基于红外图像动态亮度调节方法的杆式构件疲劳断裂位置预测.pdf

务1 訇 似 基于红外图像动态亮度调节方法的杆式构件疲劳 断裂位置预测 Dy n amic b r igh t n e s s a d j u s t me n t me t h o d ap p ly in g ol l in f r ar e d ima g e t o p r ed ic t f r act ur e p osit ion of st eel r o ds 谢 静 徐长航 XI E J i n g XU Ch a n g h a n g 中国石油大学 机电工程学院 青岛 2 6 6 5 5 5 摘要 本文利用红外热像仪记录杆式钢构件疲 劳试验过程中构件温度场的变化 找到最终断裂位置在 断裂孕育阶段红外图像中的灰度特征 并且提出基于动态亮度调节的方法确定符合此特征的 位置 从而实现对断裂位置的预测 首先 应用灰度化 反色进行图像预处理 然后通过动 态亮度调节方法找寻匹配特征的位置 经过钢构件疲劳试验的红外图像实例验证 本文方法 可以实现对构件断裂位置的准确预测 为应用红外监测技术进行工程结构安全监测和损伤预 警奠定了基础 关键词 红外热像 图像处理 疲劳断裂 失效预测 中图分类号 T N 2 1 9 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 2 0 5 上 一 0 0 4 1 0 4 Doi 1 0 3 9 6 9 J i s s n 1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 2 5 I 1 3 0 引言 金 属构件的断裂存在 着孕 育演化 过程 因此 对现场金 属构件工程破 坏监测要从研 究金属结构 的全场 演化过程 来分析 在断裂前 的一段 时间 内 金 属 构件 的表 面 温度 场就 会 有异 常分 布 出 现 红外 热像仪可 以把 物体的表面温度分布转换 成可见 图像 从 而直观 地显示被测 目标表面的红 外辐射温 度场分布 这 给金属构件 断裂预测提供 了一种有效 的方法 即首先确定构件 最终断裂位 置在断裂 孕育阶段红外 图像中的特征 然后通过 图像处理 的方法 在红 外图像中寻找符合这一特 征的位置 即可预测最终的断裂位置 本文通过 对多个构件的红外 图像序列 进行观 察得 出断裂位置在断裂 孕育阶段 的图像 特征 然 后采用动 态亮度调节 的方法找到图像 中符合此特 征 的像素 并确定 出最 终的断裂位置 经过实例 验证 本文提 出的图象处理 方法 可以准确预 测疲 劳 断裂 位置 1 断裂位置在断裂孕育阶段 的图像 特 本 文实 验对 象 为2 0 Cr 2 Mo Ni制成 的杆 形构 件 构件长4 0 0 mm 构件外径带螺纹处 2 4 mm 光滑处 1 2 mm 利用高频拉压疲劳试验机对构件 进行循环加载 在构件的整个疲劳实验过程 中 通过S AT HY6 8 5 0 红外成像 系统 记录构件 的温 度 场 该热像 系统的主要特性如下 系统 获取数据 的最大帧速为5 0 帧 秒 温度分辨 率为0 0 8 空 间分辨率可到1 3 mr a d 通过分析实验 测得 的多个红外 图像序列 得 到 以下结论 在断裂发生前的较长时间里 试件 的红外图像 中会有两个相对的高温区 而最终 的 疲劳断裂将发生在这两个区域的中间位置 为 了对上述结论做更形象的说明 图1 中列出 了具有代表性的三个时间点的红外序列 图像 其 中图1 a 图1 b 为按照时问先后 由红外视频 中截 取 出的两幅红外图像 图1 c 为构件断裂瞬间的红 外 图像 图 l d 图 1 e 和 图 1 f 分 别 为 图 l a 图 1 b 和图l c 中白色框 出部分放大后 使用Ma t la b 中的像 素读取 工具 得到 的RGB值 由于 亮度 和 RGB值之 间具 有式 1 所描述 的关 系 而亮度 越 高 表示此处温度越高 因此 图l中的典型红外 图像验证 了上述关于断裂位置特征的结论 在断裂孕育阶段 的红外 图像 中 很难通过直 收稿日期 2 0 1 1 1 0 1 2 作者简介 谢静 1 9 7 7 一 女 讲师 硕上 研究方向为石油机械的工况诊断 图像处理技术在石油机械领域的应用等 第3 4 卷第5 期2 0 1 2 0 5 上 4 1 1 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m l 生 匐 化 K z 过大会使伺服进给系统成为欠阻尼系统 易引起系统振荡 丝杠轴承预紧力 F x F 增 大 机械 传 动机 构 刚度 增大 定位 误 差应 该减 小 但是 随着预紧力的增大轴承 的摩擦 力距也 会增大 定位误差反而会增大 3 结论 高精度数控机 床伺服进给 系统精度 的影 响因 素众多 对其进行建模分析 抓住其 中的主要因 素 并 分析 这 些 因素 与伺 服进 给 系统 精度 的 关 系 能以极小化的成本获得最优的加工精度 本文对数 控机 床伺服进给 系统 的误差组 成进 行 了详细 的推导 得到 了伺服进给 系统误 差与主 要影响 因素 的定量关 系 最 后还 究其原 因进行了 分析 给 出了一些改善措施 以期对高精度数 控 机 床伺服进给系统的研究 设 计及制造有所 促进 作 用 参考文献 1 刘希金 刘波 喻 红婕 数 控机床故 障检测与维修 问答 M 北京 机械工业 出版社 2 0 0 2 2 赵 中敏 朱伟 高精度数控机床伺服 系统控制原理研究I J 1 世界制造技术与装备市场 2 0 0 8 5 8 0 8 2 3 机床设计手册编写组机床设计手册 第二册零件设计 WI I 北京 机 械工业出版社 1 9 9 5 4 徐创文 穆玺清 进给伺服系统特性对加工精度的影响分 析 J 航 空精密制造技术 2 0 0 2 3 8 5 4 2 4 5 5 付志刚 郭艳玲 王石磊 数控机 床伺服进给 系统对机床性 能的影n J 1 林业机械与木工设备 2 0 0 7 3 5 8 1 5 1 7 矗I 矗 重 j蠢 蠡 蠢 蠢 矗 蠡 鑫 矗 矗 矗 童 盘 岛 童 上接第4 3 页 缘 将图3 d 和图3 e 进行叠加 就得到了两个高 温区域在构件中的位置 如图3 f 所示 对两个 高温区域的重心求垂直方 向上 的平均 值 即得到断裂的垂直位置 在图3 g 中用两高温 区域 中间 的横 线示 出 图3 h 为对图l a 用本文方法处理得到 的预测 结果 其中动态亮度调节的阈值b 1 6 将本 文方法处理后得到 的预 知断裂位 置与此 构件断裂瞬间的红外图像图1 c 进行比较 可 以看 出 本文给 出的方法可以非常准确地预测构件的 断裂位 置 4 结论 本 文通 过分析实验得到 的红外 图像序列 得 到 了最终 断裂 位置在断裂孕育初期阶段红外 图像 中的 特征 通 过 综合 运 用灰 度化 反色 动 态 亮度调节 边 缘检测的图像 处理方法 由断裂孕 育 阶段 的红外 图像中快速 准确地预测 了断裂位 置 对设 备 或构 件 的失效 预警 提 供 了有 效 的方 法 本文所使用的 阈值是通过交互式的方式确定 的 这 一 过 程 可 以通 过 编 程 来 实 现 自动 化 此 项 工作有待于下一步的研究工作得到实现 参考文献 l 董玉芬 林毅明 王来贵 刘 向峰 红外热 像仪 用于金属材料 断裂过程的实验研究 J 辽 宁工程技术大学学报 2 0 0 6 2 5 6 8 4 8 8 5 0 2 Ra f a e l C Go n z a l e z Ric h a r d E wo o l s S t e v e n L Ed d in s Digit al I mag e Pr oces s ing Us ing M ATLAB Pr ent ic e Ha l 1 2 003 3 Ra f a e l C Go n z a l e z R i c h a r d E wo o ls Di g i t a l I ma g e P r o c e s s i n g Pr e nt ic e Ha l l 2 00 7 4 徐 长航 陈国明 谢静 林红 基 于 红 外 图像 处 理 的钢制构 件疲 劳损 伤识别 J J 石 油矿场机械 2 0 0 8 3 7 1 1 3 7 4 0 5 No d a N T h e r ma l s t r e s s e s i n t e n s i t y f a c t o r f o r f u n c t io n a l l y gr adien t p l at e wit h a n e dge c r a ck J our na l of The r m a l S t r e s s e s 1 9 9 7 2 0 3 3 7 3 3 8 7 6 ME OLAC An e wa p p r o a c hf o r e s t ima t io n