基于圖像處理技術(shù)的非織造土工布的泊松比測試*

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)輕工與紡織學(xué)院，呼和浩特，010051)

1 概述

土工布是土木工程建設(shè)中的一種工程材料，也稱為土工織物。根據(jù)生產(chǎn)方法的不同，土工布可分為機(jī)織土工布、編織土工布和非織造土工布。非織造土工布是隨機(jī)排列纖維網(wǎng)經(jīng)機(jī)械加工、熱黏合或化學(xué)黏合固結(jié)而得到的一種產(chǎn)業(yè)用紡織品[1-2]。非織造加工工藝流程短，生產(chǎn)效率高，多采用合成纖維為原料，制成的產(chǎn)品具有很好的抗拉強(qiáng)度和抗撕裂強(qiáng)度以及相當(dāng)好的延伸性等[3]。因此，非織造土工布在水利、海港、公路、鐵路、建筑和國防等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。

泊松比是指材料橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變比值的絕對值，也稱為橫向變形系數(shù)。它是反映材料橫向變形的一個彈性常數(shù)。

作為材料的一個基本指標(biāo)，泊松比影響材料的許多力學(xué)性能，如剪切模量、變形特性、斷裂韌性等[7-8]，因此在材料的數(shù)值分析中占據(jù)重要的地位。

另外，由于非織造布在拉伸中存在較明顯的“頸縮”現(xiàn)象，且非織造布中的纖維隨機(jī)不連續(xù)分布。因此，研究準(zhǔn)確、快速測試非織造布泊松比的方法對于其力學(xué)性能的理論研究和數(shù)值模擬有著重要的意義。

目前有多種泊松比測試方法，各種測試方法的原理不同。主要有機(jī)械法、聲學(xué)法、光學(xué)法、電測法等。其中，機(jī)械法屬于接觸式測量，采用兩對引伸計分別測量材料的橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變；聲學(xué)法能夠進(jìn)行完全無損的檢測，通過布里淵散射和表面聲波法進(jìn)行測試，利用激光束射到所選試樣的表面而激發(fā)出來的聲波來測試；光學(xué)法一般可分為光干涉測量法、光導(dǎo)熱塑全息照相法、數(shù)字散斑面內(nèi)相關(guān)法等；電測法是固定電阻應(yīng)變片于試件測試表面, 應(yīng)用應(yīng)變片電阻值的變化捕捉試樣的變形，校正電阻變化與試樣變形之間的關(guān)系，計算出材料的泊松比。機(jī)械測量法具有簡單和方便的特點，電測法靈敏度高，測試結(jié)果較準(zhǔn)確；光學(xué)法受分辨率大小的影響，一般情況下很難滿足橫向變形測試所需要的精度。付國定等[9-10]介紹了應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)來測量紡織服裝領(lǐng)域中的纖維、紗線及織物。同時，圖像處理技術(shù)在非織造布的纖維取向分布、纖維直徑、纖網(wǎng)孔隙和纖維均勻度測量[11-12]等方面也得到了廣泛應(yīng)用，其測試原理是根據(jù)非織造布結(jié)

構(gòu)對光的反射和投射作用不同，在一定光照條件下進(jìn)行數(shù)字?jǐn)z影，通過光電轉(zhuǎn)換得到反映光量變換的有一定灰度分布的數(shù)字圖像。此外，數(shù)字圖像處理技術(shù)在農(nóng)業(yè)蔬菜葉面積測量[13]、工業(yè)零部件幾何尺寸測量[14]中也得到了廣泛應(yīng)用。

本文以熱黏合非織造土工布(以下簡稱土工布)為研究對象，采用圖像處理法測試土工布的泊松比。應(yīng)用CCD攝像機(jī)拍攝土工布拉伸變形前后的圖像，通過圖像采集卡采集圖像并導(dǎo)入計算機(jī)，然后應(yīng)用圖像處理方法對圖像進(jìn)行處理，計算出土工布沿橫向和縱向的尺寸變化，從而得到泊松比。采用數(shù)字圖像處理技術(shù)來測量土工布拉伸前后的尺寸變化，克服了傳統(tǒng)測量方法的缺點，具有實時、快速、準(zhǔn)確的優(yōu)點。應(yīng)用的處理方法包括圖像的預(yù)處理、二值化、圖像分割、輪廓線條的提取、尺寸的計算等。該方法為實現(xiàn)泊松比的自動、實時測試提供了理論基礎(chǔ)和實踐可能，對土工布力學(xué)性能的研究和應(yīng)用有著重要的科學(xué)意義。

2 泊松比測試

2.1 測試原理和方法

本文研究應(yīng)用非接觸法測量土工布的泊松比。沿土工布順機(jī)向施加載荷，在標(biāo)準(zhǔn)實驗條件下拉伸，通過標(biāo)定土工布試樣，應(yīng)用圖像處理技術(shù)計算拉伸前后試樣沿橫向、縱向的尺寸變化，便可計算其泊松比值。

測試原理如式(1)和圖1所示：

ν=|εx/εy|

(1)

式中：ν——土工布試樣的泊松比；

εx——沿橫向的應(yīng)變；

εy——沿縱向的應(yīng)變。

(2)

式中：x、y——分別為試樣x和y方向的尺寸；

Δx、Δy——分別為試樣x和y方向的凈變形。

圖1 土工布試樣標(biāo)示示意圖

首先，對被測土工布進(jìn)行幾何尺寸標(biāo)示，將土工布裁剪成300 mm×100 mm條帶試樣。試樣標(biāo)示如圖1所示。橫向兩點分別距試樣邊10 mm，橫向兩點間距離80 mm；縱向兩點分別距試樣邊50 mm，縱向兩點間距離為140 mm。 試樣標(biāo)記好后采用織物強(qiáng)力機(jī)拉伸試樣，應(yīng)用圖像處理系統(tǒng)測量試樣沿橫向和縱向的變形值，從而計算出泊松比。

2.2 測試系統(tǒng)

應(yīng)用圖像處理技術(shù)測試土工布的泊松比，系統(tǒng)具有三個功能，即圖像的獲取、圖像的處理和分析、結(jié)果輸出。測試系統(tǒng)包含照明系統(tǒng)、CCD攝像頭、圖像采集卡、計算機(jī)及圖像處理軟件。應(yīng)用CCD攝像頭提取土工布試樣的圖像，通過圖像采集卡將圖像信息輸入計算機(jī)，然后應(yīng)用圖像處理軟件處理圖像，計算出土工布試樣沿橫向和縱向的尺寸變化。土工布試樣泊松比測試流程如圖2所示。

圖2 土工布試樣泊松比測試流程

圖像采集及圖像處理的主要任務(wù)是降噪、邊緣處理、特征提取和尺寸計算等。

(1)圖像采集。應(yīng)用攝像頭拍攝土工布試樣拉伸前后的圖像，由于圖像的像素受分辨率、存貯格式及圖像縮放比的影響，為了提高圖像的分辨率及清晰度，分辨率選用600 dpi，TIF格式，圖像縮放比為50%。

(2)圖像預(yù)處理。由于光學(xué)鏡頭的原因和噪聲等因素的影響，采集到的土工布試樣圖像精度受到一定的限制。圖像處理的目的是將傳送過來的圖像數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)的目標(biāo)進(jìn)行處理分析，以便獲得準(zhǔn)確清晰的圖像邊緣，提取尺寸特征。本文使用中值濾波方法去除噪聲，同時有效保持圖像輪廓的清晰度。圖像預(yù)處理過程如下：①將采集到的圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式；②將真彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖，以加快圖像處理的速度；③圖像增強(qiáng)，灰度化圖像噪聲較大，需要進(jìn)行增強(qiáng)，以改善圖像的質(zhì)量，消除噪聲，保留圖像中感興趣的某些特征；④圖像分割，采用閥值處理或邊緣檢測兩種方法處理圖像；⑤邊緣輪廓的提取，利用圖像的灰度直方圖分布計算得到該圖像灰度的閥值，再根據(jù)閥值將圖像二值化，形成銳化圖像，然后逐列掃描，獲得邊緣曲線。

(3)尺寸計算。通過Adobe公司的Photoshop軟件調(diào)入試樣拉伸前后的圖像，結(jié)合圖像變化前后的特征，提取圖像中的尺寸，計算得出土工布試樣的橫向和縱向伸長，從而計算出泊松比。

3 試驗

3.1 試驗材料

熱黏合非織造布是將傳送帶上的纖維網(wǎng)在兩個反向轉(zhuǎn)動輥之間熱壓，纖維網(wǎng)受到一定溫度的熱輥作用后，部分纖維軟化熔融、互相黏連，經(jīng)冷卻處理后得到的。很顯然，非織造布結(jié)構(gòu)由兩種成分即纖維網(wǎng)和黏合點組成，其微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。試驗以常用的面黏合和點黏合兩種非織造布為研究對象。土工布性能參數(shù)如下：聚丙烯纖維，線密度為1.56 dtex，長度為38 mm，試樣名義厚度為0.42 mm，面密度為150 g/m2。土工布試樣尺寸為300 mm× 100 mm。

圖3 土工布SEM圖

3.2 試驗條件

采用織物強(qiáng)力儀在標(biāo)準(zhǔn)實驗條件(溫度20 ℃、相對濕度65%)下測試，試樣夾持距離為200 mm，拉伸速度為100 mm/min。應(yīng)用圖像處理系統(tǒng)測試9個試樣的橫、縱向變形，計算出其泊松比，取平均值。

3.3 試驗結(jié)果

沿土工布試樣順機(jī)向拉伸，通過圖像處理系統(tǒng)測試土工布試樣的變形，進(jìn)而計算其泊松比。有效的9組試驗數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 面黏合土工布測試結(jié)果

表2 點黏合土工布測試結(jié)果

4 結(jié)語

泊松比作為評價材料變形的一項重要指標(biāo)，在非織造布性能數(shù)值模擬中有著重要的意義。本文以熱黏合非織造土工布為研究對象，采用圖像處理法測試其泊松比。應(yīng)用CCD攝像機(jī)拍攝土工布試樣拉伸變形前后的圖像，通過圖像采集卡將圖像導(dǎo)入計算機(jī)，應(yīng)用圖像處理方法處理圖像，計算出土工布沿橫向和縱向的尺寸變化，最后得到泊松比。本文設(shè)計的基于圖像處理方法測試土工布泊松比的系統(tǒng)安裝于織物強(qiáng)力機(jī)上，具有實時、快速、準(zhǔn)確的優(yōu)點。該方法對土工布力學(xué)性能的研究和應(yīng)用有著重要的科學(xué)意義，也可用于其他產(chǎn)業(yè)用紡織品泊松比的自動、實時檢測。

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