基于数字图像处理的高温管系宏观位移测量研究

论文总字数：26195字

摘 要

高温环境下，材料发生形变，需要对材料产生的热应变进行测量，判断变形是否超过变形极限，传统的接触式测量方法，无法满足全场热应变测量的需求，本文采用的基于数字图像处理的热应变测量技术能够简洁的测量全场热应变，实验装置无需置于高温环境，装置寿命长，适用的场合更多。

当高温材料确定时，材料的热应变与温度相对应，通过测量高温环境下的热应变，可以得到此时的温度，因而，本文中的技术也可以作为测量高温的辅助手段，相较于传统的测温方式而言，既能测量全场温度分布，又能保证较广的测温范围。

本文采用数字图像处理技术测量位移，通过相机记录下变形前后的物体表面图像，通过一系列数字图像处理技术，将采集的彩色图像转化为灰度图像，设定阈值，划分灰度级，对灰度图像进行二值化处理，提取图像的特征区域，将不同图像的特征区域匹配，利用形状描述子描述各个特征区域，度量各特征区域的相似性，找出相似程度最高的特征区域，作为匹配后的结果。找出变形前后匹配的特征区域的质心坐标，以质心坐标的改变量作为物体像素坐标变形，通过系统标定，找出像素坐标与实际坐标的对应关系，求得物体实际变形和位移。测量的精确度取决于数字图像处理技术的完备性，发展空间广，测量装置简单，实用性高。

关键词：数字图像处理技术，位移测量，形状描述子，相似性度量，质心坐标

A STUDY ON MACRO DISPLACEMENT MEASUREMENT OF HIGH TEMPERATURE PIPE BASED ON DIGITAL IMAGE PROCESSING

Abstract

In high temperature condition, it is necessary to measure the deformation of materials in order to find out whether the deformation is acceptable. The conventional contact techniques can only provide the average thermal strain of the local area instead of full-field thermal deformation. The technology for macro displacement measurement of high temperature pipe based on Digital image processing can measure full-field thermal deformation in wide temperature range without injury. As a result, it can apply to more situations with such a long lifespan.

As the materials are decided, the temperature can be found according to the relationship between temperature and deformation. The technology introduced is also a way of temperature measurement. Comparing with conventional way of temperature measurement, it can provide full-field temperature distribution and wide range of temperature measurement.

The thesis introduce a displacement measurement device working with a camera recording the image of testing object before and after displacement. The characteristics can be obtained by a group of image processing like converting the image to gray one then to two value image with a suitable threshold value. The shape descriptor can describe each characteristics so that the characteristics with highest similarity can be obtained by comparing each characteristics. The change of centroid coordinates is the displacement in pixel of testing objects. By system calibration, the connection between real displacement and pixel displacement can be found which can help with the real displacement and deformation. The well the digital image processing develops, the more accurate the results will be. The displacement measurement technology has a broad prospect for later development for high practicality with simple devices.

KEY WORDS: digital image processing technology, displacement measurement, shape descriptor, similarity measurement, centroid coordinates

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 研究现状 1

1.2.1测温方法 2

1.2.2测应变方法 2

1.2.3 数字图像处理技术 3

1.3 研究内容 6

第二章 数字图像技术 7

2.1 图像预处理 7

2.1.1 灰度直方图 7

2.1.2 图像分割 7

2.1.3 二值膨胀与腐蚀 8

2.2 图像特征区域提取 8

2.2.1 边缘检测 8

2.2.2 图像填充与边界清除 9

2.3 图像特征区域匹配 10

2.3.1 形状识别 10

2.3.2 几何参数法 10

2.3.3 傅里叶描述符法 11

2.3.4 相似性度量 11

2.4 本章小结 12

第三章 宏观位移测量实验台设计 13

3.1 实验原理 13

3.1.1 加热装置选取 13

3.1.2 感兴趣区域选取 13

3.1.3 简化实验 13

3.2 实验设备 14

3.3 实验组成 14

3.4 本章小结 15

第四章 实验测量结果及分析 16

4.1 数字图像处理结果分析 16

4.1.1 图像转化与增强 16

4.1.2 图像二值化 17

4.1.3 开闭运算 18

4.1.4 特征区域提取与匹配 19

4.2 系统标定 20

4.3 实验数据及误差分析 21

4.4 本章小结 23

结论 24

致谢 25

参考文献（References） 26

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

在航空、航天、军工等领域以及电力行业等，材料常常处在高温环境下工作，对材料的高温力学性能有很大要求，这一类材料被称为高温材料^[1]，相应的，在这些需要使用高温材料的领域，材料的性能往往决定着该领域理论能否化为实践，也就决定着该领域的发展状况。在高温环境下工作，材料会发生拉伸、扭转等变形，材料的物理性能及力学性能都会发生下降，使用寿命剪短，当变形超过材料极限，材料会发生断裂、烧蚀等等，无法满足工作需求，甚至发生危险情况，因而需要对材料的变形极限进行鉴定，以判断材料能使用的极限环境温度，从而根据工作温度合理的选择高温材料，尽量减少险情的发生。

当材料确定时，通过测量材料的热应变相应的就可以得到当时的环境温度，同一材料的力学性能可以作为材料的固有属性，因而温度与应变可以对应。传统的测温方法受测温范围的限制不能在高温环境下工作，新型的非接触式测温方法，如使用光学高温计^[2]测量温度，测温范围满足需求，但易受干扰，对测量环境限制较大，以测量锅炉管道内烟气温度时，测量环境中充满了高灰的烟气，对辐射产生影响，测量误差较大。因而直接测温带来的误差不能满足工程实践的需求，通过测量材料的高温变形来间接确定温度则可以同时满足精度与测温范围的需求。测量应变有接触式和非接触测量两大类，接触式测应变法测量应变时，测量工具与测量对象有直接接触，会对测量对象表面产生加强效应，测出的应变误差较大，并且接触式测量应变只能测量局部区域的平均应变而无法得到全场热应变，而非接触式测量应变则可以很好地避免这些问题。基于数字图像处理的测量位移技术就是一种非接触式测量热应变的方法，利用数字图像处理技术测量应变，无需测量仪器置于高温环境中，能够延长测量工具的使用寿命，并且，测量精度有保证，测温范围几乎不受限制，当温度过高时，物体自身辐射带来的干扰可以通过改进数字图像处理技术来排除，因而拥有良好的发展前景。

基于数字图像处理的测位移技术是通过记录位移前后物体表面图像，将采集到的位移图像经过一系列数字图像处理，包括灰度图像转换、图像分割、边缘检测等等，将位移图像转换为简单的数据，数据的处理相较于图像处理更简单，能够借助的工具也更多，从数据中提取出图像特征区域，将位移前后图像的特征区域进行匹配，可以得到位移信息。通过实验标定可以对数字图像处理系统进行改进，提高位移测量的准确度，同时，提高系统的适用范围。本文中模拟了数字图像转换技术测量高温管系的宏观位移，在管系上选择合适的感兴趣区域并进行标记，随温度改变，标记对象发生位移，通过记录对象位移前后图像，经过数字图像转换，提取标记点的位移。

1.2 研究现状

为确定高温材料的物理性能与力学性能，需要测量不同温度下材料的性能，测量时，需要控制环境温度，需要测温元件来判断是否达到设定值；在一定的环境温度下，测量材料的热应变，需要测量热应变的元件。随着温度逐渐提高，直到材料的热应变超过允许范围，材料发生损坏，绘制材料的温度——热应变曲线，作为材料的固有属性，为选材提供参考。在这一实验标定过程中对测温与测应变技术都提出了要求。

图像处理技术发展历史悠久，最早可以追溯到二十世纪二十年代，当时电子计算机尚未问世，因而图像技术虽已有应用，但仍未得到良好发展。随着电子计算机的产生与发展，图像处理技术往数字化方向发展，其独特优势也随之逐渐展现，在计算机科学、航空航天、生物学、医学、工程学、军事、文化艺术等领域都占据重要地位，数字图像处理技术的内涵也逐渐得到丰富与发展。

1.2.1测温方法

温度是表征物体冷热程度的物理量，微观上反映物体分子热运动的剧烈程度。温度不能直接读出，需要通过物体的其他属性随温度的变化情况来测量，按照测温元件与待测物体是否有接触可以分为接触式测温与非接触式测温两大类。

1. 接触式测温

接触式测温方法较为传统，发展较为成熟，测量时测温元件与待测物体接触，发生热交换，直至达到热平衡，此时测温元件的温度即为待测物体的温度。测温元件在使用前都需要经过标定，得到测温元件的温度与其他属性值的关系，通过更直观的其他属性值的求取得到相应值对应下的温度。常见的接触式测温包括：膨胀式测温、压力式测温、热电阻测温、热敏电阻测温、热电偶测温等。最常见的水银温度计^[3]就是膨胀式测温的一种，水银温度计在测温时，水银受热膨胀，且膨胀系数较大，将水银的体积膨胀通过小内径的玻璃管放大，虽然读数方便，更直观，但不利于实现自动化，准确度相对较低^[4]，对作为测温元件的材料要求较高，工作温度因材料而异，高温环境下易损坏，使用温度范围受限。接触式测温元件在测量温度时，测温元件与待测物体有直接接触，会对待测物体的温度场产生影响，测量精度不够，同时，测温元件需要与待测物体进行冷热交换，测量需要时间，同时当待测物体处于高温环境中，测温元件也许处于同样高温环境中，会对测温元件产生损害，因而，接触式测温元件的测温范围有限，不能适应高温环境的需求。

2）非接触式测温

相较于接触式测温而言，非接触式测温在测量温度时，测量元件与待测物体之间没有接触，可以避免测量元件对待测物体温度场的影响，同时，由于测量元件与待测物体不接触，不存在温差换热，无需等到热平衡再进行读数，提高了测温的速度。最为显著的一点是，由于测量元件与待测物体的不接触，待测物体的高温不会对测温元件产生损坏，因而测温时几乎没有温度上限的限制。非接触式测温通常是利用辐射、声波来测温，利用辐射测温常见的有全辐射高温计^[5]，全辐射高温计是基于全辐射定律制作的温度计，它通过接收到的待测物体的辐射来得到待测物体的温度，测温时，易受待测物体与测量元件间介质的影响，因而二者间的距离受限，测得的温度误差较大。辐射式测温具有便于自动化这一显著优点，因而发展前景广阔，但同时也需注意到，由于辐射式测温的精度受测量元件与待测物体间的介质影响大，对测温环境要求较高，在许多工程应用中，恶劣的环境甚至对测温元件接收待测物体表面辐射的区域产生损害，从而使仪器失效。如测量炉膛温度时，高温高灰的环境，测量元件表面会有灰分覆盖，阻碍测量元件表面接收待测物体的辐射，因此，辐射式测温更多的停留在实验室使用阶段，距离工程实践仍有一段距离，随着技术的改进，辐射式高温计会越来越多的被使用。

从上述各类测温的方法来看，在高温以及其他不利因素存在的环境下，要保证测温精度，直接测温或多或少存在不足之处。为了更简便的同时精确地测温，可以采用数字图像处理技术来间接测温，通过测量特定材料的热应变得到材料温度。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：26195字

相关图片展示：