺帶動攝像頭到達所要求的位置，採集到試驗所要求的圖像。計算機處理分析控制系統內最重要的內容是圖像處理裂紋長度計算模塊，通過對圖像採集系統對圖像進行採集、拼接後得到的完整裂紋圖像進行處理、識別、計算後得到所要求的裂紋尺寸。圖2為機械視覺技術裂紋長度計算算法總流程圖，本發明所提出的基於圖像處理技術的疲勞裂紋動態測量方法首先對所採集的裂紋圖像進行處理增強裂紋邊界，然後進行裂紋圖像分析識別和裂紋尺寸測量。圖像處理增強通過圖像灰度拉伸、中值濾波去噪和邊緣強化進行；對強化後的圖像通過圖像分割、圖像連接、裂紋圖像骨骼化、裂紋圖像細化來實現裂紋圖像的識別；對識別出來的裂紋通過捜索得到裂紋位置，獲取裂紋頂點和裂紋擴展方向，測量實際裂紋像素長度和方向，測量計算裂紋像素長度，最後根據系統標定信息將其轉換為真實裂紋長度。圖像處理增強通過圖像灰度拉伸、中值濾波去噪和邊緣強化進行，圖像灰度拉伸採用分段線性變換函數法增加圖像的對比度，變換函數通過對圖像的灰度分析並通過多次實驗獲得，中值濾波去噪即可消除噪聲又可保留裂紋細節，邊緣強化採用基於垂直方向增強模版的Sobel算子進行邊界邊緣強化，本發明所採用的圖像分割方法是ー種自適應動態閾值分割法，由於裂紋處於複雜的背景當中，並且存在照明不均勻的情況，運用直方圖閾值分割法、Otsu法閾值分割等很難直接將目標與背景分離，本發明採用ー種自適應的多閾值分割法來實現圖像ニ值化。算法步驟如下步驟I :確定目標區域R0I，根據裂紋擴展規律，裂紋在整個過程中所在的位置比較固定，沿試件水平中間區域近乎直線擴展，所以採用選取固定的ROI步驟2 :把選定區域圖像分成mxn個子圖像；其中被分割的子圖像的個數選取的原則是使每個子圖像內的亮度分布近似於均勻步驟3 :計算每個子圖像的方差，確定不包含裂紋和背景間邊界的子圖像的方差 範圍及包含邊界的子圖像的方差範圍步驟4 :將所有不包含裂紋和背景間邊界的子圖像像素值設為255步驟5 :對所有包含邊界的子圖像進行直方圖分析，計算閾值，基於圖像直方圖分析的試探性迭代方法步驟6 :進行所有子圖像分割區域的邏輯並，就是圖像分割後的最後結果。本發明所採用的裂紋連接方法為ー種單連接區域增長技術，把兩個像素看成是連接圖中的ー個節點，把單個像素在空間與其它相鄰像素的特性進行比較，將特性足夠相似的相鄰像素連接起來，從而進行區域的增長。裂紋像素之間具有一定的相似性，都是從左邊界向右邊界擴展，大致保持水平，具有一定規律，即不會有太大的傾角。利用裂紋像素的幅度和方向來確定它們之間的相似性，以左邊界線為起點向右邊界生長，將具有相似性的像素點連接起來。實現方法描述如下(I)左邊界開始，每列掃描，如遇到像素值為I時，判斷該像素點左邊小區域內像素值，如果為1，則將該點歸類到區域內進行增長。如圖3所示，當掃描到A點時，判斷B類點是否有為1，C類點不考慮。當為I時，即B12 U B13 U B21 U B22 U B23 U B32 U B33=I認為A點為裂紋區域內點，進行擴展。當為O吋，即=B12U B13 U B21 U B22 U B23 U B32 U B33=O 將 A 點像素值置零。(2)每列掃描，如遇到像素值為O時，繼續掃描。斷邊的情況分為兩種，下面對斷邊連接的實現當B13、B23、B33 都為零，而 B12 U B22 U B32=I 時，將 B23 置 I ;當B12、B22、B32、B13、B23、B33 都為零，而 B21=I 時，將 B22> B23 直 I。本發明所採用的裂紋細化方法是先將連接後的裂紋骨架化，後採用壓縮編碼的方法將骨骼化後裂紋ニ值圖像再進行處理，轉化為單根寬度為I個像素的裂紋圖像，將裂紋圖像轉換為保存裂紋點位置的ニ維數組。然後解碼恢復細化後的圖像實現算法描述如下設圖像尺寸為mXn，創建ー個跟圖像尺寸列數相等為n，行數為2的ニ維數組A，以圖像左邊界為起點，按列搜索。
(I)遇到像素為O吋，繼續搜索。如果整列都沒有像素為I的點，將數組A對應列的兩個數置零。(2)遇到第一個像素為I的點時，判斷其為裂紋頂點，將該點位置(x，y)存入A對應列和寄存器B中。轉入下一列掃描。(3)其後將整列像素為I的點與前一列存入寄存器B中位置的點進行比較，取距離最近的點為裂紋點，將該點位置存入A對應列和寄存器B中。轉入下一列掃描。按此規則直至掃描結束。然後將編碼壓縮後得到的裂紋主幹數據還為裂紋主幹圖像本發明所採用裂紋長度和方向測量方法如下裂紋長度測量包括沿裂紋擴展方向的實際裂紋長度測量和國家標準規定的計算裂紋長度，實際裂紋長度及裂紋擴展方向測量方法為對得到的裂紋主幹進行最小二乗法 擬合得到裂紋擴展直線，計算裂紋擴展直線長度既實際裂紋長度，求擬合後裂紋直線和預製裂紋方向線(既水平直線)的夾角得到裂紋擴展方向。計算裂紋長度的測量方法為在主機上下夾具嚴格對心的情況下，通過試件、夾具的加工和安裝保證夾具左邊界和夾具的中心線嚴格平行，同時使試件加カ線(既通過試件兩個定位中心孔圓心的直線)和夾具的中心線重合，採用圖像上可見的夾具左邊界為計算裂紋長度測量的基準線，根據上述方法求得裂紋頂點及其主幹位置後，進行基準線的精確定位和裂紋頂點到標準線的垂直距離的精確計算，然後根據相應公式計算出實際計算裂紋的長度。本發明採用基於亞像素技術的方法進行標準線邊緣精確定位及裂紋頂點到標準線的垂直距離的精確計算下面以C(T)試樣為例結合圖4，圖5說明其具體的實施方式步驟I :本方法要結合圖4所示C(T)緊湊拉伸疲勞試驗夾具安裝定位裝置加以實施，此裝置由試件3，夾具4，定位套筒5，定位螺杆1，壓緊墊圏，鎖緊螺母2，夾具安裝定位法蘭6組成，夾具組件有上下兩個，相對於試件中心線對稱，試件安裝在上下夾具中間，通過兩個長度相等的定位套筒5及定位螺杆I，壓緊墊圏，鎖緊螺母2安裝定位，使試件加カ線HI (既通過試件兩個定位中心孔圓心的直線)和夾具的中心線重合，保證試驗機產生的試驗載荷通過夾具沿試件加カ線作用於試件上。圖中8為擴展的疲勞裂紋，7為預製裂紋。步驟2 :疲勞試驗標準規定試件加カ線HI為裂紋計算標準線，但從圖像上直接求加カ線有一定難度，因已通過步驟I使試件加力線和夾具的中心線重合，本方法通過求出夾具的左邊界DEFJ從而推出加カ線的位置，本發明採用基於亞像素技術的方法進行夾具的左邊界DEFJ的邊緣精確定位及計算裂紋長度的測量，算法流程圖如圖5所示，具體步驟如下(I)選定目標區域，如圖4所示，包含上夾具邊緣DE的小矩形區域，儘量靠近頂點D和拐點E但不包括D和E(2)採用基於垂直方向增強模版的Sobel算子進行邊界邊緣強化 (3)採用IMAQ Vision中亞像素邊沿定位函數IMAQ Edge Tool進行夾具左邊界四分之ー亞像素精確定位，得到上夾具左邊界定位坐標值(4)計算邊緣最大橫坐標值Xmax及所選區域邊緣長度L(5)根據邊緣定位坐標值進行最小ニ乘直線擬合，得到擬合後所選區域左邊界直線的坐標值，求邊界方向
(6)根據試件及夾具尺寸，將擬合後的夾具所選區域左邊界沿邊界方向延伸直至超過試件預製裂紋中心線。步驟3 :基於亞像素技術求裂紋頂點A到標準線DEFJ的垂直距離，步驟如下(7)由所得到的裂紋頂點A以四分之一亞像素的步長，沿垂直於標準線DEFJ生成垂線AY，垂線終點B需超過標準線DEFJ(8)捜索標準線DEFJ和垂線AY的交點N，標準線從上往下，垂線AY從右向左以四分之一亞像素的步長向前捜索，每搜索一步比較兩條線上得到的兩點的橫坐標差值，如差值小於或等於四分之一亞像素長度則捜索停止，此點既為兩線交點N(9)計算AN的像素距離，並根據標定信息，轉化為真實的尺寸
步驟4 :根據試件加工及安裝尺寸，如圖4所示AN距離減去1/2夾具寬度再減去預製裂紋頂點到加力中心線的距離就等於計算裂紋擴展的長度。本發明採用的圖像標定方法為方法採用與疲勞裂紋擴展試驗所用試件具有同樣安裝與定位尺寸的高精度加工的標準試件進行系統標定，在標準試件垂直方向和水平方向加工出ー些具有不同尺寸的直角平臺如圖6所示，這些尺寸分布於水平方向和垂直方向的測量範圍內，對這些直角平臺的定點進行亞像素精確定位，計算出相應頂點之間的距離，根據加工尺寸，進行水平和垂直方向的分段標定，得出系統垂直方向和水平方向分段標定數據。標定系統包括標定所用標準試件，鏡頭，CCD攝像頭，數據採集卡，計算機，標定軟體。攝像頭運動平臺及運動控制器。標定點亞像素精確定位方法如下(I)在標定點的水平線段內選取ー包圍水平邊緣的矩形區域，不包括標定點(2)採用IMAQ Vision中亞像素邊沿定位函數IMAQ Edge Tool進行水平邊緣四分之ー亞像素精確定位，得到水平邊緣定位坐標值(3)計算邊緣點X坐標的平均值作為標定點的X坐標(4)在標定點的垂直線段內選取ー包圍垂直邊緣的矩形區域，不包括標定點(5)採用IMAQ Vision中亞像素邊沿定位函數IMAQ Edge Tool進行垂直邊緣四分之ー亞像素精確定位，得到垂直邊緣定位坐標值(6)計算邊緣點Y坐標的平均值作為標定點的Y坐標具體實施方式
如下步驟I :將加工好的標準試件如圖6所示，按圖4所示進行安裝，通過計算機發命令給運動控制器，運動控制器控制攝像頭運動平臺帶動攝像頭沿設定路線運動至每個標疋點。步驟2 :採集試件圖像，通過相應的標定軟體依次求取標定點B, C，D, E, F，G, H, I, J, K, L, M,的亞像素定位坐標，標定點亞像素精確定位方法如下(I)在標定點的水平線段內選取ー包圍水平邊緣的矩形區域，不包括標定點(2)採用IMAQ Vision中亞像素邊沿定位函數IMAQ Edge Tool進行水平邊緣四分之ー亞像素精確定位，得到水平邊緣定位坐標值(3)計算邊緣點X坐標的平均值作為標定點的X坐標(4)在標定點的垂直線段內選取ー包圍垂直邊緣的矩形區域，不包括標定點(5)採用IMAQ Vision中亞像素邊沿定位函數IMAQ Edge Tool進行垂直邊緣四分之ー亞像素精確定位，得到垂直邊緣定位坐標值(6)計算邊緣點Y坐標的平均值作為標定點的Y坐標步驟3 :求取水平標定線段⑶，EF, GH, IJ, LK的像素長度，並將其相對應的尺寸輸入如圖為O. 5m, lm, I. 5m, 2m, 3m,並將此標定數據儲存於數據文件內步驟4 :求取垂直標定線段BC，DE, JK,，HI的像素長度，並將其相對應的尺寸輸入如圖為O. 5m, lm, I. 5m, 2m將成對數據存儲於ニ維數組內，並將此標定數據儲存於數據文件內。圖7為機械視覺技術疲勞裂紋擴展試驗裂紋長度動態測量總流程圖。具體試驗步驟如下
步驟I :機械視覺裂紋測量系統標定，具體步驟如下(I)將加工好的標定試件按要求進行安裝，通過計算機發命令給運動控制器，運動控制器控制攝像頭運動平臺帶動攝像頭沿設定路線運動至每個標定點；(2)採集標定試件圖像，通過相應的標定軟體依次求取標定點的亞像素定位坐標(3)求取水平標定線段的亞像素長度，並將其相對應的尺寸輸入，並將此標定數據儲存於數據文件內；(4)求取垂直標定線段的像素長度，並將其相對應的尺寸輸入,並將此標定數據儲存於數據文件內；步驟2 :開始疲勞試驗，計算試件疲勞次數N，控制試驗載荷為所設定數值(包括正弦交變載荷的最大載荷，最小載荷及平均載荷)，在此正弦交變載荷的作用下，帶有預製裂紋的試件開始沿預製裂紋方向產生疲勞裂紋並擴展；步驟3 :採集裂紋圖像，此處疲勞裂紋擴展試驗有兩種圖像採集模式，採集試件單面圖像和採集試件雙面面圖像；步驟4 :對所採集圖像進行處理增強，圖像處理增強通過圖像灰度拉伸、中值濾波去噪和邊緣強化進行；步驟5 :通過圖像分析、裂紋識別的方法識別出裂紋主幹位置，包括裂紋頂點和裂紋擴展方向，具體步驟如下(I)採用ー種自適應的多閾值分割法來實現裂紋圖像的ニ值化；(2)採用ー種單連接區域增長技術，利用裂紋像素的幅度和方向，以左邊界線為起點向右邊界生長，將具有相似性的像素點連接起來；(3)將連接後的裂紋骨架化；(4)採用壓縮編碼的方法將骨骼化後裂紋ニ值圖像細化為單根寬度為I個像素的裂紋，將裂紋圖像轉換為保存裂紋點位置的ニ維數組；(5)解碼恢復細化後的圖像；步驟6 :裂紋尺寸、方向測量。計算裂紋頂點到垂直於預製裂紋方向的標準線的垂直距離減去預製裂紋的長度既得到裂紋像素長度，然後根據相應公式計算出實際的裂紋的長度；具體步驟如下(I)採用基於1/4亞像素技術的方法進行標準線邊緣精確定位；(2)採用基於1/4亞像素技術的方法求得裂紋頂點到標準線的垂線；(3)採用基於1/4亞像素步長搜索的方法求得標準線和裂紋頂點到標準線的垂線的交點；(4)計算裂紋頂點到標準線的像素垂直距離；(5)根據步驟I得到的標定文件將其轉換為真實長度；(6)根據相應公式計算出實際的裂紋的長度；(7)對步驟5得到的裂紋主幹進行最小二乗法擬合裂紋擴展直線，；(8)求擬合後裂紋直線和預製裂紋方向線(既水平直線)的夾角；步驟7 :對裂紋擴展狀態進行判斷，如裂紋擴展不滿足試驗條件(試件兩面裂紋長度差，裂紋擴展偏離預製裂紋方向)，則停止試驗，如裂紋擴展滿足試驗條件記錄試驗數據，生成疲勞裂紋擴展曲線a-N及疲勞裂紋擴展曲線da-dN ；
步驟8 :裂紋擴展試驗完成後進行綜合數據分析。
權利要求
1.一種基於機械視覺技術的疲勞裂紋擴展試驗裂紋長度測量方法，其特徵在於 所述測量方法的步驟如下 步驟I:機械視覺裂紋測量系統標定，具體步驟如下 (I. I)將加工好的標定標準試件按要求進行安裝，通過計算機發命令給攝像頭運動控制器，運動控制器控制攝像頭運動平臺帶動攝像頭沿設定路線運動至每個標定點； (I. 2)採集標定試件圖像，依次求取標定點的亞像素定位坐標； (1.3)求取水平標定線段的亞像素長度，並將其相對應的尺寸輸入，並將此標定數據儲存於數據文件內； (1.4)求取垂直標定線段的像素長度，並將其相對應的尺寸輸入,並將此標定數據儲存於數據文件內； 步驟2 :開始疲勞試驗，計算試件疲勞次數N，控制試驗載荷為所設定數值，所述試驗載荷包括正弦交變載荷的最大載荷，最小載荷及平均載荷，在此正弦交變載荷的作用下，帶有預製裂紋的試件開始沿預製裂紋方向產生疲勞裂紋並擴展； 步驟3 :採集裂紋圖像，此處疲勞裂紋擴展試驗有兩種圖像採集模式，採集試件單面圖像或採集試件雙面圖像； 步驟4 :對所採集圖像進行處理增強，圖像處理增強通過圖像灰度拉伸、中值濾波去噪和邊緣強化進行； 步驟5 :通過圖像分析、裂紋識別的方法識別出裂紋主幹位置，包括裂紋頂點和裂紋擴展方向；具體步驟如下 (5. I)採用自適應的多閾值分割法來實現裂紋圖像的ニ值化； (5. 2)採用單連接區域增長技術，利用裂紋像素的幅度和方向，以左邊界線為起點向右邊界生長，將具有相似性的像素點連接起來； (5.3)將連接後的裂紋骨架化； (5. 4)採用壓縮編碼的方法將骨骼化後裂紋ニ值圖像細化為單根寬度為I個像素的裂紋圖像，將裂紋圖像轉換為保存裂紋點位置的ニ維數組； (5. 5)解碼恢復細化後的圖像； 步驟6:裂紋尺寸、方向測量，裂紋長度測量包括沿裂紋擴展方向的實際裂紋長度測量和國家標準規定的計算裂紋長度，實際裂紋長度及裂紋擴展方向測量方法為對通過步驟·4、5得到的裂紋主幹進行最小二乗法擬合得到裂紋擴展直線，計算裂紋擴展直線長度既實際裂紋長度，求擬合後裂紋直線和預製裂紋方向線的夾角得到裂紋擴展方向；計算裂紋長度的測量方法為在主機上下夾具嚴格對心的情況下，通過試件、夾具的加工和安裝保證夾具左邊界和夾具的中心線嚴格平行，同時使試件加力線和夾具的中心線重合，採用圖像上可見的夾具左邊界為計算裂紋長度測量基準線，進行基準線的精確定位和裂紋頂點到基準線的垂直距離的計算，然後根據相應公式計算出實際計算裂紋的長度；具體步驟如下 (6. I)採用基於1/4亞像素技術的方法進行標準線邊緣精確定位； (6. 2)採用基於1/4亞像素技術的方法求得裂紋頂點到標準線的垂線； (6.3)採用基於1/4亞像素步長搜索的方法求得標準線和裂紋頂點到標準線的垂線的交點； (6. 4)計算裂紋頂點到標準線的像素垂直距離；(6.5)根據步驟I得到的標定文件將其轉換為真實長度； (6. 6)計算實際計算裂紋的長度，裂紋頂點到標準線的垂直距離減去1/2夾具寬度和預製裂紋頂點到加力中心線的距離就等於計算裂紋的長度； (6.7)對步驟5得到的裂紋主幹進行最小二乗法擬合裂紋擴展直線； (6. 8)求擬合後裂紋直線和預製裂紋方向線的夾角。
2.如權利要求I所述的ー種基於機械視覺技術的疲勞裂紋擴展試驗裂紋長度測量方法，其特徵在於，所述測量方法還包括 步驟7 :對裂紋擴展狀態進行判斷，如裂紋擴展不滿足試驗條件，既疲勞裂紋擴展方向偏離預製裂紋方向大於規定角度或試件兩面裂紋長度尺寸之差大於規定數值，則停止試驗，如裂紋擴展滿足試驗條件記錄試驗數據，生成疲勞裂紋擴展曲線a-N及疲勞裂紋擴展曲線da-dN ； 步驟8 :裂紋擴展試驗完成後進行綜合數據分析。
3.如權利要求I或2所述的ー種基於機械視覺技術的疲勞裂紋擴展試驗裂紋長度測量方法，其特徵在於所述步驟4中，圖像灰度拉伸採用分段線性變換函數法增加圖像的對比度，變換函數通過對圖像的灰度分析並通過多次實驗獲得，中值濾波去噪即可消除噪聲又可保留裂紋細節，邊緣強化採用基於垂直方向增強模版的Sobel算子進行邊界邊緣強化。
4.如權利要求I或2所述的ー種基於機械視覺技術的疲勞裂紋擴展試驗裂紋長度測量方法，其特徵在於所述步驟(5. I)中，採用自適應的多閾值分割法來實現裂紋圖像的ニ值化過程為 步驟5. I. I :確定目標區域R0I，根據裂紋擴展規律，裂紋在整個過程中所在的位置比較固定，沿試件水平中間區域近乎直線擴展，所以採用選取固定的ROI 步驟5. I. 2 :把選定區域圖像分成MxN個子圖像；其中被分割的子圖像的個數選取的原則是使每個子圖像內的亮度分布近似於均勻 步驟5. I. 3 :計算每個子圖像的方差，確定不包含裂紋和背景間邊界的子圖像的方差範圍及包含裂紋和背景間邊界的子圖像的方差範圍 步驟5. I. 4 :將所有不包含裂紋和背景間邊界的子圖像像素值設為255步驟5. 1.5 :對所有包含裂紋和背景間邊界的子圖像進行直方圖分析，計算閾值，基於圖像直方圖分析的試探性迭代方法 步驟5. I. 6 :進行所有子圖像分割區域的邏輯並，就是圖像分割後的最後結果。
5.如權利要求I或2所述的ー種基於機械視覺技術的疲勞裂紋擴展試驗裂紋長度測量方法，其特徵在於所述步驟(5. 2)中，把兩個像素看成是連接圖中的ー個節點，把單個像素在空間與其它相鄰像素的特性進行比較，將特性足夠相似的相鄰像素連接起來，從而進行區域的增長；裂紋像素之間具有一定的相似性，都是從左邊界向右邊界擴展，大致保持水平，具有一定規律，即不會有太大的傾角；利用裂紋像素的幅度和方向來確定它們之間的相似性，以左邊界線為起點向右邊界生長，將具有相似性的像素點連接起來。
6.如權利要求I或2所述的ー種基於機械視覺技術的疲勞裂紋擴展試驗裂紋長度測量方法，其特徵在於所述步驟(5. 4)的具體過程如下 設圖像尺寸為mXn，創建ー個跟圖像尺寸列數相等為n，行數為2的ニ維數組A，以圖像右邊界為起點，按列搜索；(5.4. I)遇到像素為O吋，繼續搜索。如果整列都沒有像素為I的點，將數組A對應列的兩個數置零； (5. 4. 2)遇到第一個像素為I的點時，判斷其為裂紋頂點，將該點位置(x，y)存入A對應列和寄存器B中,轉入下一列掃描； (5. 4. 3)其後將整列像素為I的點與前一列存入寄存器B中位置的點進行比較，取距離最近的點為裂紋點，將該點位置存入A對應列和寄存器B中，轉入下一列掃描； 按此規則直至掃描結束，然後將編碼壓縮後得到的裂紋主幹數據還為裂紋主幹圖像。
7.如權利要求I或2所述的ー種基於機械視覺技術的疲勞裂紋擴展試驗裂紋長度測量方法，其特徵在於所述步驟(6. I)中，採用基於亞像素技術的方法進行夾具的左邊界的邊緣精確定位的過程為 (6. I. I)選定目標區域，包含上夾具左邊緣的小矩形區域，靠近邊緣頂點和拐點(6. I. 2)採用基於垂直方向增強模版的Sobel算子進行邊界邊緣強化(6. I. 3)採用IMAQ Vision中亞像素邊沿定位函數IMAQ Edge Tool進行夾具左邊界四分之ー亞像素精確定位，得到上夾具左邊界定位坐標值 (6. I. 4)計算邊緣最大橫坐標值Xmax及所選區域左邊界邊緣長度L(6. I. 5)根據邊緣定位坐標值進行最小ニ乘直線擬合，得到擬合後邊界直線的坐標值，求邊界方向 (6. I. 6)根據試件及夾具尺寸，將擬合後的夾具所選區域左邊界沿邊界方向延伸直至超過試件預製裂紋中心線。
8.如權利要求5所述的ー種基於機械視覺技術的疲勞裂紋擴展試驗裂紋長度測量方法，其特徵在於所述步驟(6. 2)中，基於亞像素技術求裂紋頂點到標準線DEF的垂直距離，步驟如下 (6. 2. I)由步驟(6. I)所得到的裂紋頂點以四分之一亞像素的步長，沿垂直於標準線DEFJ生成垂線AY，垂線終點Y需超過標準線DEFJ ； (6. 2. 2)搜索標準線DEFJ和垂線AY的交點N，標準線從上往下，垂線AY從左向右以四分之一亞像素的步長向前捜索，每搜索一步比較兩條線上得到的兩點的橫坐標差值，如差值小於或等於四分之一亞像素長度則捜索停止，此點既為兩線交點N ； (6. 2.3)計算AN的像素距離，井根據標定信息，轉化為真實的尺寸。
9.如權利要求I或2所述的ー種基於機械視覺技術的疲勞裂紋擴展試驗裂紋長度測量方法，其特徵在於所述步驟(I)中，採用與疲勞裂紋擴展試驗所用試件具有同樣安裝與定位尺寸的高精度加工的標準試件進行系統標定，在標準試件垂直方向和水平方向加工出一些具有不同尺寸的直角平臺，這些尺寸分布於水平方向和垂直方向的測量範圍內，對這些直角平臺的頂點進行亞像素精確定位，計算出相應頂點之間的距離，根據加工尺寸，進行水平和垂直方向的分段標定，得出系統垂直方向和水平方向分段標定數據； 所述步驟(I. 2)中標定點亞像素精確定位方法如下 (I. 2. I)在標定點的水平線段內選取ー包圍水平邊緣的矩形區域，不包括標定點； (I. 2. 2)採用IMAQ Vision中亞像素邊沿定位函數IMAQ Edge Tool進行水平邊緣四分之ー亞像素精確定位，得到水平邊緣頂位坐標值； (I. 2. 3)計算邊緣點X坐標的平均值作為標定點的X坐標；(I. 2. 4)在標定點的垂直線段內選取ー包圍垂直邊緣的矩形區域,不包括標定點； (I. 2. 5)採用IMAQ Vision中亞像素邊沿定位函數IMAQ Edge Tool進行垂直邊緣四分之ー亞像素精確定位，得到垂直邊緣定位坐標值； (I. 2. 6)計算邊緣點Y坐標的平均值作為標定點的Y坐標。
10.如權利要求I所述的ー種基於機械視覺技術的疲勞裂紋擴展試驗裂紋長度測量方法，其特徵在幹，實現所述測量方法的相關裝置包括被測試件、圖像成像及採集系統，攝像頭位置調整系統及計算機處理分析控制系統，除此之外，還有為保證疲勞裂紋擴展試驗進行必備的疲勞試驗機和載荷控制系統；CCD攝像頭、鏡頭、光源裝置安裝在攝像頭安裝支架上組成圖像成像単元，將帶有預製裂紋的CT緊湊試件安裝在產生設定交變載荷的疲勞試驗機上，試件在交變載荷的作用下裂紋不斷擴展，光源裝置所提供的光線照射在試件表面上，試件表面處理為慢反射，均勻反射的光線通過鏡頭投影到CCD靶面上，CCD與數據採集卡通過通訊電纜相連，將CCD上所形成的裂紋試件圖像傳輸到圖像採集卡，圖像採集卡將此模擬圖像轉換為計算機可處理的數字圖像，通過圖像採集卡和計算機之間的通訊電纜將此數字圖像傳輸到計算機內；攝像頭運動定位平臺、攝像頭運動控制器及攝像頭運動位移測量傳感器組成攝像頭位置調整系統，可根據控制計算機發來的控制命令驅動攝像頭定位雲臺帶動攝像頭到達所要求的位置，採集到試驗所要求的圖像；計算機處理分析控制系統內最重要的程序模塊是圖像處理裂紋長度計算模塊，此程序模塊採用如權利要求I所述的疲勞裂紋擴展試驗裂紋長度測量方法，對圖像採集系統所採集裂紋圖像進行處理、識別、計算後得到所要求的裂紋尺寸。
全文摘要
一種基於機械視覺技術的疲勞裂紋擴展試驗裂紋長度動態測量方法，步驟如下步驟1機械視覺裂紋測量系統標定；步驟2開始疲勞試驗，在正弦交變載荷的作用下，帶有預製裂紋的試件開始沿預製裂紋方向產生疲勞裂紋並擴展；步驟3採集裂紋圖像，此處疲勞裂紋擴展試驗有兩種圖像採集模式，採集試件單面圖像或採集試件雙面圖像；步驟4對所採集圖像進行增強處理；步驟5通過圖像分析、裂紋識別的方法識別出裂紋主幹位置，包括裂紋頂點和裂紋擴展方向；步驟6計算實際裂紋擴展長度和計算裂紋長度。本發明簡化過程、降低勞動量、可直觀精確地觀測記錄裂紋擴展過程、精確測量國際標準規定的計算裂紋長度、測量精度高、系統抗幹擾性好。
文檔編號G01N3/06GK102692188SQ201210140590
公開日2012年9月26日 申請日期2012年5月8日 優先權日2012年5月8日
發明者吳麗華, 王建淼, 邵新陽, 高紅俐, 齊子誠 申請人:浙江工業大學