一种针对复合材料中纤维不对齐角度识别装置及方法与流程

本发明涉及一种复合材料中增强纤维散布角度的测量方法，具体涉及一种针对复合材料中纤维不对齐角度识别装置及方法，属于织物增强复合材料技术领域。

背景技术：

碳纤维增强聚合物(crfp)的机械性能，特别是压缩刚度/强度受到增强纤维布放及其角度的直接影响。即使对于层合结构，由于模具表面粗糙度和挤压变形作用，纤维依然存在轻微的起伏现象，从而形成角度不对齐程度的加大，将会造成10～20％的压缩强度下降。

目前，纤维不对齐角的主要测量方法使用复杂的算法来跟踪纤维的方向，这可以扫描低质量的图像。然而，这些方法不利于纤维角度测量的快速进行，纤维的识别主要根据其颜色与非纤维的材料的色差进行分别，但由于色差的不明显以及纤维的数量庞大，造成了需要大量的计算成本与计算时间，效率过低。此外，目前的算法进行全图的识别，步骤繁琐，过于复杂，虽然检测准确率高，但不符合目前需求，性价比低。

因此，为解决上述问题，确有必要提供一种创新的针对复合材料中纤维不对齐角度识别装置及方法，以克服现有技术中的所述缺陷。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种针对复合材料中纤维不对齐角度识别装置，其通过图像技术对复合材料中的纤维进行识别和角度分析，进而对成束纤维角度的不对齐特征进行统计获得其不对齐角度。

本发明的第二目的在于提供一种针对复合材料中纤维不对齐角度识别方法。

为实现上述第一目的，本发明采取的技术方案为：一种针对复合材料中纤维不对齐角度识别装置，其包括底板、led照明装置、高分辨率光学显微镜、夹紧夹具、安装座、支撑装置以及电机；其中，所述底板呈水平设置；所述安装座固定于底板上；所述支撑装置枢接于安装座上，其上套设有有一纤维管材料；所述夹紧夹具安装于支撑装置上，其夹紧纤维管材料；所述led照明装置安装于安装座上，其环绕支撑装置；所述高分辨率光学显微镜置于支撑装置上方；所述电机安装于安装座上，其连接并驱动支撑装置转动。

本发明的针对复合材料中纤维不对齐角度识别装置进一步为：所述led照明装置有3个，呈120°旋转阵列环绕安装于安装座上。

本发明的针对复合材料中纤维不对齐角度识别装置进一步为：所述电机上连接一螺杆，电机驱动螺杆转动和沿其轴向移动；所述螺杆螺接于安装座上，并和支撑装置连接。

本发明的针对复合材料中纤维不对齐角度识别装置还为：所述高分辨率光学显微镜置于支撑装置上方15cm。

为实现上述第二目的，本发明采取的技术方案为：一种针对复合材料中纤维不对齐角度识别方法，其包括如下步骤：

1)，将高分辨率光学显微镜图像导入matlab程序；

2)，限定参数，输入参数，包括：所测量纤维材料的纤维直径，以微米为单位；纤维材料的最小纤维直径，以微米为单位；像素大小，以微米为单位；所分割单元直径，以微米为单位。图像二值化的敏感度参数，在0.4-0.8之间；

3)，测量图像在横纵方向的总的像素数量；

4)，计算在横纵方向上的分割单元数量；

5)，将所分割的单元组合为新的图像；

6)，将图像的灰度值设置为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的黑白效果的过程；

7)，识别图像中所拍摄的纤维；判断所识别的所有纤维是否符合要求，排除不符合要求的纤维样本；

8)，测量所成功识别的纤维的不对齐角度，对所得数据进行分析：

纤维角度的计算：

纤维角度平均值的计算：

纤维平均角误差的计算：

纤维角度的标准差的计算：

显微照片的平均纤维角：

本发明的针对复合材料中纤维不对齐角度识别方法进一步为：所述步骤2)中，计算纤维的最小长度：为纤维的直径乘以纤维的最小长径比，取4；

minlength＝fibre_diam*min_aspect＝4*fibre_diam；

计算纤维的最小长度，以像素为单位：为纤维的直径乘以纤维的最小长径比除以每个像素的大小；

minlength_pixels＝(fibre_diam*min_aspect)/pixel_res；

计算最大纤维长度：为纤维直径除以每个像素的大小再乘以1.4；

maxdim＝(fibre_diam/pixel_res)*1.4；

计算最小纤维长度：为纤维最小直径除以每个像素的大小；

mindim＝min_fibre_diam/pixel_res；

所分割单元的大小，以像素为单位：为每个单元大小除以每个像素大小的值再四舍五入；

cell_size_pixels＝round(cell_size/pixel_res)；

所测的高分辨率光学显微镜图像的x方向上的像素数量：

xdelta＝cell_size_pixels；

所测的高分辨率光学显微镜图像的y方向上的像素数量：

ydelta＝xdelta。

本发明的针对复合材料中纤维不对齐角度识别方法进一步为：所述步骤7)具体为：在每个单元的最上面一排像素点中取中间的点，一直往下到底部，每个点利用函数判断是否为纤维；具体差异为白色为纤维，而黑色非纤维材料。若所判断点为白色，则进行下一步程序，若为黑色，进行排除；白色的像素点会有程序进行向右步进，若仍为白色像素点，则向左前进，直到碰见黑色像素点，碰到黑色像素点时，向左移回一位，防止触碰其他纤维，此时，向上移动纤维，若为白色像素，则继续向右步进，重复之前步骤，直到碰到黑色像素。

本发明的针对复合材料中纤维不对齐角度识别方法还为：所述步骤7)进一步包括：在程序中设置限定条件，白色纤维片段纵坐标之差小于最小纤维直径，则删除识别的太窄片段，反之，白色纤维片段纵坐标之差大于最大纤维直径，则删除过宽已识别的段。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明的针对复合材料中纤维不对齐角度识别装置及方法将图像先行二值化，将图像上的像素点的灰度值设置为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的黑白效果的过程，图像的二值化使图像中数据量大为减少，从而能凸显出目标的轮廓。进而大大提高识别成功率，节省计算时间。

2.本发明的针对复合材料中纤维不对齐角度识别装置及方法对成束纤维的不对齐度进行统计，针对纤维符合材料在高分辨率光学显微镜图像，实现纤维不对齐角度的测量。

3.本发明的针对复合材料中纤维不对齐角度识别装置及方法将图像进行分割，分割成面积相对较小的单元进行识别，将降低识别的难度，提高计算速度。

【附图说明】

图1是本发明的针对复合材料中纤维不对齐角度识别装置的正视图。

图2是本发明的针对复合材料中纤维不对齐角度识别装置的俯视图。

图3是高分辨率光学显微镜图像单元分割的示意图。

图4是随机单元所进行纤维识别与检验的示意图。

图5是高分辨率光学显微镜图像所成功识别的纤维。

【具体实施方式】

请参阅说明书附图1至附图5所示，本发明为一种针对复合材料中纤维不对齐角度识别装置，其由底板8、led照明装置1、高分辨率光学显微镜2、夹紧夹具4、安装座9、支撑装置5以及电机7等几部分组成。

其中，所述底板8呈水平设置；所述安装座9固定于底板8上。

所述支撑装置5枢接于安装座9上，其上套设有有一纤维管材料3，其用于转动纤维管材料3，获取不同方向的纤维管的高分辨率显微镜图像。所述夹紧夹具4安装于支撑装置5上，其夹紧纤维管材料3，防止机械运动造成晃动，影响图像的成像效果。

所述led照明装置1安装于安装座9上，其环绕支撑装置5，其用于提供拍摄所需的光源，提高显微镜图像的成像结果。具体的说，所述led照明装置1有3个，呈120°旋转阵列环绕安装于安装座9上。

所述高分辨率光学显微镜2置于支撑装置5上方，并垂直地面，用于拍摄纤维的高分辨率光学显微镜图像，具体的说，所述高分辨率光学显微镜2置于支撑装置5上方15cm，其自动对焦。

所述电机7安装于安装座9上，其连接并驱动支撑装置5转动。具体的说，所述电机7上连接一螺杆6，电机7驱动螺杆6转动和沿其轴向移动；所述螺杆6螺接于安装座9上，并和支撑装置5连接。在测量时转动，移动所拍摄的纤维材料管3，用于拍摄不同方位，不同角度的高分辨率显微镜图像。

采用上述装置对复合材料中纤维不对齐角度识别方法包括如下步骤：

1)，将高分辨率光学显微镜图像导入matlab程序；

2)，限定参数，输入参数，包括：所测量纤维材料的纤维直径，以微米为单位；纤维材料的最小纤维直径，以微米为单位；像素大小，以微米为单位；所分割单元直径，以微米为单位。图像二值化的敏感度参数，在0.4-0.8之间；

3)，测量图像在横纵方向的总的像素数量；

4)，计算在横纵方向上的分割单元数量；

5)，将所分割的单元组合为新的图像；

6)，将图像的灰度值设置为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的黑白效果的过程；图像的二值化使图像中数据量大为减少，从而能凸显出目标的轮廓。

7)，识别图像中所拍摄的纤维；判断所识别的所有纤维是否符合要求，排除不符合要求的纤维样本；

8)，下面计算纤维的角度，确定所识别的符合限定条件的红色线段的首末的像素点的坐标，纤维角度计算为末位点与起始点的纵坐标的差值除以横坐标的差值的反正切函数：

此时，需要满足条件如下：纤维右侧的纵坐标之差小于最大直径，纤维左侧的纵坐标之差小于最大直径，斜边长大于纤维最小长度。

单个单元的纤维平均不对齐角度为所有成功测得的纤维的角度的和除以其数量：

单个单元的纤维平均角误差的计算为所有成功测得的纤维的角度的绝对值和除以其数量：

纤维角度的标准差的计算为每个单元的纤维不对齐角度与显微照片的平均纤维角的差的平方的和再除以所有单元的数量，再进行开平方：

显微照片的平均纤维角为所以单元的纤维不对齐角度除以其数量：

进一步的，所述步骤2)～4)中，计算纤维的最小长度：为纤维的直径乘以纤维的最小长径比，取4；

minlength＝fibre_diam*min_aspect＝4*fibre_diam；

计算纤维的最小长度，以像素为单位：为纤维的直径乘以纤维的最小长径比除以每个像素的大小；

minlength_pixels＝(fibre_diam*min_aspect)/pixel_res；

计算最大纤维长度：为纤维直径除以每个像素的大小再乘以1.4；

maxdim＝(fibre_diam/pixel_res)*1.4；

计算最小纤维长度：为纤维最小直径除以每个像素的大小；

mindim＝min_fibre_diam/pixel_res；

所分割单元的大小，以像素为单位：为每个单元大小除以每个像素大小的值再四舍五入；

cell_size_pixels＝round(cell_size/pixel_res)；

所测的高分辨率光学显微镜图像的x方向上的像素数量：

xdelta＝cell_size_pixels；

所测的高分辨率光学显微镜图像的y方向上的像素数量：

ydelta＝xdelta。

所述步骤7)具体为：在每个单元的最上面一排像素点中取中间的点，一直往下到底部，每个点利用函数判断是否为纤维；具体差异为白色为纤维，而黑色非纤维材料。由于图像二值化，纤维与非纤维材料有明显差异，具体差异为白色为纤维，而黑色非纤维材料。若所判断点为白色，则进行下一步程序，若为黑色，进行排除；白色的像素点会有程序进行向右步进，若仍为白色像素点，则向左前进，直到碰见黑色像素点，碰到黑色像素点时，向左移回一位，防止触碰其他纤维，此时，向上移动纤维，若为白色像素，则继续向右步进，重复之前步骤，直到碰到黑色像素。重复以上步骤，将会得到如图所示的蓝色线段，蓝色线段即为所识别的纤维。此时，由于有大面积的白色为织物材料，将对所识别的蓝色纤维段进行排除。

在程序中设置限定条件，白色纤维片段纵坐标之差小于最小纤维直径，则删除识别的太窄片段，反之，白色纤维片段纵坐标之差大于最大纤维直径，则删除过宽已识别的段。此时，在图4中，红色线段为蓝色线段的子集，为剔除不符合限定条件的识别纤维段后的纤维段。

通过上述方法，可以计算出纤维管材料的纤维平均不对齐角度以及纤维角度的标准差。为后面纤维管材料的力学性能的分析以及建模提供数据材料。

以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。