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混凝土测试中数字图像相关方法最优光强研究

2025-01-20 73 上传者：管理员

摘要：采用数字图像相关方法（DIC）测量混凝土结构表面应变场时，不同光强会引起图像灰度信息分布不同，进而影响DIC的测量结果。针对此问题，本文基于混凝土三点弯实验探究了不同光强对DIC测量精度的影响规律，并将实验结果与应变片数据对比。结果表明：平均灰度接近于截至区或饱和区时图像匹配失败。在光强可匹配的范围内，DIC的测量精度随平均灰度的增加先升高后降低，平均灰度190为最优光强。

关键词：
DIC
数字图像相关方法
最优光强
测量精度
混凝土表面应变场
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混凝土作为应用最广泛的建筑材料之一，在工程建设中发挥着至关重要的作用。准确评价混凝土在载荷作用下的力学性能一直是国内外学者所关注的焦点。传统的应变测量器件如电阻应变片、位移传感器与引伸计等[1]通常受测点数量、试验空间、操作条件和试件表观的制约，在实际应用中受到了很大的限制。相比之下，数字图像相关（DIC）是应用计算机视觉与图像处理的一种新型非干涉的光测力学方法[2]，它以光学理论为主要依据，研究力学基本参数，具有全场测量、非接触性、测量精度高、对实验环境要求较低与测量自动化等显著优点。因此，DIC是实验力学领域最引人瞩目的测量方法之一。

随着DIC方法的日趋成熟，其在混凝土力学参数测量中的有效性已经被大量的应用实例[3]所证明。学者们已逐渐将研究领域拓展至高温[4]、振动[5]等环境因素，但关于光照强度对DIC测量精度研究的文献仍然较少。其中，胡斌[6]将小波阈值去噪应用到数字图像相关当中，验证了低照度条件下小波阈值新函数去噪方法在数字图像相关测量中消除噪声影响的有效性。Pan[7]提出了一种主动成像数字图像相关方法，可有效抑制DIC测量过程中外界环境光的变化。Bei[8]提出了DIC的变形测量中考虑光强变化影响的相关准则，并提高了DIC的测量精度。综上所述，国内外学者对光强变化及低照度去噪进行了一定的研究，但关于DIC最优光强的相关文献目前仍然较少。

在DIC测量混凝土结构的变形信息时，通常采用稳定可控的白光照射试件表面以采集高对比度的散斑图像便于后续分析计算。不同光照强度的提供会引起图像灰度信息分布的不同，而DIC的测量原理即根据子区灰度信息进行追踪、识别得到物体的变形信息。故图像灰度信息发生变化，理论上会影响DIC的测量结果。

因此，本文探究光照强度对DIC测量精度的影响规律，寻找最优光强。为混凝土结构的变形测量及其它实际工程如桥梁的变形监测、建筑结构的抗震性能测试与基坑结构的稳定性分析等提供参考依据。

1、实验探究

1.1实验系统

本实验装置用于探究光强对DIC应变测量精度的影响规律。如图1所示，本文采用美特斯工业系统（中国）有限公司制造的CMT5305微机控制电子万能试验机，该试验机最大量程为300 KN，试验力示值相对误差在±0.5%以内，位移分辨力为0.017μm。应变计采用的是中航电测高精度应变片BQ120-40AA-P100，电阻值为121.4±0.1Ω，灵敏度系数为2.19±1%。静态应变仪采用的是日本东京测器研究所生产的TDS-530多通道静态数据采集仪，其测量范围为±640000με，最高分辨率为0.1με，采样间隔为1 s。图像采集系统采用的是美国Correlated Solution(CSI）公司研制的DIC系统，该系统由一台CCD（型号Prosilica GT3400）工业相机组成，相机采集的图像为分辨率3384×2704像素的8bit灰度图像，采用80 mm的定焦镜头并搭配25 mm可伸缩的调焦筒调节焦距，图像相关分析软件为VIC-2D 6，照明光源采用500 W亮度可调的两个立式Bescor的LED白光灯以形成试件表面均匀照明。

图1 2D-DIC测量系统与加载系统现场照片

1.2实验设计

本实验以混凝土试件作为测试对象，实验设计如下：采用标准尺寸150 mm×150 mm×550 mm的梁形试件，在试件正前方中轴线位置处粘贴应变片1和2（见图2）。试件加载前分别调整外界光强至平均灰度（亮度）20、30、130、190、207、240、252七种光强并控制相机进行图像序列的采集，随后压力机采用分级加载的方式，加载速度为30 N/s，每加载300 N压力机停止一次。再调整外界光强至平均灰度20、30、130、190、207、240、252七种光强并进行图像序列的采集（部分实验照片见图3），如此反复，直至采集26组图像（试件接近破坏）。利用VIC-2D软件在图2(b）黑色虚线处布置2条虚拟引伸计并分别与相应位置处的应变片数据对比。为了提高计算效率，仅对比应变片1数据与其相应位置的虚拟引伸计（DIC）数据，应变片2数据以作备用。

1.3数据处理与参数表征

以上实验数据的计算参数如下，分析区域AOI为3000 pixels×1350 pixels（图2(b）白色区域），所选图像子区为41 pixels×41 pixels，步长为10 piexls，因此，需要计算的像素点为301×136=40936个。应变计算窗口为15×15点（140 pixels×140 pixels），对所得位移场进行逐点最小二乘拟合得到应变场。

图2 试件加载与分析区域示意

图3 三种光照强度下的散斑图像

考虑到光照强度因地各异的复杂性，且曝光时间与相机光圈均影响到图像亮度，本文以平均灰度（亮度）综合表征光照强度的大小。平均灰度的变化范围为0～255，基于Matlab编程实现图像平均灰度的量化。

2、实验结果分析

图4与图5分别表示的是不同光强下混凝土三点弯实验应变云图与不同光强下混凝土三点弯实验DIC数据与应变片数据对比图。由图4可得，平均灰度在190时，应变场从加载初期无规律到加载中期集中荷载两侧开始出现压应变集中区鼓包，试件下侧出现拉应变集中区，加载后期集中荷载两侧应变场逐渐演化为近对称性的压应变集中区鼓包，试件下侧拉应变集中区持续扩大并向集中荷载位置延伸，最符合混凝土三点弯试件的变形特征；平均灰度在130与207时其应变场也基本表现出了混凝土三点弯的变形特征；平均灰度在30与240时其应变场的演化出现紊乱现象，拉压应变场交错分布且界限模糊，基本未表现出三点弯变形特征。当平均灰度在20与252即接近于截至区与饱和区时，图像匹配失败。结合图5可得，应变片数据随载荷的增大呈线性增长的趋势，这符合典型的三点弯受力特征。以应变片数据为标准，五种平均灰度下的DIC数据围绕应变片数据上下波动。其中，平均灰度为190时，DIC测量数据与应变片数据最为吻合，仅偏离应变片数据5%（包含混凝土的离散性与不均质性所造成的额外误差）。平均灰度130和207时的DIC数据也表现出较高的准确度，分别偏离应变片数据9%和15%。而低照度和高照度均使得DIC测量结果严重偏离真实值，分别偏离应变片数据41%和56%。这表明平均灰度190为最优光强，DIC的测量精度最高。

图4 不同光强下的混凝土三点弯实验应变云图

3、结论

当光强接近于截至区与饱和区时DIC匹配失败。在光强可匹配的范围内，应变误差随光强的增大呈先减小后增大的趋势。其中，平均灰度190为最优光强，仅偏离应变片数据5%；平均灰度130～207为较优光强区间。调整DIC测量系统至最优光强或较优光强区间可保证DIC的高精度测量。

图5 不同光强下混凝土三点弯实验DIC数据与应变片数据对比

参考文献:

[1]张德海,郭照灿,何文斌,等.用于Q235低碳钢的数字图像相关法应变检测[J].锻压技术,2022,47(3):182-190.

[3]杨立云,林长宇,张飞,等.玄武岩纤维对活性粉末混凝土受压破坏的影响[J].建筑材料学报,2022,25(5):483-489.

[6]胡斌.小波阈值去噪及其在数字图像相关中的应用研究[D].广州:华南理工大学,2011.

文章来源:袁永忠,杨登辉,李明辉,等.混凝土测试中数字图像相关方法最优光强研究[J].科学技术创新,2025,(03):201-204.