一種應變場聲發射事件時空強的測量方法
【專利摘要】一種應變場聲發射事件時空強的測量方法，步驟為：利用數字圖像相關方法，獲取材料或結構變形過程中一個表面的最大剪切應變場；將選定的圖像分成若干個正方形像素塊，根據最大剪切應變場，利用插值方法獲得各像素塊的最大剪切應變和各像素塊中心坐標；確定各破壞像素塊及各破壞像素塊在測量間隔內釋放的彈性應變能、釋放彈性應變能的次數；查找相互連通的破壞像素塊構成聲發射事件；測量各聲發射事件在測量間隔內釋放的彈性應變能、空間位置、持續時間；確定各聲發射事件在各測量間隔內釋放的彈性應變能、空間尺度、持續時間的統計規律。優點是：本發明實現了對聲發射事件的時空強的全方位測量，擴展了聲發射技術的既有功能，應用前景廣闊。
【專利說明】
一種應變場聲發射事件時空強的測量方法
技術領域
[0001] 本發明屬于應變場測量技術領域，特別涉及一種應變場聲發射事件時空強的測量 方法。
【背景技術】
[0002] 聲發射技術是靠材料在受載條件下發射的彈性波來獲取其內部狀態和力學特性 的一種實驗方法。聲發射技術可應用于實驗室巖石類材料的微破裂測量、天然地震和礦井 巖爆的監測和預報等多個領域。
[0003] 基于聲發射技術的實驗結果強烈依賴于實驗設備。雖然自70年代以來，國內外已 經普遍采用了數字化全波形聲發射測量系統，但由于存在動態范圍不足與"死時間"等問 題，使得聲發射波形失真，聲發射事件大量缺失，從而影響聲發射的時空分布、一些統計量 的可靠性以及對材料變形破壞過程的認識。聲發射技術對于低頻事件一般并不敏感。由于 聲發射系統多方面的差異，不同實驗室的結果難于直接對比。隨著時代的發展和技術的進 步，上述問題已在一定程度上得到了克服，但仍無法根除。和過去相比，人們對材料變形破 壞過程的研究在深度和廣度上都有所超越，技術上的局限性嚴重阻礙了一些研究向前推 進。
[0004] 數字圖像相關方法是材料或結構變形破壞過程中位移場和應變場觀測的一種重 要手段，其原理是通過比較變形前后兩塊像素子區的相關程度來實現子區中心點位移和子 區應變的測量，具有實時觀測、光路簡單、精度高的特點。
[0005] 聲發射技術和數字圖像相關方法有各自的適用領域，各具優勢。前者適用于探測 聲發射事件的時空分布規律，后者適于探測位移場和應變場。目前，根據測量獲得的應變場 信息挖掘聲發射事件的時空強分布規律還未見報道，此規律的獲得有助于深刻認識材料的 變形破壞過程。
【發明內容】
[0006] 針對現有技術的不足，本發明提出一種應變場聲發射事件時空強的測量方法。該 方法的具體步驟如下：
[0007] 步驟1、利用數字圖像相關方法，獲取材料或結構變形破壞過程中一個表面的最大 剪切應變場；
[0008] 步驟1.1、利用拍攝設備采集材料或結構變形破壞過程中一個表面的圖像，如果材 料或結構表面沒有天然紋理或天然紋理質量較差，需要利用涂料在材料或結構表面制作散 斑場，任意相鄰兩張圖像的拍攝時間間隔相同；
[0009] 步驟1.2、選定若干張圖像，設置子區尺寸、測點數目、測點位置和測點間距，利用 數字圖像相關方法測量材料或結構變形破壞過程中一個表面的應變場，所述測點應布置在 選定的第一張圖像上；
[0010] 步驟1.3、利用應變場獲得最大剪切應變場；
[0011] 步驟2、將選定的第一張圖像分成若干個無間隔、無重疊、成行成列的正方形像素 塊，根據最大剪切應變場，利用插值方法獲得各像素塊的最大剪切應變和各像素塊中心坐 標；
[0012] 步驟3、根據圖像中各像素塊的最大剪切應變和設置的強度參數，確定各破壞像素 塊，并分別確定各破壞像素塊在測量間隔內釋放的彈性應變能和各測量間隔釋放彈性應變 能的次數，所述測量間隔包括若干個能量釋放計算間隔，所述能量釋放計算間隔為任意相 鄰兩張圖像的拍攝時間間隔，所述破壞像素塊為發生塑性變形的像素塊；
[0013] 步驟3.1、將聲發射事件的能量釋放計算間隔設置為任意相鄰兩張圖像的拍攝時 間間隔，同時設置測量間隔和測量間隔布置方式，所述測量間隔包括若干個能量釋放計算 間隔，所述測量間隔布置方式包括重疊布置、無縫不重疊布置和有縫布置，重疊布置是指兩 次相鄰的測量間隔包含部分相同的能量釋放計算間隔，無縫不重疊布置是指兩次相鄰的測 量間隔緊鄰且包含的能量釋放計算間隔均不相同，有縫布置是指兩次相鄰的測量間隔有間 隙，間隙部分的能量釋放計算間隔不屬于任何一次測量間隔，且兩次相鄰的測量間隔包含 的能量釋放計算間隔均不相同；
[0014] 步驟3.2、根據圖像中各像素塊的最大剪切應變和設置的強度參數，確定破壞像素 塊，分別測量各破壞像素塊在各能量釋放計算間隔釋放的彈性應變能；
[0015] 步驟3.3、分別對各破壞像素塊在各能量釋放計算間隔釋放的彈性應變能進行求 和，獲得各測量間隔內各破壞像素塊釋放的彈性應變能；
[0016] 步驟3.4、分別測量各破壞像素塊在各測量間隔內釋放彈性應變能的次數；
[0017] 步驟4、將任一個破壞像素塊標記為i，i為聲發射事件的標號，取為自然數，遍歷與 該像素塊具有相同的點或相同的線的所有像素塊，若這些像素塊中存在破壞像素塊，則這 些破壞像素塊同樣標記為i，同樣標記為i的破壞像素塊組成一組相互連通的破壞像素塊， 構成一個聲發射事件，同樣標記為i的破壞像素塊的數目為聲發射事件的空間尺度，以此類 推，找到應變場中所有的聲發射事件，進而確定應變場中聲發射事件的數目和各聲發射事 件的空間尺度，所述一組相互連通的破壞像素塊由若干個具有相同的點或者相同的線的破 壞像素塊組成，所述各聲發射事件的空間尺度為各聲發射事件包含的破壞像素塊的數目；
[0018] 步驟5、將每組相互連通的破壞像素塊在測量間隔內釋放的彈性應變能求和，作為 每個聲發射事件在測量間隔內釋放的彈性應變能；
[0019] 步驟6、根據形心坐標公式，確定各聲發射事件所在的空間位置；
[0020] 步驟7、利用各破壞像素塊在各測量間隔內釋放彈性應變能的次數乘以能量釋放 計算間隔，測量各破壞像素塊釋放能量的持續時間，通過對每組相互連通的破壞像素塊釋 放能量的持續時間求均值或者求并集，確定各聲發射事件在測量間隔內的持續時間；
[0021] 步驟8、在各測量間隔內，確定各聲發射事件釋放的彈性應變能、各聲發射事件的 空間尺度、各聲發射事件的持續時間的統計規律；
[0022] 步驟8.1、在各測量間隔內，將各聲發射事件釋放的彈性應變能按最大值和最小值 為首末端均分為能量釋放若干等級、將各聲發射事件的空間尺度按最大值和最小值為首末 端均分為空間尺度若干等級、將各聲發射事件的持續時間按最大值和最小值為首末端均分 為持續時間若干等級；
[0023] 步驟8.2、將各聲發射事件釋放的彈性應變能、各聲發射事件的空間尺度、各聲發 射事件的持續時間分別劃歸入相應的等級中，并統計能量釋放各等級的頻次、空間尺度各 等級的頻次、持續時間各等級的頻次，所述能量釋放各等級的頻次指能量釋放各等級包含 的相應的聲發射事件的個數，所述空間尺度各等級的頻次指空間尺度各等級包含的相應的 聲發射事件的個數，所述持續時間各等級的頻次指持續時間各等級包含的相應的聲發射事 件的個數；
[0024]步驟8.3、利用能量釋放各等級的數據，通過線性回歸確定頻次-能量釋放關系，利 用空間尺度各等級的數據，通過線性回歸確定頻次-空間尺度關系，利用持續時間各等級的 數據，通過線性回歸確定頻次-持續時間關系。
[0025] 有益效果：
[0026] 本發明提出了一種應變場聲發射事件時空強的測量方法，該方法采用拍攝設備采 集材料或結構變形破壞過程中一個表面的圖像，利用數字圖像相關方法，獲取材料或結構 變形破壞過程中一個表面的應變場，根據圖像中各像素塊的最大剪切應變和設置的強度參 數確定破壞像素塊，通過在各測量間隔內確定圖像中相互連通的破壞像素塊并計算各相互 連通的破壞像素塊釋放的彈性應變能，進而確定各聲發射事件的空間尺度和各聲發射事件 釋放的彈性應變能;通過統計各測量間隔內各破壞像素塊釋放彈性應變能次數，計算各破 壞像素塊釋放能量的持續時間，進而確定各聲發射事件的持續時間；最后利用統計方法確 定頻次_能量釋放關系、頻次_空間尺度關系、頻次_持續時間關系，獲得彈性應變能、空間尺 度、持續時間三種統計量的演變規律。本發明實現了對聲發射事件的時(持續時間）空(空間 尺度)強(能量釋放)的全方位測量，拓展了聲發射技術的既有功能，應用前景廣闊。
【附圖說明】
[0027] 圖1為本發明的應變場聲發射事件時空強的測量方法的流程圖；
[0028] 圖2為本發明實施例的應變場中聲發射事件的分布圖；
[0029] 圖3為本發明實施例的8個破壞像素塊在測量間隔內釋放彈性應變能的示意圖；
[0030] 圖4為本發明實施例的聲發射事件空間尺度的分布圖；
[0031]圖5為本發明實施例的聲發射事件能量釋放的分布圖；
[0032]圖6為本發明實施例的聲發射事件持續時間的分布圖；
[0033]圖7為本發明實施例的聲發射事件空間尺度的排序圖；
[0034]圖8為本發明實施例的聲發射事件能量釋放的排序圖；
[0035]圖9為本發明實施例的聲發射事件持續時間的排序圖；
[0036] 圖10為本發明實施例的聲發射事件頻次-空間尺度的統計圖；
[0037] 圖11為本發明實施例的聲發射事件頻次-能量釋放的統計圖；
[0038]圖12為本發明實施例的聲發射事件頻次-持續時間的統計圖。
【具體實施方式】
[0039] 下面結合附圖對本發明【具體實施方式】做詳細說明。一種應變場聲發射事件時空強 的測量方法，如圖1所示：
[0040] 步驟1、利用數字圖像相關方法，獲取材料或結構變形破壞過程中一個表面的最大 剪切應變場；
[0041] 步驟1.1、利用拍攝設備采集材料變形破壞過程中一個表面的圖像，任意相鄰兩張 圖像的拍攝時間間隔均為〇. 2s;
[0042] 步驟1.2、選定11張圖像，設置子區尺寸為21X21像素，測點數目為10X15,測點成 行成列等間距布置，測點間距為50像素，利用數字圖像相關方法測量材料或結構變形破壞 過程中一個表面的應變場，所述測點應布置在選定的第一張圖像上；
[0043] 步驟1.3、利用應變場獲得最大剪切應變場
，其中ymax為最 大剪切應變，ex、ey、y xy分別為x方向正應變，y方向正應變以及剪切應變。
[0044]步驟2、將選定的第一張圖像分成無間隔、無重疊、成行成列的20X30個正方形像 素塊，根據獲得的最大剪切應變場，利用插值方法獲得各像素塊的最大剪切應變和各像素 塊中心坐標。
[0045] 步驟3、根據圖像中各像素塊的最大剪切應變和設置的強度參數，確定各破壞像素 塊，并分別確定各破壞像素塊在測量間隔內釋放的彈性應變能和各測量間隔釋放彈性應變 能的次數；
[0046] 步驟3.1、設置聲發射事件的能量釋放計算間隔為任意相鄰兩張圖像的拍攝時間 間隔，設置測量間隔為10個能量釋放計算間隔，設置測量間隔布置方式為無縫不重疊布置；
[0047] 步驟3.2、根據圖像中各像素塊的最大剪切應變和設置的強度參數，確定破壞像素 塊，所述破壞像素塊是發生塑性變形的像素塊，若像素塊的最大剪切應變大于設置的強度 參數，則認為該像素塊發生了塑性變形，即y max多y f，其中y f是設置的強度參數，取為〇. 2， 分別計算各破壞像素塊在各能量釋放計算間隔釋放的彈性應變能；
[0048] -個破壞像素塊存儲的彈性應變能的計算公式為：
L0050J 其中，E為彈性模量，取為20GPa，ii為泊松比，取為0.15，V為破壞像素塊的面積乘以 破壞像素塊的厚度，破壞像素塊的面積為25X25像素，破壞像素塊的厚度取為25像素，〇1和 〇3分別為第1和第3主應力，當 〇1和〇3取為一個能量釋放計算間隔開始時的值時，1]=山，當 和〇3取為一個能量釋放計算間隔結束時的值時，U = U2, AUiUi-m即為一個能量釋放計算 間隔該破壞像素塊釋放的彈性應變能；
[0051 ] 主應力〇1和〇3可由主應變求得：
[0053] 其中，￡1和￡3分別為第1和第3主應變；
[0054] 主應變￡1和￡3可由應變分量求得：
[0056] 步驟3.3、分別對各破壞像素塊在各能量釋放計算間隔釋放的彈性應變能進行求 和，獲得各測量間隔內各破壞像素塊釋放的彈性應變能；
[0057] 步驟3.4、分別統計各破壞像素塊在各測量間隔內釋放彈性應變能的次數。
[0058]步驟4、將任一個破壞像素塊標記為i，i為聲發射事件的標號，取為自然數，遍歷與 該像素塊具有相同的點或相同的線的所有像素塊，若這些像素塊中存在破壞像素塊，則這 些破壞像素塊同樣標記為i，同樣標記為i的破壞像素塊組成一組相互連通的破壞像素塊， 構成一個聲發射事件，同樣標記為i的破壞像素塊的數目為聲發射事件的空間尺度，以此類 推，找到應變場中所有的聲發射事件，如圖2所示，灰色像素塊為破壞像素塊，共84個，其中8 個破壞像素塊在測量間隔內的各能量釋放計算間隔釋放的彈性應變能如圖3所示，84個破 壞像素塊共構成50個聲發射事件，確定應變場中聲發射事件的數目和各聲發射事件的空間 尺度，如圖4和圖7所示，圖4展示了各聲發射事件空間尺度的分布圖，聲發射事件空間尺度 越小，其對應的圓形面積越小，圖7中各聲發射事件已按照聲發射事件空間尺度的大小重新 標號，空間尺度越小，標號越小，空間尺度為1的聲發射事件最多，達到30個，空間尺度為3的 聲發射事件最少，為2個。
[0059] 步驟5、將每組相互連通的破壞像素塊在測量間隔內釋放的彈性應變能求和，作為 每個聲發射事件在測量間隔內釋放的彈性應變能，如圖5和圖8所示，圖5展示了各聲發射事 件能量釋放的分布圖，聲發射事件能量釋放越小，其對應的圓形面積越小，圖8中各聲發射 事件已按照聲發射事件釋放彈性應變能的大小重新編號，釋放彈性應變能越小，編號越小。
[0060] 步驟6、根據形心坐標公式，確定各聲發射事件所在的空間位置，
其中x。、y。、z。為一個聲發射事件所在的空間位置坐標，Xi、yi、Zi ，- 為一個聲發射事件中m個破壞像素塊的中心坐標，Si為一個聲發射事件中各破壞像素塊的 m 面積，m為一個聲發射事件包含的破壞像素塊的數目，$ = 為一個聲發射事件各破壞像 f=l 素塊的面積之和。
[0061]步驟7、利用各破壞像素塊在各測量間隔內釋放彈性應變能的次數乘以能量釋放 計算間隔，測量各破壞像素塊釋放能量的持續時間，通過對每組相互連通的破壞像素塊釋 放能量的持續時間求均值或者求并集，確定各聲發射事件在測量間隔內的持續時間，如圖6 和圖9所示，圖6展示了各聲發射事件持續時間的分布圖，聲發射事件持續時間越短，其對應 的圓形面積越小，圖9中各聲發射事件以按照聲發射事件持續時間的長短重新編號，持續時 間越短，編號越小。
[0062] 步驟8、在各測量間隔內，確定各聲發射事件釋放的彈性應變能、各聲發射事件的 空間尺度、各聲發射事件的持續時間的統計規律；
[0063] 步驟8.1、在各測量間隔內，將各聲發射事件的空間尺度按最大值和最小值為首末 端均分為4個空間尺度等級、將各聲發射事件釋放的彈性應變能按最大值和最小值為首末 端均分為5個能量釋放等級、將各聲發射事件的持續時間按最大值和最小值為首末端均分 為5個持續時間等級；
[0064] 步驟8.2、將各聲發射事件釋放的彈性應變能、各聲發射事件的空間尺度、各聲發 射事件的持續時間分別劃歸入相應的等級中，統計空間尺度各等級的頻次，如圖10所示，統 計能量釋放各等級的頻次，如圖11所示，統計持續時間各等級的頻次，如圖12所示；
[0065]步驟8.3、利用能量釋放各等級的數據，通過線性回歸確定頻次-能量釋放關系，利 用空間尺度各等級的數據，通過線性回歸確定頻次-空間尺度關系，利用持續時間各等級的 數據，通過線性回歸確定頻次-持續時間關系。
【主權項】
1. 一種應變場聲發射事件時空強的測量方法，其特征在于:包括如下步驟： 步驟1、利用數字圖像相關方法，獲取材料或結構變形破壞過程中一個表面的最大剪切 應變場； 步驟1.1、利用拍攝設備采集材料或結構變形破壞過程中一個表面的圖像，任意相鄰兩 張圖像的拍攝時間間隔相同； 步驟1.2、選定若干張圖像，設置子區尺寸、測點數目、測點位置和測點間距，利用數字 圖像相關方法測量材料或結構變形破壞過程中一個表面的應變場； 步驟1.3、利用應變場獲得最大剪切應變場； 步驟2、將選定的圖像分成若干個無間隔、無重疊、成行成列的正方形像素塊，根據最大 剪切應變場，利用插值方法獲得各像素塊的最大剪切應變和各像素塊中心坐標； 步驟3、根據圖像中各像素塊的最大剪切應變和設置的強度參數，確定各破壞像素塊， 并分別確定各破壞像素塊在測量間隔內釋放的彈性應變能和各測量間隔釋放彈性應變能 的次數，所述測量間隔包括若干個能量釋放計算間隔，所述能量釋放計算間隔為任意相鄰 兩張圖像的拍攝時間間隔，所述破壞像素塊為發生塑性變形的像素塊； 步驟4、將任一個破壞像素塊標記為i，i為聲發射事件的標號，取為自然數，遍歷與該像 素塊具有相同的點或相同的線的所有像素塊，若這些像素塊中存在破壞像素塊，則這些破 壞像素塊同樣標記為i，同樣標記為i的破壞像素塊組成一組相互連通的破壞像素塊，構成 一個聲發射事件，同樣標記為i的破壞像素塊的數目為聲發射事件的空間尺度，以此類推， 找到應變場中所有的聲發射事件，進而確定應變場中聲發射事件的數目和各聲發射事件的 空間尺度，所述一組相互連通的破壞像素塊由若干個具有相同的點或者相同的線的破壞像 素塊組成，所述各聲發射事件的空間尺度為各聲發射事件包含的破壞像素塊的數目； 步驟5、將每組相互連通的破壞像素塊在測量間隔內釋放的彈性應變能求和，作為每個 聲發射事件在測量間隔內釋放的彈性應變能； 步驟6、根據形心坐標公式，確定各聲發射事件所在的空間位置； 步驟7、利用各破壞像素塊在各測量間隔內釋放彈性應變能的次數乘以能量釋放計算 間隔，測量各破壞像素塊釋放能量的持續時間，通過對每組相互連通的破壞像素塊釋放能 量的持續時間求均值或者求并集，確定各聲發射事件在測量間隔內的持續時間； 步驟8、在各測量間隔內，確定各聲發射事件釋放的彈性應變能、各聲發射事件的空間 尺度、各聲發射事件的持續時間的統計規律。2. 根據權利要求1所述的一種應變場聲發射事件時空強的測量方法，其特征在于:所述 步驟3具體步驟如下： 步驟3.1、將聲發射事件的能量釋放計算間隔設置為任意相鄰兩張圖像的拍攝時間間 隔，同時設置測量間隔和測量間隔布置方式，所述測量間隔包括若干個能量釋放計算間隔， 所述測量間隔布置方式包括重疊布置、無縫不重疊布置和有縫布置，重疊布置是指兩次相 鄰的測量間隔包含部分相同的能量釋放計算間隔，無縫不重疊布置是指兩次相鄰的測量間 隔緊鄰且包含的能量釋放計算間隔均不相同，有縫布置是指兩次相鄰的測量間隔有間隙， 間隙部分的能量釋放計算間隔不屬于任何一次測量間隔，且兩次相鄰的測量間隔包含的能 量釋放計算間隔均不相同； 步驟3.2、根據圖像中各像素塊的最大剪切應變和設置的強度參數，確定破壞像素塊， 分別測量各破壞像素塊在各能量釋放計算間隔釋放的彈性應變能； 步驟3.3、分別對各破壞像素塊在各能量釋放計算間隔釋放的彈性應變能進行求和，獲 得各測量間隔內各破壞像素塊釋放的彈性應變能； 步驟3.4、分別測量各破壞像素塊在各測量間隔內釋放彈性應變能的次數。3.根據權利要求1所述的一種應變場聲發射事件時空強的測量方法，其特征在于:所述 步驟8具體步驟如下： 步驟8.1、在測量計間隔內，將各聲發射事件釋放的彈性應變能按最大值和最小值為首 末端均分為能量釋放若干等級、將各聲發射事件的空間尺度按最大值和最小值為首末端均 分為空間尺度若干等級、將各聲發射事件的持續時間按最大值和最小值為首末端均分為持 續時間若干等級； 步驟8.2、將各聲發射事件釋放的彈性應變能、各聲發射事件的空間尺度、各聲發射事 件的持續時間分別劃歸入相應的等級中，并確定能量釋放各等級的頻次、空間尺度各等級 的頻次、持續時間各等級的頻次，所述能量釋放各等級的頻次指能量釋放各等級包含的相 應的聲發射事件的個數，所述空間尺度各等級的頻次指空間尺度各等級包含的相應的聲發 射事件的個數，所述持續時間各等級的頻次指持續時間各等級包含的相應的聲發射事件的 個數； 步驟8.3、利用能量釋放各等級的數據，通過線性回歸確定頻次-能量釋放關系，利用空 間尺度各等級的數據，通過線性回歸確定頻次-空間尺度關系，利用持續時間各等級的數 據，通過線性回歸確定頻次-持續時間關系。
【文檔編號】G01N29/14GK105929027SQ201610206423
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年3月31日
【發明人】王學濱, 郭翔, 馮威武, 白雪元, 馬冰, 齊大雷, 李陽, 武其奡
【申請人】遼寧工程技術大學