本发明涉及出水木质文物含水率无损检测领域，具体涉及一种基于数字图像相关的出水木质文物含水率检测及其强度评估系统。
背景技术：
出水木材的水分亲和性远高于现代木材，当环境湿度变化时，木材通过吸湿和解吸作用与环境进行水分交换，出水木质文物内部产生不均匀的含水率，进而引起不均匀的湿应力场。在材料老化、荷载持续时间效应的影响下，出水木质文物不可避免的发生强度衰减和累积损伤，对其长期强度及稳定性产生不利影响。
现有的木材含水率检测方法受材料、环境、尺寸等成本等因素的影响，无法对出水木质文物进行准确、快速的非接触式无损检测。因此，如何有效检测出水木质文物的含水率与湿应力场，预测其残余强度衰减规律成为目前亟待解决的问题。
技术实现要素：
针对现有技术中的局限性，本发明人进行了锐意研究，设计出一种适用于出水木质文物的含水率检测系统，可实现出水木质文物含水率的非接触式无损检测及其强度衰减规律的评估。
具体来说，本发明提供了一种基于数字图像相关(dic)的出水木质文物含水率检测系统，其结构如图1所示，包括基于dic的出水木质文物含水率检测设备和检测软件平台：
所述出水木质文物含水率检测设备包括ccd工业相机及镜头、三维滑台、电源线、千兆网线、计算机；
所述ccd工业相机及镜头安装于三维滑台的顶端，三维滑台上安装有电源线，用于连接220v电源适配器；ccd工业相机上安装有通过千兆网线与计算机连接；
所述出水木质文物含水率检测设备，用于采集出水木质文物表面的变形图像，通过千兆网线传输至计算机内安装的检测软件平台中；
所述检测软件平台，用于接收出水木质文物含水率检测设备传送的表面变形图像，记录实时湿度数据，计算出水木质文物被测表面的应变场，并根据基于dic的含水率检测模型，计算被测表面内部的含水率和湿应力场，评估其强度衰减规律。
在上述方案的基础上，所述检测软件平台包括表面应变场计算模块和含水率检测及强度评估模块；
所述表面应变场计算模块的流程框图如图1所示，包括：
图像采集单元，用于计算机与所述出水木质文物含水率检测设备的连接与数据传输，并控制三维滑台和ccd工业相机；
表面变形计算单元，用于对采集的出水木质文物表面变形图像进行dic计算，得到表面变形场数据；
表面变形可视化单元，用于绘制出水木质文物被测表面的位移和应变分布图，并计算表面位移场和表面变形场的最大值、最小值与平均值。
所述含水率检测及强度评估模块的流程框图如图2所示，包括：
环境参数设置单元，用于用户进行含水率检测及强度评估所需参数的设定，包括：出水木质文物的材料性能参数、初始和终止的时间、环境相对湿度与环境温度、初始含水率(或含水率)、木材髓心位置和检测区域的尺寸及其网格划分参数。
含水率计算单元，利用基于dic的木材含水率检测模型，计算出水木质文物被测表面内部的含水率，绘制不同深度截面的含水率分布图，供用户查看。
湿应力分析单元，利用所述含水率计算单元的分析结果，计算出水木质文物被测表面内部的湿应力场和湿应变场，绘制不同深度揭秘的湿应力与湿应变分布图，供用户查看。
强度评估单元用于绘制当前湿度条件下木构件的强度衰减曲线，计算指定时间点的残余强度比，供用户查看。
在上述方案的基础上，出水木质文物被测表面内部的含水率采用基于dic的木材含水率检测模型进行计算；
上述的含水率计算方法称为基于dic的含水率计算方法，即mc-dic方法，流程图如图4所示；
将被测木构件划分为nx×ny×nz(宽度×高度×深度)个单元，如图5所示；
进一步的，采用下式计算被测表面节点(nx,j)的含水率
其中，
进一步的，所述基于dic的木材含水率检测模型为：
其中，ap、ab、at、aa、af、bp分别为与木材的水分传递特性和网格划分有关的模型系数，(m(i,j))ii为二维尺度下节点p(i,j)的含水率预估值，m(i,j,k)为三维尺度下节点p(i,j,k)的含水率计算结果。
优选地，通过网格划分并进行多次循环迭代，利用下式计算相对误差，确定出水木质文物被测表面内部不同节点的含水率值：
其中，m(i,j,k)(p)为第p次迭代计算得到的含水率。
在上述方案的基础上，出水木质文物被测表面内部的湿应力场和湿应变场采用如下的出水木材正交各向异性湿应力场本构模型计算得到：
{ε}＝{εs} {εe} {εc} {εms}(5)；
其中，{ε}为总湿应变，{εs}为干缩湿胀应变、{εe}为弹性应变、{εc}为粘弹性蠕变、{εms}为机械吸附蠕变。
由上述技术方案可知，本发明所述的一种基于dic技术的出水木质文物含水率检测系统，通过检测出水木质文物表面变形图像，对图像进行处理并计算获得其含水率、湿应力场分布图和强度衰减曲线，实现了出水木质文物含水率的非接触式无损检测及其强度衰减规律的准确评估。
附图说明
图1示出本发明表面应变场计算模块的流程框图；
图2示出本发明含水率检测及强度评估模块的流程框图；
图3示出本发明材料参数输入界面图；
图4示出本发明基于dic的含水率检测模型流程框图；
图5示出本发明基于dic的含水率检测模型网格划分示意图；
图6示出本发明实施例的操作流程框图；
图7示出本发明实施例中泉州湾宋代海船及检测区域示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施方式对本发明作进一步详细说明：
本发明所述基于dic技术的出水木质文物含水率检测系统的结构图，包括出水木质文物含水率检测设备和检测软件平台；
所述出水木质文物含水率检测设备包括ccd工业相机及镜头、三维滑台、电源线、千兆网线、计算机；
所述ccd工业相机及镜头安装于三维滑台的顶端，三维滑台上安装有电源线，用于连接220v电源适配器；ccd工业相机上安装有通过千兆网线与计算机连接；
所述出水木质文物含水率检测设备，用于采集出水木质文物表面的变形图像，通过千兆网线传输至计算机内的检测软件平台中；
所述检测软件平台，用于接收出水木质文物含水率检测设备传送的表面变形图像，记录实时湿度数据，计算出水木质文物被测表面的应变场，根据基于dic的含水率检测模型，计算被测表面内部的含水率，并评估其湿应力场变化和强度衰减规律。
所述检测软件平台包括表面应变场计算模块、含水率检测及强度评估模块；
所述表面应变场计算模块的流程图如图1所示，包括：
图像采集单元用于计算机与所述出水木质文物含水率检测设备的连接与数据传输，控制三维滑台到达被测表面，使ccd工业相机的视场与检测区域重合，并设置ccd工业相机参数，控制ccd工业相机采集木制文物被测表面的图像；
可选地，在预设的检测时间段内，按照预设的采集速度、快门时间、连拍帧数等相机参数，例如采集速度1张/2小时、快门时间100ms、连拍帧数，采集所述木制文物被测表面的图像信息；
随着相对湿度的变化，采集到的木制文物被测表面图像会在初始图像的基础上发生变化；
采集的初始图像和变形图像传输至计算机，并按照采集时间命名保存；
表面变形计算单元用于对采集的出水木质文物表面初始图像和变形图像进行dic计算，得到表面变形场数据；
具体地，将预设检测时间段的初始时刻采集的木制文物被测表面初始图象设置为参考图像，采用dic技术将参考图像与变形后的目标图像进行匹配，获取所述木制文物被测表面的位移场和应变场。
表面变形可视化单元用于绘制出水木质文物被测表面的位移和应变分布图，并显示表面位移场和表面变形场的最大值、最小值与平均值。
所述含水率检测及强度评估模块的流程图如图2所示，包括：
环境参数设置单元，如图3所示，用于用户进行含水率检测及强度评估所需参数的设定，包括：出水木质文物的材料性能参数、初始和终止的时间、环境相对湿度与环境温度、初始含水率、木材髓心位置和检测区域的尺寸及其网格划分参数。
可选的，初始含水率可设置为单一数值，例如将初始含水率设置为9.1％，也可导入前一检测时间段的含水率检测结果作为初始含水率。
含水率计算单元，用于计算出水木质文物被测表面内部的含水率，绘制不同深度截面的含水率分布图，供用户查看。
上述的含水率计算方法称为基于dic的含水率计算方法，即mc-dic方法，流程图如图4所示；
上述mc-dic方法的算法如下：
湿应力分析单元，用于计算出水木质文物被测表面内部的湿应力场和湿应变场，绘制不同深度截面的湿应力与湿应变分布图，供用户查看。
上述的湿应力场分析算法如下：
强度评估单元用于绘制当前湿度条件下木构件的强度衰减曲线，供用户查看。
优选地，强度评估单元可以输入预测时间(单位：年)，计算相应预测时间后的残余强度比。
本实施例以泉州湾宋代海船为例，操作流程框图如图6所示，具体实施过程如下：
所选检测区域位于船体第二和第三支撑架之间的船壳板上，材料为杉木，检测区域尺寸为300mm×100mm×60mm，如图7所示。
出水木质文物含水率检测设备安装于检测区域前方约4米处，ccd工业相机的光轴对准与检测区域的形心，且与海船表面垂直。
s101.三维滑台移动至测点，使检测区域位于ccd工业相机视场的正中位置；
s105.按照1张/2小时的采集速度，采集所述海船检测区域表面的参考图像和变形图像，传输至计算机并保存。
s110.将采集得到的图像信息导入所述表面变形计算单元，对参考图像和变形图像进行dic计算，得到表面位移场和应变场数据，并保存为表面变形场数据文件。
s115.将表面变形场数据文件导入所述表面应变场计算模块的表面变形可视化单元，显示所述海船检测区域的表面位移和应变分布图，并显示表面位移场和表面变形场的最大值、最小值与平均值。
s120.将表面变形场数据文件导入所述含水率检测及强度评估模块；
s125.在环境参数设置单元，设置杉木的材料性能参数、检测初始和终止的时间、初始相对湿度rh＝46.2％、终止相对湿度rh＝46.2％、与环境温度t＝25℃、初始含水率、木材髓心位置和检测区域的尺寸及其网格划分参数。
s130.采用含水率计算单元，计算所述海船检测区域的含水率，绘制不同深度截面的含水率分布图，并显示表面位移场和表面变形场的最大值、最小值与平均值。
s135.采用湿应力分析单元，根据含水率计算结果，分析所述海船检测区域的湿应力场与湿应变场，绘制不同深度截面和不同方向的湿应力与湿应变分布图，并显示表面位移场和表面变形场的最大值、最小值与平均值。
s140.采用强度评估单元，根据湿应力场分析结果，绘制检测时间段内木构件的强度衰减曲线，并计算指定时间点的残余强度比。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
1.一种基于数字图像相关的出水木质文物含水率检测系统，包括基于dic的出水木质文物含水率检测设备和检测软件平台：
所述出水木质文物含水率检测设备包括ccd工业相机、三维滑台、电源线、千兆网线、计算机；
所述ccd工业相机安装于三维滑台的顶端，三维滑台上安装有电源线，用于连接220v电源适配器；ccd工业相机上安装有通过千兆网线与计算机连接；
所述出水木质文物含水率检测设备，用于采集出水木质文物表面的变形图像，通过千兆网线传输至计算机内的检测软件平台中；
所述检测软件平台，用于接收出水木质文物含水率检测设备传送的表面变形图像，记录实时湿度数据，计算出水木质文物被测表面的应变场，根据基于dic的含水率检测模型，计算被测表面内部的含水率，并评估其湿应力场变化和强度衰减规律。
2.根据权利要求1所述的基于数字图像相关的出水木质文物含水率检测系统，其特征在于：所述含水率检测采用ccd工业相机。
3.根据权利要求1所述的基于dic的出水木质文物含水率检测系统，其特征在于：所述检测软件平台包括表面应变场计算模块和含水率检测及强度评估模块：
表面应变场计算模块，用于控制三维滑台和ccd工业相机采集的出水木质文物检测区域的表面变形图像，通过dic计算得到表面变形场数据并保存；
含水率检测及强度评估模块，用于导入表面变形场数据，分析出水木质文物检测区域的含水率、湿应变场和湿应力场的分布情况，并绘制强度衰减曲线。
4.根据权利要求3所述的基于数字图像相关的出水木质文物含水率检测系统，其特征在于：所述表面应变场计算模块包括图像采集单元、表面变形计算单元和表面变形可视化单元；
所述图像采集单元，用于计算机与所述出水木质文物含水率检测设备的连接与数据传输，并控制三维滑台和ccd工业相机；
所述表面变形计算单元，用于对采集的出水木质文物表面变形图像进行dic计算，得到表面变形场数据；
所述表面变形可视化单元，用于绘制出水木质文物被测表面的位移和应变分布图，并计算表面位移场和表面变形场的最大值。
5.根据权利要求4所述的基于数字图像相关的出水木质文物含水率检测系统，其特征在于：所述表面变形场数据，包括出水木质文物被测表面的位移场和变形场。
6.根据权利要求3所述的基于数字图像相关的出水木质文物含水率检测系统，其特征在于：所述含水率检测及强度评估模块，包括环境参数设置单元、含水率计算单元、湿应力分析单元和强度评估单元：
所述环境参数设置单元，用于设定含水率检测及强度评估所需参数；
所述含水率计算单元，用于根据基于dic的木材含水率检测模型，计算出水木质文物被测表面内部的含水率，绘制不同深度截面的含水率分布图；
所述湿应力分析单元，用于利用所述含水率计算单元的分析结果，结合木材湿应力场本构模型，计算出水木质文物被测表面内部的湿应力场和湿应变场，绘制不同深度的湿应力与湿应变分布图；
所述强度评估单元，用于绘制当前湿度条件下木构件的强度衰减曲线，计算指定时间点的残余强度比。
7.根据权利要求6所述的基于数字图像相关的出水木质文物含水率检测系统，其特征在于：所述环境参数设置单元，用于输入出水木质文物的材料性能参数、初始和终止的时间、环境相对湿度与环境温度、初始含水率或者含水率、木材髓心位置和检测区域的尺寸及其网格划分参数。
8.根据权利要求6所述的基于数字图像相关的出水木质文物含水率检测系统，其特征在于：所述基于dic的木材含水率检测模型为：
其中，ap、ab、at、aa、af、bp分别为与木材的水分传递特性和网格划分有关的模型系数，(m(i,j))ii为二维尺度下节点p(i,j)的含水率预估值，m(i,j,k)为三维尺度下节点p(i,j,k)的含水率计算结果。
9.根据权利要求6所述的基于dic的出水木质文物含水率检测系统，其特征在于：所述木材湿应力场本构模型为：
{ε}＝{εs} {εe} {εc} {εms}
其中，{ε}为总湿应变，{εs}为干缩湿胀应变、{εe}为弹性应变、{εc}为粘弹性蠕变、{εms}为机械吸附蠕变。
技术总结