基于高速视觉的微纳尺度材料动态力学参数测量方法研究

摘要

模量和内耗是研究材料性质的两个重要的动态力学参数，其中内耗直接反映了材料的缺陷属性。尽管微纳尺度材料模量测量理论相对成熟，但传统的内耗测量技术仅针对固体大尺度试样，无法用于微纳尺度材料内耗测量。国内外针对微纳尺度材料的内耗测量方法，存在测量精度低、测量频率难以控制、测量频率范围窄以及无法测量内耗频率谱等问题。本文提出的基于高速视觉的非接触式动态力学参数测量方法，是通过高性能的图像获取系统及显微平台的结合来实现对微纳尺度材料的模量和内耗获取。实验结果表明，该方法的测量效果好、频谱宽，且系统具有良好的可拓展性。
　　本文的主要工作和研究内容如下:
　　(1)对比国内外关于微纳尺度材料模量和内耗的测量方法的优缺点，提出基于高速视觉的微纳尺度材料动态力学参数测量方法，完成测量理论的论证和计算方法的推导。
　　(2)完成基于高速视觉方法测量系统的方案设计并搭建硬件平台，设计纤维试样的振动激发测量方案，实现振动过程中高帧率图像序列的采集和测量。
　　(3)分析相关图像处理算法和数据拟合方法，提出基于数学形态学方法的纤维目标提取算法和基于最小二乘的振动曲线拟合方法，实现了低频内耗计算、纤维长度测量、固频提取以及高频内耗计算。
　　(4)通过实验验证测量系统的可行性和有效性，实验结果表明该方法可实现对模量和内耗的无接触式测量。
　　本文研究工作的创新之处:
　　(1)测量思想创新:提出了一种获取微纳尺度材料动态力学参数的新方法，利用高速视觉实现了对试样模量内耗的非接触式测量。
　　(2)技术方法创新:基于高倍显微和高帧率图像分析技术来探测振动微纳尺度试样的动态特征，实现振动过程的完整记录和数据分析，并通过实验验证了结果的有效性。

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摘要

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第一章 绪论

1．1 微纳尺度材料参数测量的研究目的及意义

1．2 微纳尺度材料参数测量的国内外研究现状

1．3 基于高速视觉的动态力学参数测量相关技术

1．3．1 图像检测与测量技术

1．3．2 高速视觉技术

1．3．3 模量和内耗测量理论

1．4 论文研究内容与章节安排

第二章 微纳尺度材料动态力学参数测量原理

2．1 杨氏模量及其测量原理

2．2 内耗及其测量原理

2．2．1 内耗机理及测量简介

2．2．2 低频强迫振动法

2．2．3 自由衰减法

2．2．4 共振波形法

2．3 内耗测量方法对比分析

2．4 本章小结

第三章 微纳尺度材料动态力学参数测量系统方案与实现

3．1 测量系统方案设计

3．2 激发信号源

3．3 显微观测平台

3．4 高速视觉系统

3．5 信号控制与数据处理软件

3．6 本章小结

第四章 图像测量与图像处理算法

4．1 微纳尺度纤维长度测量

4．1．1 部分常见微尺寸测量方法简介

4．1．2 基于测微尺标定的图像法纤维测长

4．2 图像序列处理算法流程

4．3 基于图像方法的纤维目标提取

4．3．1 常见二值化算法

4．3．2 Otsu算法

4．3．3 数学形态学理论

4．3．4 基于数学形态学方法的目标提取

4．4 振动曲线数据获取

4．5 本章小结

第五章 数据拟合与内耗计算

5．1 概述

5．2 最小二乘法拟合正弦振动曲线

5．3 低频内耗计算

5．3．1 FFT法计算相位差

5．3．2 相关函数法计算相位差

5．3．3 基于三参数正弦拟合法的低频内耗计算

5．4 高频内耗计算

5．5 本章小结

第六章 实验数据与分析讨论

6．1 实验环境说明

6．1．1 光源补偿说明

6．1．2 硬件设定及试样制作说明

6．2 低频内耗测量结果

6．2．1 正弦数据拟合效果

6．2．2 低频内耗计算

6．3 高频内耗测量结果

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果