一种蝇蛆泊松比的测试方法与流程

本发明涉及农业废弃物处理技术领域，尤其涉及的是一种蝇蛆泊松比的测试方法，通过利用畜禽粪便养殖蝇蛆，进而研究蝇蛆的动力学问题。

背景技术：

我国是世界上最大的养猪大国，世界上一半的存栏猪在中国饲养，随着我国规模化养殖业的迅猛发展，带来了巨大的经济效益，随之而来的畜禽粪便对我国环境造成了巨大的污染，利用固体畜禽粪便养殖蝇蛆不但可以解决环境污染问题，而且可以为畜禽养殖业提供高蛋白的饵料。利用固体畜禽粪便养殖蝇蛆是目前解决固体粪便造成环境污染的一种十分具备前景的方法，但是等到蝇蛆成熟的时候，蝇蛆与固体粪便分离又是一个技术难题，目前基本是采用水分离、人工分离等方法，不仅造成了二次污染，而且需要耗费大量的人力财力资源。目前提出了一种利用振动筛进行蝇蛆与固体畜禽粪振动筛选分离的方法，但是前提需要获得蝇蛆的泊松比参数。

泊松比是材料力学中一个重要参数，其定义是在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值，泊松比一般通过试验方法测定。传统的泊松比测试方法有机械接触法、声学法等等；机械接触法就是通过在测试的对象表面均匀贴应变片的接触式法测定泊松比，而声学法是利用超声反射的原理测定泊松比。本试验的对象是成熟的蝇蛆，比较特殊，其本身具有自己的特性，即易于抱团、蠕动、一旦接触就成团等生物学特性，所以本试验不能采用机械接触法、声学法、电测法等传统的测试方法进行测定。

本发明提出的一种基于数字图像的蝇蛆泊松比的测试方法，针对成熟蝇蛆这种非均匀的、、一旦碰触就发生变形、抱团、蠕动的特殊试验对象，提供了一种适用于成熟蝇蛆泊松比的更加准确的非接触式测试方法，弥补传统泊松比测试方法在测试类似蝇蛆这种容易变形的软体昆虫对象上技术的不足之处，在农业方面以及生物学研究方面都具有十分重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种基于数字图像的蝇蛆泊松比的测试方法，本发明的方法可以解决针对蝇蛆这一特殊试验对象，其一旦发生碰触就会抱团、蠕动变形等生物特性，采用非接触式测试方法测定其泊松比参数，对成熟蝇蛆、甚至是类蝇蛆的软体昆虫的动力学的研究具有现实意义。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：一种蝇蛆泊松比的测试方法，包括通过顺次连接的初始加载系统、数字图像采集系统和数字图像分析系统；包括以下几个步骤：

步骤a)试验条件设定：测试环境温度设定为20～30℃，湿度为50％～60％；实验设备：材料试验样机sans、ccd相机、a/d转换器、照明系统、flycapture软件、计算机、vic-2d软件、上压板和下压板；

步骤b)将步骤a涉及到的试验设备按照顺序进行连接具体为：材料试验样机sans与输入电源相连接，调节ccd相机的高度，使得ccd相机的拍摄中心与材料试验样机sans上压板和下压板的中心平齐，ccd相机的输出端连接a/d转换器一端，将a/d转换器的另一端与装有vic-2d和flycapture软件的计算机连接；

步骤c)将蝇蛆安放在材料试验机sans的下压板上，开启材料试验样机sans测定蝇蛆的原始尺寸，假设蝇蛆的身长方向为水平方向，则蝇蛆的水平尺寸ds，蝇蛆的垂直尺寸dh；ccd相机拍摄中心与蝇蛆水平，并利用ccd相机对蝇蛆变形前的色斑进行生成，得到变形前的拍摄图片；然后，启动材料试验机sans，使得上压板与蝇蛆均匀接触过程中，在计算机中得到蝇蛆的单轴抗压强度-位移关系，从而找到弹性变形阶段；同时，在上压板与蝇蛆均匀接触的过程中，打开照明系统的光源，调整光源照射角度方向，启动flycapture软件，再次利用ccd相机对蝇蛆变形后的色斑进行生成，得到变形后的拍摄图片；

步骤d)根据步骤c中得到弹性变形阶段，从而对步骤c中变形后的拍摄图片进行选择，得到弹性变形阶段的图片，将上述弹性变形阶段的图片经过a/d转化得到灰度场，对该灰度场进行图像处理相关性计算，得到灰度场的相关系数极值点和相对应的位移信息和应变信息；将上述信息导入vic-2d软件进行相关分析，从而得到：

初始弹性阶段状态下蝇蛆左侧的水平位移sl0和右侧的水平位移sr0分别为：

其中，公式中的n是测线上测试点的数目，sli0和sri0是测线上测点的左侧水平位移与右侧水平位移；

蝇蛆在初始弹性阶段状态下的水平位移：

s0＝sr0-sl0，(2)

其中，sr0为右侧的水平位移，sl0为左侧的水平位移；

蝇蛆的水平最大位移为slmax，右侧水平最大位移为srmax的公式为：

其中，slimax和srimax为初始弹性阶段结束时测线上测点的左侧最大水平位移和右侧最大水平位移；

在弹性阶段结束状态时，蝇蛆的最大水平位移smax公式为：

smax＝srmax-slmax，(4)

弹性阶段垂直位移的计算公式为：

h0-初始弹性阶段状态下蝇蛆的垂直位移，hmax-弹性阶段结束状态下垂直位移；

从而得到：蝇蛆在弹性阶段状态下的水平位移s、蝇蛆在弹性阶段的垂直方向的位移h即

s＝smax-s0；h＝hmax-h0，

综上，由泊松比的定义可以得到蝇蛆的泊松比公式的变形公式为

本发明的蝇蛆泊松比的测试方法，试验系统包括三大部分，初始加载系统、数字图像采集系统和数字图像分析系统；初始加载系统主要是材料试验机sans，可以实现对蝇蛆单轴抗压试验；数字图像采集系统包括ccd相机、照明系统、flycapture软件，可以实现对单轴抗压试验过程中的数字图像进行同步记录；数字图像分析系统包括计算机、vic-2d软件，可以实现对采集到的数字图像进行分析处理，并且利用最佳化先关性运算法则以及白光散斑相关技术，可以测算出蝇蛆表面任意一点的位移，进而计算出蝇蛆的水平位移和垂直位移，最终得出蝇蛆的泊松比的数值。

本发明的蝇蛆泊松比的测试方法，初始加载系统包括材料试验样机sans；初始阶段，开机并且调试好加载系统，使其处于正常工作状态，为接下来的试验工作做好准备工作；试验初始阶段，假设蝇蛆的身长方向为水平方向，蝇蛆的水平尺寸，蝇蛆的垂直尺寸，首先需要对初始状态下的蝇蛆的原始尺寸大小进行测定以及初始状态下的色斑进行生成；调试材料试验机sans，使其处于正常工作状态，将已经生成的色斑的蝇蛆安放在试验机sans的下压板上，蝇蛆的中心应该与试验机sans下压板中心对准，启动试验机sans，使得上压板与蝇蛆均匀接触。

本发明的蝇蛆泊松比的测试方法，数字图像采集系统包括ccd相机、照明系统、flycapture软件；初始阶段，开机并且调试数字图像采集系统，调整使其处于正常工作状态；调整ccd相机的高度，让相机拍摄的中心线能够处于水平状态；照明系统只是需要普通的白光照射，无需特殊光源；打开照明系统，调整光源的照射方向，使得蝇蛆受光均匀；启动flycapture软件，调整ccd相机的焦距镜头，要求ccd相机拍摄的图片清晰可见，不得影响试验拍摄效果。

本发明的蝇蛆泊松比的测试方法，数字图像分析系统包括计算机、vic-2d软件；初始阶段，开机并且打开vic-2d软件使得其处于正常工作界面；将数字图像采集系统获得的图片导入vic-2d软件，利用最佳化相关性运算法则和白光散斑的相关技术，分析出蝇蛆在弹性阶段的表面位移测算出蝇蛆表面任一点的位移，得到初始状态时，蝇蛆左侧位移、右侧位移以及垂直位移。

本发明的蝇蛆泊松比的测试方法，试验平台包括初始加载系统、数字图像采集系统和数字图像分析系统组成的；按照试验仪器的相关操作规范连接好电源以及数据传输线路，调试好相应的试验器材，使其能够满足试验所需的调试要求以及正常工作需要；调试初始加载系统，使其处于正常工作状态，为下面的试验做好准备工作，对蝇蛆进行原始尺寸的测定以及色斑的生成；调试材料试验机sans，使其处于正常工作状态，将已经生成的色斑的蝇蛆安放在试验机sans的下压板上，蝇蛆的中心应该与试验机sans下压板中心对准，启动试验机sans，使得上压板与蝇蛆均匀接触；调试数字图像采集系统，调试好ccd相机的高度，ccd相机拍摄图片的中心线处于水平状态，打开照明系统的白光光源，调整光源照射角度方向，使得被测试的蝇蛆受到的照射均匀，启动flycapture软件，调整ccd相机的焦距，使得拍摄的图片清晰可见，不能影响后面的试验；初始加载系统和数字图像采集系统一起进行，获得蝇蛆的单轴抗压强度—位移关系，找出得出结果的弹性范围阶段，根据时间同步关系，确定弹性阶段的起始图片范围；将所有的图片导入vic-2d软件进行相关分析计算，分析测试对象蝇蛆的弹性阶段的表面位移，得到初始弹性阶段状态下，蝇蛆的左侧的水平位移，蝇蛆的右侧水平位移为，弹性阶段状态结束时，蝇蛆的水平最大位移，右侧水平最大位移，垂直位移，垂直最大位移。

本发明的蝇蛆泊松比的测试方法，测试环境温度设定为20℃～25℃，湿度为50％～60％；试验设备仪器都是按照一定的连接顺序连接，按照初始加载系统、数字图像采集系统以及数字图像分析系统顺次搭建试验平台的。

本发明的蝇蛆泊松比的测试方法，所述照明系统以及计算机输入电源都是220v电压。

有益效果：

1.本发明的蝇蛆泊松比参数的测试方法，由于测试对象的特殊性，即一旦受到外界环境的接触或者碰撞就发生变形、抱团、发生蠕动等生物学特性反应，因此不能采用传统的测试泊松比的方法进行测试，传统的接触式测试法存在很多问题，若是采用接触式测试方法会导致测试结果出现很大误差，甚至可能发生试验过程中采集的数据发生重大错误，本发明的测试方法可以弥补传统泊松比测试方法在测试类似蝇蛆这种容易变形的软体昆虫对象上的不足之处，在农业方面以及材料方面都具有十分重要的现实意义。

2.本发明的蝇蛆泊松比参数的测试方法，采用数字图像这种区别于传统的接触式的测试方法，因为传统的接触式泊松比测试法，例如贴应变片，需要在测试对象的表面贴应变片，一个应变片只能测得测试对象表面的一个点或者是一个方向的应变，本测试对象是蝇蛆这种特殊的非均质的易于发生变形蠕动的对象，需要更多更加全面的测试点或者测试方向，因此本发明提出的针对蝇蛆的泊松比的测试方法十分有必要。

3.本发明的蝇蛆泊松比参数的测试方法，针对蝇蛆这一特殊的试验对象，提出了一种实时监测的测试方法，是一种更加精确、可靠、简便、误差小等优点的测试方法。

附图说明

图1所示测试系统组成示意图；

图2所示为试验的工作原理图。

具体实施方式

实验设备：材料试验样机sans；ccd相机；a/d转换器；照明系统(白光光源)；flycapture软件；计算机；vic-2d软件；上压板；下压板。

实验对象：蝇蛆。

测试环境温度设定为20～30℃，湿度为50％～60％。

实验步骤1：本发明的试验系统平台包括初始加载系统、数字图像采集系统和数字图像分析系统；按照试验仪器的相关操作规范连接好电源以及数据传输线路，调试好相应的试验器材，使其能够正常工作并且满足试验所需的调试要求。

实验步骤2：调试初始加载系统，使其处于正常工作状态，为下面的试验做好准备工作，对蝇蛆进行原始尺寸的测定(假设蝇蛆的身长方向为水平方向，ds是蝇蛆的水平尺寸，dh是蝇蛆的垂直尺寸，)以及色斑的生成；调试材料试验机sans，使其处于正常工作状态，将已经生成的色斑的蝇蛆安放在试验机sans的下压板上，蝇蛆的中心应该与试验机sans下压板中心对准，启动试验机sans，使得上压板与蝇蛆均匀接触。

实验步骤3：调试数字图像采集系统，调试好ccd相机的高度，ccd相机拍摄图片的中心线处于水平状态，打开照明系统的光源，调整光源照射角度方向，使得被测试的蝇蛆受到的照射均匀，启动flycapture软件，调整ccd相机的焦距，使得拍摄的图片清晰可见，不能影响后面的试验，为了使得测试的数据更加精确，设定图片的拍摄速度是15张/s；初始加载系统和数字图像采集系统一起进行，获得蝇蛆的单轴抗压强度—位移关系，确定弹性阶段压力的变化范围大小，并且找到此范围内对应的加载时间段，找出得出结果的弹性范围阶段，根据时间同步关系，确定弹性阶段的起始图片范围。

实验步骤4：将ccd相机拍摄的成熟蝇蛆变形前后的散斑图像，经过a/d转换得到不同的数字散斑的灰度场，并且对两个数字散斑的灰度场作一定的相关运算，同时找出其相关系数极值点和相对应的位移信息和应变信息，导入vic-2d软件进行相关分析计算，分析测试对象蝇蛆的弹性阶段的表面位移，得到初始弹性阶段状态下，蝇蛆的左侧的水平位移和初始弹性阶段结束时的水平最大位移，右侧的水平位移和初始弹性阶段结束时的最大位移，垂直方向的位移和初始弹性阶段结束时的最大位移。

实验步骤5：设定在试验的初始弹性阶段状态下，蝇蛆的左侧的水平位移为sl0，蝇蛆的右侧水平位移为sr0；弹性阶段状态结束时，蝇蛆的水平最大位移为slmax，右侧水平最大位移为srmax；在试验的初始弹性阶段状态下，垂直位移为h0，弹性阶段状态结束时，垂直最大位移为hmax。

实验步骤6：

初始弹性阶段状态下活体蝇蛆左侧的水平位移sl0和右侧的水平位移sr0分别为：

其中，公式中的n是测线上测试点的数目，sli0和sri0是测线上测点的左侧水平位移与右侧水平位移；

活体蝇蛆在初始弹性阶段状态下的水平位移：

s0＝sr0-sl0，

其中，sr0为右侧的水平位移，sl0为左侧的水平位移；

活体蝇蛆的水平最大位移为slmax，右侧水平最大位移为srmax的公式为：

其中，slimax和srimax为初始弹性阶段结束时测线上测点的左侧最大水平位移和右侧最大水平位移；

在弹性阶段结束状态时，活体蝇蛆的最大水平位移smax公式为：

smax＝srmac-slmax，

弹性阶段垂直位移的计算公式为：

h0-初始弹性阶段状态下活体蝇蛆的垂直位移，hmax-弹性阶段结束状态下垂直位移；

从而得到：活体蝇蛆在弹性阶段状态下的水平位移s、活体蝇蛆在弹性阶段的垂直方向的位移h即s＝smax-s0；h＝hmax-h0，

综上，由泊松比的定义可以得到活体蝇蛆的泊松比公式的变形公式为

其中，μ是泊松比，ds是蝇蛆的水平尺寸，dh是蝇蛆的垂直尺寸。

综上所述的试验步骤，采用基于数字图像的方法测定了蝇蛆的泊松比数值。

本发明的工作过程如下：按照试验仪器的相关操作规范连接好电源以及数据传输线路，调试好相应的试验器材，使其能够正常工作并且满足试验所需的调试要求；调试初始加载系统，使其处于正常工作状态，为下面的试验做好准备工作，对蝇蛆进行原始尺寸的测定以及色斑的生成；调试材料试验机sans，使其处于正常工作状态，将已经生成的色斑的蝇蛆安放在试验机sans的垫板上，蝇蛆的中心应该与试验机sans下压板中心对准，启动试验机sans，使得上压板与蝇蛆均匀接触；调试数字图像采集系统，调试好ccd相机的高度，ccd相机拍摄图片的中心线处于水平状态，打开照明系统的白光光源，调整光源照射角度方向，使得被测试的蝇蛆受到的照射均匀，启动flycapture软件，调整ccd相机的焦距，使得拍摄的图片清晰可见，不能影响后面的试验，并且设定图片的拍摄速度是15张/s；初始加载系统和数字图像采集系统一起进行，获得蝇蛆的单轴抗压强度—位移关系，找出得出结果的弹性范围阶段，根据时间的同步关系，确定弹性阶段的起始图片范围；将所有的图片导入vic-2d软件进行相关分析计算，分析测试对象蝇蛆的弹性阶段的表面位移，得到初始弹性阶段状态下，蝇蛆的左侧的水平位移为sl0，蝇蛆的右侧水平位移为sr0，弹性阶段状态结束时，蝇蛆的水平最大位移为slmax，右侧水平最大位移为srmax，垂直位移为h0，垂直最大位移为hmax；根据相关计算得到蝇蛆在弹性阶段状态下的水平位移s，在弹性阶段的垂直方向的位移h，根据相关运算，求得蝇蛆的泊松比μ的具体数值。

所述发明的试验方法是本发明的优选实施方式，在不改变本发明测试方法的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。