用于斷裂韌度的施力點位移和缺口張開位移的測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于斷裂韌度的施力點位移和缺口張開位移的測量方法；基于面陣電荷藕合器件圖像傳感器CCD視覺系統(tǒng)，采用非接觸測量方法，通過對像素的捕捉得到變形信號，信號通過圖像處理和單元處理，并從圖像處理軟件中讀出，得到施力點位移和缺口張開位移。CCD視覺系統(tǒng)包括：鏡頭、CCD相機、圖像處理單元以及圖像處理軟件。本發(fā)明非接觸測量方法舍棄了夾式引伸計和彎曲桿的附加結(jié)構(gòu)，通過光學圖像和圖像處理軟件，同時測量施力點位移和缺口張開位移，沒有裝卡因素和環(huán)境因素的影響，更加精確、方便、易于實驗操作。同時采樣速度快，測量空間范圍大，精度較高，實時性能好，內(nèi)置網(wǎng)絡通信易于與計算機連接實現(xiàn)上位機程序的測量。
【專利說明】用于斷裂韌度的施力點位移和缺口張開位移的測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料的斷裂韌度(韌性)試驗，特別是涉及用于斷裂韌度的施力點位移和缺口張開位移的測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]斷裂韌度在斷裂力學基礎上建立起來的，指材料在外載荷作用下抵抗開裂和裂紋擴展的能力，也就是材料在斷裂前所經(jīng)歷的彈塑性變形過程中吸收能量的大小。斷裂韌度反映了材料的強度和塑性，是強度和塑性的綜合體現(xiàn)。為防止低應力脆斷選用材料時，根據(jù)材料的斷裂韌度指標，可以對構(gòu)件允許的工作應力和裂紋尺寸進行定量計算。準確地測試材料的斷裂韌度不僅可確保其結(jié)構(gòu)使用的安全性，而且是在新產(chǎn)品研發(fā)中評價其是否滿足管材韌性要求的有效途徑。因此，斷裂韌度是斷裂力學認為能反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴展能力的性能指標，對構(gòu)件的強度設計具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的評價斷裂韌度的參數(shù)有:應力強度因子K、裂紋尖端張開位移CTOD和J積分。裂紋尖端張開位移CTOD是由缺口張開位移計算得到，參數(shù)J是通過計算施力點位移得到的。缺口張開位移和施力點位移是一個動態(tài)的過程，在整個試驗過程中數(shù)據(jù)需要動態(tài)采集，在后期的數(shù)據(jù)處理中，可以得出缺口張開位移的塑性分量，用于計算CTOD值，以及得出力和施力點位移曲線下面積的塑性分量，用于計算J積分。而且，針對單試樣法測量啟裂韌度，需要多次加載卸載，也需要兩個位移具有一定的連續(xù)性。所以，為了得到準確的斷裂韌度，在實驗中精確測量這兩個位移是至關(guān)重要的。根據(jù)國標GB/T21143-2007和很多文獻資料所示，通常采用夾式引伸計測量缺口張開位移，采用在彎曲桿上貼應變片的方式測量施力點位移。夾式引伸計通常安裝在刀口上，所以刀口與缺口的粘貼很重要，同時對缺口的加工要求也很高，受裝卡影響較大，并且引伸計需要經(jīng)常標定，以確保測量的精準性。采用貼應變片的方式雖然精度較高，但是應變片長期暴露在外面，受外界環(huán)境影響較大，所以需要定期更換應變片，較為麻煩。如果一個試件想同時得到CTOD和J值，需要同時測量施力點位移和缺口張開位移，準備工作很多，實驗裝置也相對復雜，極為不方便，

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對上述存在問題，提供一種非接觸的測量方法，可以一次性測出施力點位移和缺口張開位移，方便快捷，易于實驗操作，且測量精度理想。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0005]基于面陣電荷藕合器件圖像傳感器CCD視覺系統(tǒng)的非接觸測量，是通過對像素的捕捉得到變形信號，信號通過圖像處理和單元處理，并從圖像處理軟件中讀出。目前，電子設備發(fā)展很快，都是單一的發(fā)展和應用，而對于開發(fā)應當?shù)暮苌?。我們就是根?jù)相機和自帶系統(tǒng)，使他們應用于測量這兩種位移中，這是目前還沒有的。
[0006]采用標準試件做實驗，標準試件是需要先用線切割切割裂紋缺口，并且需要預制裂紋，然后才能開始實驗。做斷裂韌性實驗的標準試件，本身就是有缺口有裂紋的。首先對試件進行標記，在白紙上用兩個黑色實心圓分別標記在已有裂紋缺口兩側(cè)，并對標記位置進行定位。實驗時，通過黑白像素捕捉兩個圓的邊界，計算出實心圓的圓心，可以測出兩個圓心之間距離的變化，即為缺口張開位移
[0007]同理，在已有的實心圓下方，即靠近裂紋擴展方向再標記兩個實心圓，同時測出第二組缺口張開位移V2，通過公式可計算出施力點位移。標記位置不可以超出已有的裂紋缺口長度，防止因裂紋尖端的塑性變形導致標記的不平整，影響測量結(jié)果。標簽紙可通過熱敏打印機或標簽打印機打印，確保打印清晰，圖像精細。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點是:該非接觸測量方法舍棄了夾式引伸計和彎曲桿的附加結(jié)構(gòu)，通過光學圖像原理和圖像處理軟件，同時測量施力點位移和缺口張開位移，沒有裝卡因素和環(huán)境因素的影響，更加精確、方便、易于實驗操作，對環(huán)境要求不高。同時采樣速度快，測量空間范圍大，精度較高，實時性能好，內(nèi)置網(wǎng)絡通信易于與計算機連接實現(xiàn)上位機程序的測量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1:基于面陣CXD的非接觸測量原理圖。
[0010]圖2:測量方法示意圖。
[0011]圖3:X80管線鋼整體測試系統(tǒng)。
[0012]圖4:標記的放大與識別。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖所示的非接觸測量原理和測量方式示意圖，對本發(fā)明過程加以詳細說明。
[0014]該發(fā)明中使用電荷藕合器件圖像傳感器CCD，由一種高感光度的半導體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。其光譜范圍寬，測量空間范圍大，測量精度高，實時性能好，對環(huán)境要求不高。CCD傳感器輸出的是數(shù)字量，易于與計算機接口通信，實現(xiàn)顯示結(jié)果、存貯、畫圖，并進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理。而面陣C⑶則具有聚集容易，易于獲得穩(wěn)定的光源，對試件標記捕捉不易丟失等眾多優(yōu)點。
[0015]圖1中采用的面陣C⑶視覺系統(tǒng)主要包括:鏡頭、CXD相機、圖像處理單元以及圖像處理軟件。在非接觸測試過程中，在試樣上制作標記，標記A位于裂紋一側(cè)，標記B位于裂紋另一側(cè)，并測量出標距，應保證標記線明顯，圖像精細。采用C⑶相機得到試樣變形信號，信號通過圖像處理單元處理并從與相機配套的圖像處理軟件中讀出，認為此非接觸測量得到的試樣變形結(jié)果即為試樣的真實變形。試件經(jīng)過穩(wěn)定的面光源照射后經(jīng)光學鏡頭成像于CCD相機。A經(jīng)變形為，B變形為B ^。k'k’ ,B,B ;分別成像于a、a ^ ,b.b ;點。由光學知識可知，在相機、鏡頭和試件相對位置固定時，試件上A、B兩點之間距離與成像點a、b之間距離成比例關(guān)系，因此，根據(jù)實驗前后像素和位移的比例關(guān)系可得:
[0016]
【權(quán)利要求】
1.用于斷裂韌度的施力點位移和缺口張開位移的測量方法；其特征是基于面陣電荷藕合器件圖像傳感器CCD視覺系統(tǒng)，采用非接觸測量方法，通過對像素的捕捉得到變形信號，信號通過圖像處理和單元處理，并從圖像處理軟件中讀出，得到施力點位移和缺口張開位移。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是CCD視覺系統(tǒng)包括:鏡頭、CCD相機、圖像處理單元以及圖像處理軟件。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是采用標準試件做實驗，在標記紙上用兩個黑色實心圓分別標記在已有裂紋缺口兩側(cè)，并對標記位置進行定位；實驗時，通過黑白像素捕捉兩個圓的邊界，計算出實心圓的圓心，可以測出兩個圓心之間距離的變化，即為缺口張開位移V1 ;同理，在靠近裂紋擴展方向再標記兩個實心圓，同時測出第二組缺口張開位移V2,通過公式(I)可計算出施力點位移；
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征是標記位置不能超出已有的裂紋缺口長度。
5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是試件經(jīng)過穩(wěn)定的面光源照射后經(jīng)光學鏡頭成像于CXD相機；標記為白色紙上的黑色實心圓分別貼在試件的裂紋兩側(cè)，A、B、C、D分別代表四個實心圓的圓心，實驗前先測量出AB和CD標記間的實際距離，A、B、C、D點到試件邊緣的距離，測量取平均后為Z1和z2;通過黑白像素捕捉實心圓的邊界，從而自動確定實心圓的圓心，實驗開始前自動記錄兩個圓心之間的像素值，實驗開始后可以實時監(jiān)測圓心之間變形后的像素值，通過公式(1)計算，可以得到實際的位移值，即V1和V2。缺口張開位移可用V1或V2表示，當裂紋嘴張開角度小于8°時，施力點位移q可由公式(3)計算得到，當裂紋嘴張開角度大于或等于8°時，施力點位移q可由公式(4)計算得到。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征是當標記在試件外部時，Z1和Z2為正，當標記在試件上時，Z1和Z2取負。
【文檔編號】G01B11/02GK103697823SQ201310755294
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】陳旭, 張喆, 陳剛, 李珞, 石磊 申請人:天津大學