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光彈性等傾線自動測量儀

發布時間:2017-11-22

1引言

光彈性力學是應用光學的基本原理,結合力學的理論,通過數學工具的推演,以實驗為主要手段去研究結構物中的應力、應變和位移等力學量的一門學科。它具有全場性、可視性及非接觸式測量等特點,能較直觀地反映出受載物體內部的受力狀態。

光測力學作為解決工程實際問題的一個重要手段,光測數據與圖像信息的自動化采集與處理,是光測力學現代化的重要標志之一,也是提高光測力學方法測試精度與速度的關鍵之一,已成為光測力學研究中的一個重點。

2原理與內容

在光彈性力學中,等差(色)線和等傾線條紋是光彈性應力分析最基本、最有用的信息。目前,等差線的全場實時測繪方法已十分成熟,但是,等傾線的全場同時實時測繪卻是光彈性力學實驗一直未解決的難題?,F在國內外所有的普通光彈性系統,在測取等傾線時,都是靠一次同步旋轉起偏鏡和檢偏鏡來實現的。每旋轉一次起偏鏡和檢偏鏡,在應力光圖上只能顯現一條對應于某主應力方向的等傾線,然后再徒手描繪或拍片,獲得等傾線數據。這種方法費時、費力,精度難以保證。本文所介紹的全場光彈性自動檢測方法,可以獲得同時含有的兩條等傾線和等差線的光彈性應力光圖,其等傾線的分離是在同一幅應力光圖上進行的。這樣就縮短了圖像采集和處理時間,處理精度也有很大提高。

全場光彈性等傾線自動測量裝置主要由光學部分、機械部分及電器電子部分組成,系統的基本結構如圖1所示。光學部分包括激光光源、各類反射鏡、擴束鏡、準直鏡及起偏鏡、檢偏鏡等,主要利用光彈性材料的光彈效應(暫時雙折射效應)及相似定律獲取研究對象的等差線、等傾線,以研究對象內部的應力狀況。根據雙折射效應,當把平面應力模型置于平面偏振光場中,光彈性偏振系統的光強可以表示為:

在垂直于檢偏鏡偏振軸的主應力方向上的點,將沒有光出射。所有的這些點組成黑色條紋,在條紋上的所有的點都有相同的主應力方向,這樣的條紋稱之為等傾線。當主應力方向垂直于偏振軸的方向時出現等傾線,一旦同時轉動等差線和等傾線時,將只會觀察到第一主應力方向的等傾線。因此,傳統的測量機構不能同時探測到全場的等傾線而只能一個一個地手工探測。

本系統中機械傳動機構與旋轉編碼器所組成的等傾線全場檢測裝置的旋轉由交流伺服電動機驅動,伺服控制系統根據人機界面及實時過程控制程序的指令,可對電機的轉速、轉角(對應于旋轉編碼器的輸出和偏振軸的傾角)及轉矩進行控制。

在系統的初始階段,微機系統向伺服電路發出指令,打開電機伺服控制觸點,并進行零度傾角尋位。尋位確定后初始內存中的相關參量,加速電機使之全速運行,待電機轉速穩定后,相對應的光脈沖時間間隔就穩定下來;在曝光控制脈沖及相應的定位脈沖控制下,數字照相機實現,一個周期中連續曝光取像,在計算機內設定的相機幀存體分區內采集一幀多場的圖片。圖像的采集方式采用人工預設定――全自動采集和在人工干預的情況下半自動采集以及全手動采集三種模式進行。操作人員可以根據特定的需求,有目的地選擇拍攝不同的等差線、等傾線圖集。圖像卡將采集到的圖像輸送到計算機PCI總線上,可以由硬盤存儲下來并顯示在圖像顯示器上。

微機工作站用于上述過程的監控,監控程序用VC++語言編寫,工作在WinNT平臺上,全部軟件內容包括:

1.硬件控制和數據采集部分;主要完成對全場光彈性等傾線實時采集過程的計算機控制;對伺服電機進行轉角/速度閉環反饋控制。微機對運轉過程進行監控和計算,穩定電機轉速,確定曝光時間,實時中斷處理采集請求,使用電子快門器件拍攝到轉動一周內任意指定的與不同角度相對應的等傾線、等差線圖像,保證采集到更加清晰的不同角度主應力方向的等傾線的圖像。

2.圖像處理部分;包括:圖像濾波,圖像增強與均衡化,圖像壓縮,等差線、等傾線分離提取(邊緣探測、中心線提取、擬和及細化)。

等差線和等傾線邊緣檢測、分離提取部分以小波技術作為主要的應用手段。實踐證明,基于二進小波變換的處理方法,由于其提供了信號多尺度分析方法及變換不破壞信號在時間域上的平移不變性,適合不同尺度下的奇異點和邊緣檢測,并具有抑制噪聲的作用。

中心線的細化就是求出等傾線的骨架,圖像的骨架是描述圖像的幾何及拓撲性質的重要特征之一,也是計算受載荷物體內部應力場的依據。目前等差線的光學細化方法已經比較成熟,但需要復雜的光學設備和光路,操作也需要很多經驗積累;而等傾線的細化工作則一直依賴手工,所以必然造成人為誤差,這正是目前許多學者努力開展計算機識別工作的原因。

細化較為常用的是絕對中心線法,此方法首先將圖像按照一定的閾值進行二值化,對所得黑白二值圖像進行分析處理,取等傾線對應的面積的中心點為輸出結果,匯總后可迅速地得到完整的等傾線。但此法亦有其明顯的缺點,首先是受噪聲的干擾影響特別大,其寬度受等差線的連續干擾且不易根除;其次由于等傾線是按弧線分布的,用不同的窗口及窗口傾角所得等傾線有很大差別;最后,所得的細化等傾線實際上是其幾何中心線,與物理意義上的等傾線有一定差別,所以必須采用提取光學中心線的方法進行細化。

基于光學中心線的等傾線細化工作多以灰度變化為依據,結合一階或二階導數變換組成。實際的等傾線灰度剖面主要有兩種:脈沖狀和屋脊狀。脈沖狀主要對應引力集中區或條紋級數很多時的細條紋,而屋脊狀對應紋理級別較稀松的情況。脈沖狀條紋灰度變化快,可以用導數的過零值來檢測中心線,也可用二階導數的幅值進行監測。屋頂狀的條紋剖面可以看作是將脈沖區域的底部展開得到的,所以它的一階導數是脈沖剖面的一階導數的上升沿和下降沿展開得到的,同樣展開脈沖剖面的二階導數可以得到層脊剖面的二階導數。通過檢驗屋脊裝剖面的一階導數的過零點就可找到光學中心線。此外,數學形態學的發展也為我們提供了基于形態細化處理的理論與方法,與傳統的計算模式相比,此法對等差線、等傾線密集交叉的情況有很大的幫助。

3小結

光測方法和圖像信息的自動采集與處理相結合,可使光測力學法優點更加明顯,如測試精度高,整個應力分析過程速度快,效率也能得到大大提高。在實際情況下,加力機構是比較龐大與笨重的,要求我們必須采取分離的傳動結構,即起偏鏡與檢偏鏡分別轉動的機制,此時必須采取兩套測角線路,分別計算起偏鏡與檢偏鏡的絕對轉角,并控制兩鏡頭在偏振光軸保持正交的前提下同時到達需要的偏角,進而觸發曝光脈沖。另外,基于模糊理論的方法也將是本儀器進一步開發與深入的方向。

摘自:中國計量測控網


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