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基于机器视觉的应变测量技术研究

基于机器视觉的应变测量技术研究

作者：卢炳奇济南大学

学位级别：硕士

随着现代工业技术的发展，对材料性能的测量效率和精确度要求越来越高。材料性能对工程质量的优劣有决定性作用，因此对材料性能的测试变得越来越重要。为克服传统接触式引伸计应变测量方法在金属材料在拉伸试验中的不足，采用基于机器... 详细信息

随着现代工业技术的发展，对材料性能的测量效率和精确度要求越来越高。材料性能对工程质量的优劣有决定性作用，因此对材料性能的测试变得越来越重要。为克服传统接触式引伸计应变测量方法在金属材料在拉伸试验中的不足，采用基于机器视觉的测量原理对试件进行非接触式应变精密测量。目前有很多学者研究基于机器视觉的非接触式测量并取得一定的成果，但是实际工业应用上仍有许多值得研究和改进的地方。本文依据金属材料拉伸时性能要求，结合机器视觉测量原理，对非接触应变测量方法做了进一步研究，开发出较完整的应变测量系统。首先详细介绍了基于机器视觉测量技术在整个测量行业内的发展现状和应用前景，并确立了本文应变测量系统的组成。应变测量系统采用工业数字式CCD摄像机，可以快速稳定的获取图像数据;采用数字图像处理的技术并结合直线识别算法，对图像数据进行分析处理获取要识别的目标信息，通过试验的方法对采集的数据进行标定，绘制试验要求曲线，完成对试件应变精密测量。其次介绍了本系统的硬件组成部分和软件组成部分。硬件组成部分主要是工业摄像机、试验机和照明系统。软件部分主要是图像处理的算法，研究图像的获取、图像的预处理、直线识别算法结合亚像素细化等内容。根据获取图像数据，结合数字图像处理的基本方法，选取适合本系统的图像处理算法。因为获取图像难免会有噪声，所以需要对图像进行滤波平滑，消除图像数据中的噪声，本试验图像数据的背景较单一，对比度较好，进而采用了灰度直方图与固定阈值结合方法进行二值化处理，只需在测量之前设置阈值，方法简单快速，提高了测量系统的运算速度。本文研究重点是放在边缘检测以及目标识别算法上。边缘检测的方法的优劣直接影响到图像目标的识别，需要根据识别出边缘的准确率和算法的复杂程度结合后续目标识别算法，得出适用于本系统的最优算法，即使用Roberts算子结合图像滤波来进行边缘检测。通过概率Hough变换得到直线边缘结合亚像素细化，得出新的直线段作为标记直线，对得到的目标直线进行像素长度计算从而求出试件实际尺寸。以这种新检测的直线段作为标记线段的方法，提高了系统的测量精度。基于机器视觉的应变测量系统的应用平台是Windows XP操作系统，使用C++builder进行测量系统界面设计，调用相机接口程序Pylon进行图像数据采集，使用Opencv开源机器视觉库，进行算法设计。模块化程序设计，可以增强算法的移植性，便于以后与试验机测控软件结合，实现测量控制为一体的测控系统，应用于实际工业测控系统中。

关键词：机器视觉 Hough变换应变测量边缘检测

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光频域反射技术的应变测量解调方法研究

光频域反射技术的应变测量解调方法研究

作者：魏汝明大连理工大学

学位级别：硕士

在传感器朝向智能化和网络化趋势发展的今天,分布式光纤传感技术因其具有抗电磁干扰、稳定性好和响应时间短的优势,引起了广泛的关注。光频域反射技术（Optical frequency-domain reflectometry,OFDR）作为分布式光纤传感技术的一个分支... 详细信息

在传感器朝向智能化和网络化趋势发展的今天,分布式光纤传感技术因其具有抗电磁干扰、稳定性好和响应时间短的优势,引起了广泛的关注。光频域反射技术（Optical frequency-domain reflectometry,OFDR）作为分布式光纤传感技术的一个分支,具有高信噪比、高灵敏度,和高空间分辨率的优点而被广泛应用在光纤通信、石油化工、电力电子及生物医药等多个领域中。OFDR分布式系统可以用于光纤链路检测以及实现对温度、应变等物理量的分布式传感,它的空间分辨率非常高,能够达到毫米量级,本文的主要内容如下:首先研究了光纤中背向瑞利散射的传感原理并自主搭建了OFDR系统。对于OFDR系统中光源波长非线性调谐采用辅助干涉仪的硬件补偿方法,将辅助干涉仪输出作为数据采集卡的触发信号,消除了非线性扫频对空间分辨率和定位带来的影响。针对偏振衰落效应,使用偏振分集接收消除了偏振衰落现象。接着设计程序完成对激光光源和数据采集卡的联合控制,实现了OFDR系统光纤链路检测的功能;对应变和温度两个物理量进行标定,设计实验完成了对应变的分布式测量,研究了光源扫频宽度和数据处理中子集长度对应变测量精度、空间分辨率的影响,最终OFDR系统空间分辨率达到2.7mm,应变测量的标准偏差为1.19με。然后利用图形处理器进行加速计算,优化OFDR中数据处理程序,数据处理部分程序运行时间由几分钟缩短至不到一秒钟,实现了系统对应变的实时测量。最后研究了OFDR系统在振动干扰下的应变测量,发现在前段光纤受到扰动的情况下,后段光纤应变测量误差大大增加,并探索了造成这一结果的根本原因。

关键词：分布式传感光频域反射技术应变测量振动干扰

基于透射电镜晶格图像数字云纹的应变测量方法

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基于透射电镜晶格图像数字云纹的应变测量方法

作者：高智逊天津大学

学位级别：硕士

微纳米尺度下应力/应变测量方法是实验力学研究的重要方向之一。近年来发展了多种具有不同空间分辨率的微纳米实验力学新方法。其中,显微拉曼光谱法已成为微米尺度力学行为的有效实验手段;在纳米尺度下,已有研究将SPM、SEM、TEM的高分... 详细信息

微纳米尺度下应力/应变测量方法是实验力学研究的重要方向之一。近年来发展了多种具有不同空间分辨率的微纳米实验力学新方法。其中,显微拉曼光谱法已成为微米尺度力学行为的有效实验手段;在纳米尺度下,已有研究将SPM、SEM、TEM的高分辨能力与光测力学的测量理论相结合,实现了具有纳米乃至亚纳米分辨率的全场变形测量。然而,在十纳米到百纳米之间这个过渡尺度量级上,尚缺少一种有效的实验手段,这使得在跨尺度的实验力学分析中,纳观尺度与微观尺度的实验分析结果时常难以建立量化的关联。本文提出一种通过量化几何转角实现应变测量的数字云纹新方法RST。该方法以高分辨透射电镜获取的晶格图像为基础,通过傅立叶变换-反傅里叶变换,将晶格图像生成三个不同倾角的TEM栅。以已知应变状态位置获取的TEM栅为参考栅,以所需测量位置获得的TEM栅为试件栅,分别对倾角接近的参考栅与试件栅进行逻辑运算,得到各倾角栅对应的数字云纹图像。基于几何云纹法的基本原理,建立参考栅与试件栅二者之间栅线倾角的变化(即栅线转角θ)、该栅线转角所对应几何云纹条纹的倾角与栅线间距变化(即栅线法向应变分量)之间的解析关系。计量TEM栅线转角与几何云纹条纹的倾角φ,将其代入以上关系得到试件栅位置上三个不同方向的正应变,从而实现面内应变各分量的解耦测量。通过开展单向、双向、刚体转动的验证实验,本文证明了RST方法的准确性并排除了刚体转对测量的影响。本文将RST方法应用于硅锗固溶合金多层异质半导体结构与MOS管结构横截面样品的应变分析,并将测量结果与显微拉曼分析数据进行对比。结果显示,RST方法能够以十纳米量级的空间分辨,定量给出面内应变三个分量的细节信息。

关键词：高分辨透射电镜数字云纹应变测量栅线转角条纹倾角

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二维全场变形与应变测量方法研究

二维全场变形与应变测量方法研究

作者：郭忠光西安理工大学

学位级别：硕士

随着仪器科学与实验力学等学科的发展,全场位移与应变测量方法也得到了一定的进步。其中,数字图像相关方法(DIC)作为一种新兴的光学测量方法,因为其装置简单、测量范围广、对环境要求低等诸多优点正被广泛应用于各种学科和工程领域中。... 详细信息

随着仪器科学与实验力学等学科的发展,全场位移与应变测量方法也得到了一定的进步。其中,数字图像相关方法(DIC)作为一种新兴的光学测量方法,因为其装置简单、测量范围广、对环境要求低等诸多优点正被广泛应用于各种学科和工程领域中。但是目前数字图像相关方法的搜索速度和精度在一些特定场景下还存在一些不足,有待于进一步研究与改进。本文从已有的数字图像相关理论出发,针对不足之处提出改进办法。本文的主要研究工作与结论包括:(1)针对整像素搜索速度慢的问题,提出一种利用中心像素点灰度差加速整像素定位的方法,通过模拟实验证明了该方法具有比传统整像素搜索更高的计算效率。综合考虑图像灰度梯度与熵对散斑质量进行评价,并利用单参数相对变化比的方法细化分析。提出一种基于MIG和子区图像熵的子区自适应选择方法,实现了对不同散斑图等效子区尺寸的选择,实验表明该方法计算的精度比固定选择子区尺寸的计算精度更高。(2)反向组合高斯牛顿算法(IC-GN)比较依赖准确的初值,本文提出一种基于遗传粒子群算法(GA-PSO)的IC-GN初值估计方法。首先在计算点周围任意选取3个估值点,然后借助GA-PSO算法搜索估值点的变形量,再将估值点变形前后的坐标代入到仿射变换矩阵求得计算点的变形系数,将其作为迭代初值代入到IC-GN匹配方法中求解亚像素位移。通过模拟的非线性变形和大变形实验将该算法与传统的IC-GN 比较,结果表明该算法精度更高,模拟图像计算的时间减少了 5 1.04%,最后利用管线钢材的三点压弯实验验证了该算法在实际应用中的有效性。(3)对全场位移和序列图像的位移求解方法进行研究,设计一种基于图的广度优先遍历的种子点扩散策略,模拟实验验证了该方法的准确性与相对于多点累计计算的速度优势。采用了一种结合路径无关匹配DIC(PiDIC)的分段测量方法,避免图像序列位移计算的误差传递,通过孔洞材料的实验验证了该方法的稳定性。对应变精度影响因素进行分析,指出在均匀变形与非均匀变形两种模式下应选择不同的应变窗口尺寸。(4)基于本文的算法,开发软件界面,搭建硬件平台,设计了二维散斑应变测量系统,采用铝合金板材的拉伸实验进行验证。实验结果表明,测量系统得到的应变结果与引伸计的测量结果最大相对误差为0.73%,证明了该系统在实际测量中的可靠性。

关键词：数字图像相关位移场测量应变测量 GA-PSO算法路径无关匹配

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高强漆包线在桥梁结构应变测量中的对比试验

公路交通科技（应用技术版） 2007年第3期3卷 135-137页

作者：李贵平贵州大学土木建筑工程学院贵州贵阳550003

文章在实验模拟室外温度变化对现场应变测量影响的前提下,提出高强漆包线应用到现场的方法,结合工程实例对高强漆包线在现场桥梁结构应变测量中能消除温度变化引起应变测量误差,进行了测试及结果分析。电阻应变测量中,一般的温度补偿并... 详细信息

文章在实验模拟室外温度变化对现场应变测量影响的前提下,提出高强漆包线应用到现场的方法,结合工程实例对高强漆包线在现场桥梁结构应变测量中能消除温度变化引起应变测量误差,进行了测试及结果分析。电阻应变测量中,一般的温度补偿并不能排除实际现场应变测量中工作片和补偿片桥臂导线几十米长,在温度变化时,由于导线材质的不均匀导致线膨胀系数不同造成的电阻变化,桥臂导线越长,引起的误差越大。之所以提出高强漆包线在桥梁结构应变测量中的应用,是因为高强漆包线材质均匀性的特点,从对比试验的结果看出高强漆包线的应用是可行的,并对采用高强漆包线在工程结构应变测量中应用的实用性提出一些看法。

关键词：高强漆包线温度变化应变测量应变

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基于微分干涉的应变测量系统

基于微分干涉的应变测量系统

作者：强科杰南京理工大学

学位级别：硕士

针对电磁轨道发射过程中出现的高温、强电磁干扰振动等复杂情况,设计出一种能在这种复杂情况下正常工作的基于光纤微分干涉的应变测量系统。在对光纤微分干涉的基本原理进行分析的基础上,进行了基于光纤微分干涉的应变测量系统的总体... 详细信息

针对电磁轨道发射过程中出现的高温、强电磁干扰振动等复杂情况,设计出一种能在这种复杂情况下正常工作的基于光纤微分干涉的应变测量系统。在对光纤微分干涉的基本原理进行分析的基础上,进行了基于光纤微分干涉的应变测量系统的总体设计。测量系统由光纤微分干涉光路、光信号处理电路、数据采集与处理软件等组成。光路系统由激光器、耦合器及延时光纤组成,用于感应应变信号。对实际被测信号进行了分析,采用高频响的AD8011制作了用于光电流信号放大的两级高速运算放大电路。数据采集选用4通道12位高速数据采集卡。采用了软件解调技术解决了硬件解调在频响与幅值方面的不足。根据微分干涉的数学模型,设计出软件解调算法,并根据算法用VB编写出带有相位解包的解调程序。此外还设计了用于调试与标定的PZT动态响应驱动电路。系统制作完成后,采用PZT进行了调试实验,并进行了实际测量工作。理论分析及实验表明,该测量系统可以较好的反应被测物体的应变状况,并且在强电磁场及温度变化等环境因素下具有良好的抗干扰性能。

关键词：光纤微分干涉应变测量软件解调

基于应变测量的柔性卫星天线阵列变形检测技术研究

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基于应变测量的柔性卫星天线阵列变形检测技术研究

作者：郭蒙国防科学技术大学

学位级别：硕士

基于微系统的××卫星是一种将××天线与板式卫星平台进行一体化设计构成的新概念微纳卫星。××卫星在实际工作中，变形天线的阵元位置会因为热能传递不均、机械运动造成阵列形变，改变阵列的发射构型，从而造成发射波束形状畸变，产... 详细信息

基于微系统的××卫星是一种将××天线与板式卫星平台进行一体化设计构成的新概念微纳卫星。××卫星在实际工作中，变形天线的阵元位置会因为热能传递不均、机械运动造成阵列形变，改变阵列的发射构型，从而造成发射波束形状畸变，产生波束指向误差，影响系统性能。因此，对天线的形变发射构型进行测量，进行相应的相位校正，是保证系统性能的关键。本文介绍了一种基于应变测量的卫星天线变形检测方法。该方法针对卫星天线在实际工作中产生的阵列形变，应用弹性力学中有关的理论和解析方法，通过测量天线阵列单元面板表面的应变数据推导并拟合出了天线阵列弯曲的挠度函数，绘制出天线阵列单元的变形构型。本文的主要研究内容如下： 1.建立了柔性卫星天线阵列单元变形的数学模型，应用矩形薄板小挠度弯曲理论推导了矩形板变形与表面应变的关系，并通过求解偏微分方程得到了矩形板的挠度函数。 2.设计了应变测量试验系统，完成了矩形板及其支撑底座的结构设计，根据应变测量方案搭建了测量电路，测量了矩形板材料的泊松比，对矩形板只受重力载荷、重力载荷与外加载荷共同作用两种加载条件下进行了表面应变的测量。 3.利用MATLAB软件对应变数据进行了分析和处理，根据三次样条曲面、最小二乘原理对应变数据进行了插值和拟合，得到了矩形板表面的应变分布图和双向应变分布函数;绘制了矩形板变形的挠度函数，并将求得的矩形板关键点位移量与ANSYS仿真结果进行比较，验证了实验精度，分析了误差来源，提出了改进措施。

关键词：应变测量天线阵列单元挠度函数变形检测

基于单相机自由拍摄多幅网格图像的钣金件应变测量

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基于单相机自由拍摄多幅网格图像的钣金件应变测量

作者：董伟超南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着制造业的高速发展,采用工程应变比例软尺或者工具显微镜的手工应变测量方法在钣件冲压成形领域中已经逐渐暴露出测量效率低、精度差等弊端。为了克服手工应变测量方法的各种弊端,满足钣件冲压成形领域的应变测量要求,本文综合运用... 详细信息

随着制造业的高速发展,采用工程应变比例软尺或者工具显微镜的手工应变测量方法在钣件冲压成形领域中已经逐渐暴露出测量效率低、精度差等弊端。为了克服手工应变测量方法的各种弊端,满足钣件冲压成形领域的应变测量要求,本文综合运用数字图像处理、计算机视觉、坐标网分析等技术,研究一种基于单相机自由拍摄多幅网格图像的应变测量方法,即钣件成形前,在其坯料表面预先印制一层方形网格,成形后,采用一部数码相机以自由拍摄的方式获取钣件的多幅网格图像,并通过图像处理和多图像几何分析等技术计算出网格的三维尺寸变化,进而达到钣件应变测量之目的。本文深入研究了基于单相机自由拍摄多幅网格图像的应变测量方法的各项关键技术,包括网格节点提取、相机位姿标定、网格节点匹配和重建、网格应变计算等,主要研究内容和创新点概括如下: ①设计了一套网格节点提取的总体方案;深入分析了网格图像二值化、细化等阶段存在的若干问题,并给出了相应的解决方法;提出了一种基于细化图像的网格节点初、精定位两步法。 ②在对多视图几何理论进行深入研究的基础上,实现了多幅图像对应相机位置和姿态的自标定技术。 ③深入分析了传统的基于区域和基于特征的匹配方法所存在的局限性,提出了一种基于网格拓扑关系的图像匹配方法;针对多图像点的重建问题,通过理论推导给出了具体的解决方案。 ④根据网格应变分析理论,并结合具体实际问题,确定了适用于应变测量系统的网格应变计算方法。在全文理论和算法研究的基础上,自主开发了基于单相机自由拍摄多幅网格图像的钣金件应变测量系统MOSAS（Monocular Strain Analysis System）,并通过若干具体实例对系统的各方面性能做了严格验证。实验结果表明,MOSAS系统自动化程度高、精确稳定,能够满足较大复杂钣件的应变测量要求。本文研究成果克服了手工应变测量方法的各种弊端,满足了钣件冲压成形领域关于应变测量的高效率和高精度等要求,为钣件成形性能分析和成形工艺优化等后续工作提供了可靠的数据基础。

关键词：板料成形应变测量图像处理三维重建相机标定网格匹配网格应变

极端环境下应变测量及其补偿技术在超导磁体结构的应用

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极端环境下应变测量及其补偿技术在超导磁体结构的应用

作者：张永杰兰州理工大学

学位级别：硕士

超导磁体及其相关技术在科研、交通、电力电工、新能源、生物医学、航空航天等领域发挥着越来越重要的作用,具有广阔的应用前景。超导磁体通常运行于极低温(4.2 K)、强磁场(>5 T)和大电流(1000 A)等极端环境下,由于极强的电磁力会产生... 详细信息

超导磁体及其相关技术在科研、交通、电力电工、新能源、生物医学、航空航天等领域发挥着越来越重要的作用,具有广阔的应用前景。超导磁体通常运行于极低温(4.2 K)、强磁场(>5 T)和大电流(1000 A)等极端环境下,由于极强的电磁力会产生较大的力学变形,进而影响其力学与电磁学性能,与此相关联的极端多场环境下力学性能的实验表征与测量技术已经成为实现超导磁体稳定与安全运行的重要课题,具有极为重要的科学与工程意义。针对极低温-强磁场环境下大型超导结构应变测量技术目前尚未十分成熟、缺乏自主力学测量手段的局面,本文分别基于电阻应变片和分布式光纤应变测量技术(瑞利散射)及其补偿方法,对大型超导磁体结构的运行过程中的应变行为开展了相应的实验研究,并发展稳定的低温-强磁场下应变补偿技术,以提高测量精度。(1)针对极端环境下应变测量方法,一方面,基于电阻应变片应变测量技术,提出并发展了一种基于“外部对称补偿桥路”的极低温应变测量方法,以适应于大幅变温(低温)环境下的应用;另一方面,发展了基于瑞利散射的分布式光纤应变测量技术,以适应于强电磁场环境下的应用。最后,针对上述两种应变测量方法,在低温环境中,开展了一系列基础标定实验,为后续大型超导磁体结构应变检测奠定技术基础。(2)基于发展的“外部对称补偿桥路”的应变测量方法,对大型超导二极磁体在大幅降温、强电流励磁以及失超过程中的变形行为表征进行了相关实验研究,并与传统的应变测量方法进行了比较,此外,通过对动态应变信号的频域分析,发展了一种超导磁体失超检测的新方法。(3)基于瑞利散射的分布式光纤测量技术,开展了5 T分体式超导磁体结构二维分布式应变测量研究,通过补偿手段消除了温度场对应变测量的影响,实现了极端低温环境下高精度的分布式应变测量,与传统单点式测量技术不同,发展的二维分布式应变测量技术可直观的观察到磁体在测试过程中结构的全局变化。通过本文研究,分别基于电阻应变片和分布式应变测量技术,通过提出新的补偿工艺,实现了复杂超导磁体结构极端环境下高精度应变测量。相关的研究结果表明,利用上述应变测量方法在大空间的连续性以及长时间、高精度测量上是有效并且准确的,将为极端多场环境下的力学性能表征与测量提供重要手段。

关键词：极端环境应变测量外部对称补偿桥路失超检测分布式应变测量