基于圖像處理技術的非織造土工布的泊松比測試*

(內蒙古工業大學輕工與紡織學院，呼和浩特，010051)

1 概述

土工布是土木工程建設中的一種工程材料，也稱為土工織物。根據生產方法的不同，土工布可分為機織土工布、編織土工布和非織造土工布。非織造土工布是隨機排列纖維網經機械加工、熱黏合或化學黏合固結而得到的一種產業用紡織品[1-2]。非織造加工工藝流程短，生產效率高，多采用合成纖維為原料，制成的產品具有很好的抗拉強度和抗撕裂強度以及相當好的延伸性等[3]。因此，非織造土工布在水利、海港、公路、鐵路、建筑和國防等領域得到了廣泛應用[4-6]。

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

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

另外，由于非織造布在拉伸中存在較明顯的“頸縮”現象，且非織造布中的纖維隨機不連續分布。因此，研究準確、快速測試非織造布泊松比的方法對于其力學性能的理論研究和數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。主要有機械法、聲學法、光學法、電測法等。其中，機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變和縱向應變；聲學法能夠進行完全無損的檢測，通過布里淵散射和表面聲波法進行測試，利用激光束射到所選試樣的表面而激發出來的聲波來測試；光學法一般可分為光干涉測量法、光導熱塑全息照相法、數字散斑面內相關法等；電測法是固定電阻應變片于試件測試表面, 應用應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系，計算出材料的泊松比。機械測量法具有簡單和方便的特點，電測法靈敏度高，測試結果較準確；光學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]介紹了應用數字圖像處理技術來測量紡織服裝領域中的纖維、紗線及織物。同時，圖像處理技術在非織造布的纖維取向分布、纖維直徑、纖網孔隙和纖維均勻度測量[11-12]等方面也得到了廣泛應用，其測試原理是根據非織造布結

構對光的反射和投射作用不同，在一定光照條件下進行數字攝影，通過光電轉換得到反映光量變換的有一定灰度分布的數字圖像。此外，數字圖像處理技術在農業蔬菜葉面積測量[13]、工業零部件幾何尺寸測量[14]中也得到了廣泛應用。

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。應用CCD攝像機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入計算機，然后應用圖像處理方法對圖像進行處理，計算出土工布沿橫向和縱向的尺寸變化，從而得到泊松比。采用數字圖像處理技術來測量土工布拉伸前后的尺寸變化，克服了傳統測量方法的缺點，具有實時、快速、準確的優點。應用的處理方法包括圖像的預處理、二值化、圖像分割、輪廓線條的提取、尺寸的計算等。該方法為實現泊松比的自動、實時測試提供了理論基礎和實踐可能，對土工布力學性能的研究和應用有著重要的科學意義。

2 泊松比測試

2.1 測試原理和方法

本文研究應用非接觸法測量土工布的泊松比。沿土工布順機向施加載荷，在標準實驗條件下拉伸，通過標定土工布試樣，應用圖像處理技術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——沿橫向的應變；

εy——沿縱向的應變。

(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 土工布試樣標示示意圖

首先，對被測土工布進行幾何尺寸標示，將土工布裁剪成300 mm×100 mm條帶試樣。試樣標示如圖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。 試樣標記好后采用織物強力機拉伸試樣，應用圖像處理系統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

應用圖像處理技術測試土工布的泊松比，系統具有三個功能，即圖像的獲取、圖像的處理和分析、結果輸出。測試系統包含照明系統、CCD攝像頭、圖像采集卡、計算機及圖像處理軟件。應用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，然后應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是降噪、邊緣處理、特征提取和尺寸計算等。

(1)圖像采集。應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)圖像預處理。由于光學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據按照系統的目標進行處理分析，以便獲得準確清晰的圖像邊緣，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。圖像預處理過程如下：①將采集到的圖像轉換為數字形式；②將真彩色圖像轉換為灰度圖，以加快圖像處理的速度；③圖像增強，灰度化圖像噪聲較大，需要進行增強，以改善圖像的質量，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軟件調入試樣拉伸前后的圖像，結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在兩個反向轉動輥之間熱壓，纖維網受到一定溫度的熱輥作用后，部分纖維軟化熔融、互相黏連，經冷卻處理后得到的。很顯然，非織造布結構由兩種成分即纖維網和黏合點組成，其微觀結構如圖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

采用織物強力儀在標準實驗條件(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。應用圖像處理系統測試9個試樣的橫、縱向變形，計算出其泊松比，取平均值。

3.3 試驗結果

沿土工布試樣順機向拉伸，通過圖像處理系統測試土工布試樣的變形，進而計算其泊松比。有效的9組試驗數據見表1和表2。

表1 面黏合土工布測試結果

表2 點黏合土工布測試結果

4 結語

泊松比作為評價材料變形的一項重要指標，在非織造布性能數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。應用CCD攝像機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入計算機，應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。本文設計的基于圖像處理方法測試土工布泊松比的系統安裝于織物強力機上，具有實時、快速、準確的優點。該方法對土工布力學性能的研究和應用有著重要的科學意義，也可用于其他產業用紡織品泊松比的自動、實時檢測。

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