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1、华中科技大学 硕士学位论文 相关分析技术及其在几何量测量中的应用 姓名：赵倩 申请学位级别：硕士 专业：固体力学 指导教师：何玉明 20070602 I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 近些年来，相关分析技术在许多领域有着广泛地应用，尤其是在检测技术领域 内。相关检测日益成为当前检测技术中的一个重要研究领域。本文在国内外研究的 基础上，将相关分析技术应用于距离测量、超声回波时间差的检测和数字散斑物形 检测技术。 本论文的研究工作主要包括三个方面的内容：相关分析技术在测量时间差中的 应用，相关分析技术在超声检测中的应用，相关分析技术在数字图像处理中的应用。 在利用相关技术
2、测量距离中，通过分析连续激光信号和激光脉冲信号往返一次 所需要的时间，可计算出所需要测量的距离。因此在实际测量中，利用相关分析算 法精确读取时间差是此测量方法的关键技术之一。 在超声检测方面，本文使用的实验系统由超声发生器、数字记忆示波器、计算 机、探头和信号采集装置组成。实验采用一发一收的实验模式，系统的采样频率和 稳定性均满足实验的要求。采用相关分析算法，求得超声波在经过所测距离中所需 要的传播时间，即可计算出所测试件的厚度或者裂纹在试件中的位置。 在数字图像处理中，数字图像相关法是对全场位移和应变进行量化分析的新实 验力学方法之一。文中所完成的数字图像相关计算程序主要分为三大模块：图像预
3、 处理模块、主程序模块以及数据的后处理和图形的显示模块。主程序中的相关分析 算法可计算出相关系数峰值的坐标，不仅可计算出位移的大小，还可判断其方向。 关键词：相关技术，超声检测，数字图像相关法，时间差，相关系数 II 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract In recent years, correlative technique has wide application in a lot of fields,particularly in the area of detection domain.The research of correlative techni
4、que is becoming an important field in the detection domain.In this paper,correlative technique is applied to distance measurement,ultrasonic testing and digital image processing on the basis of domestic and foreign research. The paper contains three major aspects:correlative technique analysis in th
5、e application of interval measurement,ultrasonic detection and digital image processing. Firstly, in the research of measuring the distance with the correlative technique, when the signal goes through the distance,we can calculate the distance by analyzing the propagation time, which is one of the k
6、ey technologies in the distance measurement. Secondly, the system in ultrasonic testing contains the equipment of ultrasonic generator, digital oscilloscope,computer,sensors and signal acquisition unit. It has a high sampling frequency and stability with one time send and receive the experimental mo
7、del with correlation analysis algorithm, we can calculate the thickness of the specimen and the position of cracks in the specimen after the propagation time massacred by the distance which the ultrasonic go through. Thirdly, digital image correlation is a new method in digital image processing used
8、 for quantitativly analyzing the displacement and deformation in the whole area in the experimental mechnics. The procedure is divided into three modules: image preprocessing module, main program module, data post-processing and graphics display module. In the main program the correlation analysis a
9、lgorithm could calculate the peak coordinates of the correlation coefficient which could be used to calculate the size of the displacement and estimate the direction of the displacement. Keywords: Correlative technique, Ultrasonic inspection, Digital image correlation, Time difference, Correlation c
10、oefficient 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出贡献 的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关
11、数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪 论 1.1 研究目的和意义 实际工程测试中，经常要研究一对变量(信号)之间的关系。确定性信号可以用明 确的数学关系式描述，信号间具有明确的函数关系，两者一一对应。但实测所得信 号往往是随机的，信号间不具有确定性关系，无法用明确的数学关系式描述，只能 用概率统计方法描述。而这类信号一般是从同一个被测
12、系统上测试得到的，其间总 存在某种内在联系1。对这类信号的分析，常常要用到相关的概念。因此，相关分析 技术是工程信号分析处理中的最基本的一种方法。 相关性分析基于对信号相关函数的分析，建立在信息论和随机过程理论基础上。 这一技术已在力学、光学、声学、电子学、地震学、地质学、工业生产过程及生物 工程等领域得到广泛的应用。超声相关检测技术是一门年青的应用科学，它是随着 现代信号处理手段的发展才得到广泛的运用2。 许多几何量都可以采用超声相关检测 技术来检测。超声波探伤是无损检测的主要方法。目前国内绝大多数厂家都是采用 手工作业,存在一些弊端,如检测速度慢、效率低,不适应现代生产线的要求;对探伤缺
13、陷误判和漏判严重,而且难以保证超声波束 100%覆盖钢板表面,造成对所测材料等级 评定失真;缺乏完善的探伤标准评定体系等3。针对此种弊端，通常采用相关分析算 法来对物体进行超声探伤。数字图像相关法(Digital Image Correlation,DIC)或激光散 斑测速法(Laser Speckle Velocimetry, LSV)是对全场位移和应变进行量化分析的新实 验力学方法4-7。自从 Peters 和 Ranson 于 1982 年提出该方法以来4,由于其能够进行 全场的变形或应变测量、对土体无干扰等特点,日益受到重视,获得了长足的发展。在 DIC方法中,图像处理的算法是其核心之
14、一,因此是目前DIC理论研究中的主要方面之 一,它直接决定了处理结果乃至 DIC 方法的可靠性和精确度。通常采用相关技术或最 小二次差分(Min-imum Quadratic Difference,MQD)来求解子区域的平均位移,然后再 采用曲线拟合、插值等数学手段来寻求亚像素级的位移。其中相关方法已成为 DIC 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 分析方法中最常用的一种算法。虽然超声相关检测和数字图像相关法检测的对象不 同，方法也有差异，但都是利用了信号的相关性，本文将信号的相关性分析在这些 领域的应用进行详细的研究。 1.2 国内外研究进展 相关分析技术是以信息论和随机过程
15、理论为基础的，近 20 多年来，它在许多领 域得到了广泛应用，尤其是在检测技术领域内，如速度、流量、位移测量等方面获 得了迅速的发展。 超声相关检测技术是基于相关原理的超声检测技术9， 超声相关检测技术是一门 年青的应用科学，它是随着现代信号处理手段的发展才得到广泛的运用。许多物理 量都可以采用超声相关检测技术来检测。频率高于人类听觉上限频率(约 20000Hz) 的声波，称为超声波，人们产生超声的核心部件是超声换能器，它是一种既可以把 电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的装置。随着材料科学的发展，使得应 用最广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电耦合系数高、价格低廉、性能 良好的压电
16、陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜等8。超声波检测主 要是利用超声的信息载体作用，即通过超声在媒质中的传播、散射、吸收、波形转 换等，提取反映媒质本身特性或内部结构的信息，达到检测媒质性质、物体形状、 几何尺寸、内部缺陷结构的目的，如超声测距、测厚、测物位、工业测井、工业无 损探伤、测媒质的流速、密度、粘度、硬度等等。超声波检测技术作为无损检测技 术的重要手段之一，在其发展过程中起着重要的作用，它提供了评价固体材料的微 观组织及相关力学性能、检测其微观和宏观不连续性的有效通用方法。 超声波探伤技术已经有几十年的历史了，最早利用超声波探测物体内部缺陷和 结构是由原苏联的萨卡洛夫于 1929 年提出来的。 1964 年前联邦德国研制成功小型超 声探伤仪，其主要性能指标取得了突破性进展，标志着跨入了近代超声探伤技术阶 段。 由于超声信号的高频特性，超声波相关检测早期仅使用模拟量信号的分析，大 部分检测设备仅有 A 扫描形式，需要通过有经验的无损检测人员对信号进行人工分 3 华 中 科 技
