基于數(shù)字圖像相關(guān)法的光學(xué)引伸計系統(tǒng)開發(fā)

毛霜霜，吳 佳

（上海大學(xué) 力學(xué)系，上海 200444）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對變形量的測量由過去的機械式測量發(fā)展為光學(xué)非接觸測量[1－2]。數(shù)字圖像相關(guān)測量技術(shù)是近年來發(fā)展較快的一種光學(xué)測量方法，它利用圖像分析方法[3]，跟蹤物體表面圖像子區(qū)域的運動形態(tài)，推算物體變形的位移[4]和應(yīng)變[5－7]。目前的數(shù)字圖像相關(guān)法多用于實驗后處理[8－9]，計算某些特殊點或全場的位移及應(yīng)變。為了適應(yīng)實時性的要求，本文自行研制了集實時變形測量和全場分析于一體的光學(xué)變形測量系統(tǒng)。

1 數(shù)字圖像相關(guān)法基本原理

數(shù)字圖像相關(guān)法是通過對變形前后物體表面隨機分布的灰度圖像的相關(guān)匹配關(guān)系，跟蹤圖像上各點的運動，從而獲得物體表面變形信息的數(shù)字化過程[10]。實現(xiàn)的一般過程：使用CCD相機記錄物體變形前后的數(shù)字化灰度圖像，將變形前的圖像作為參考圖像，變形后的圖像作為目標(biāo)圖像，在目標(biāo)圖像上識別參考圖像中各點的位置，將變形測量轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的相關(guān)計算；相關(guān)計算時，首先確定一組合適的變量來表征圖像變形前后的位移及變形，通過建立一個衡量圖像相似程度的數(shù)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，判斷參考圖像上的目標(biāo)點在目標(biāo)圖像上的位置，最后通過一種高效的搜索方法確定目標(biāo)點的位置，從而獲得目標(biāo)點的位移及變形參量和全場的變形。因此，只要獲得被測物體不同受力狀態(tài)下的數(shù)字圖像，就能應(yīng)用數(shù)字圖像相關(guān)法獲得變形信息，實現(xiàn)非接觸的光學(xué)測量。

1.1 非均勻變形場事后分析的原理

1.2 均勻變形場實時測量的原理

在加載前，先選好均勻變形場實時測量的對象——位移或應(yīng)變?？紤]到軟件的運行速度，在測量位移時，最多選擇10個點；在測量應(yīng)變時，選擇一個矩形區(qū)域的4個頂點，如圖1所示。

圖1 應(yīng)變實時測量的原理圖

軟件通過比較矩形的4條邊在當(dāng)前幅圖像與參考圖像中的長度變化率計算出應(yīng)變，并將水平方向和豎直方向的應(yīng)變－時間曲線在屏幕上實時繪制。水平方向的應(yīng)變值是取矩形的兩條橫邊長度變化率的均值；豎直方向的應(yīng)變值是取矩形的兩條豎邊長度變化率的均值。公式分別為：

由于圖像的分辨率為1376×1035像素，若兩點之間的標(biāo)距設(shè)為1000像素，考慮到DIC位移測量精度可達(dá)到0.01像素，利用上述公式，可以使均勻變形場的應(yīng)變精度達(dá)到10微應(yīng)變。

2 光學(xué)引伸計測試系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

光學(xué)引伸計測試系統(tǒng)包括光學(xué)引伸計測試設(shè)備、加載裝置、加載裝置的控制設(shè)備和實時監(jiān)控設(shè)備，如圖2所示。光學(xué)引伸計測試設(shè)備由1376×1035像素的Baumer相機和1394接口卡組成。將待測試件豎直夾持在加載裝置上，并使用穩(wěn)定光源對試件表面進(jìn)行均勻照明。將Baumer相機放置于待測試件前，調(diào)整相機，使其光軸垂直于試件表面（即相機靶面與試件表面平行）并聚焦成像。該光學(xué)引伸計測試系統(tǒng)的最高測量速度可以達(dá)到20幀／秒。

圖2 光學(xué)引伸計測試系統(tǒng)

2.2 實驗前的準(zhǔn)備工作

數(shù)字圖像相關(guān)法在單相機系統(tǒng)下只能用于測量平面物體的面內(nèi)變形。實驗前要做好以下5項準(zhǔn)備工作：第一，在試件表面用激光或噴漆形成人工散斑，也可以利用試件表面的自然灰度特征，如圖3[12－15]所示，使試件表面具有隨機分布的灰度特征；第二，用砂紙打磨試件表面，使表面形成一個平面或近似一個平面；第三，對試件進(jìn)行預(yù)載，拉直其表面后再夾持，減少實驗時由于試件表面折曲引起的離面變形，特別是比較薄的材料；第四，通過調(diào)整相機三角架，使相機靶面與試件表面平行；第五，使用均勻穩(wěn)定的光源，并注意在實驗過程中不要遮擋光源，保證測試過程中試件表面同一點的灰度保持不變。

圖3 適用于數(shù)字圖像相關(guān)方法的散斑表面

3 實驗例證

3.1 鋁板單向拉伸實驗

鋁板單向拉伸實驗是均勻變形場實時測量。實驗前對鋁板試件表面噴漆，獲得試件表面的灰度特征，以提高計算精度；裝夾試件，見圖4，并對試件進(jìn)行預(yù)載；打開實時測量軟件，通過屏幕調(diào)整相機焦距；選擇應(yīng)變作為實時測量對象，為了提高計算精度，在試件的中間位置選取距離較大的4個點構(gòu)成矩形，輸入相應(yīng)計算參數(shù)。在加載過程中，應(yīng)變－時間曲線自動放大，并顯示最大應(yīng)變值、最小應(yīng)變值、當(dāng)前應(yīng)變值及當(dāng)前時間，如圖5所示。試件受軸向力作用發(fā)生均勻變形。為了比較，實驗前在鋁板試件表面中心位置貼2片電阻應(yīng)變片，方向如圖4所示。

圖4 鋁板的單向拉伸實驗

圖5 實時應(yīng)變－時間曲線

當(dāng)被測區(qū)域離開相機視野或受到其他干擾因素時，系統(tǒng)自動停止測量，見圖6（a）；當(dāng)數(shù)據(jù)的相關(guān)性比較差的時候，曲線會以紅色顯示，當(dāng)相關(guān)性過低時，系統(tǒng)自動停止測量，見圖6（b）。

圖6 測試自動停止界面

鋁板試件的數(shù)字圖像相關(guān)法實驗結(jié)果與電阻應(yīng)變片測量結(jié)果的比較見圖7。從圖7中可以看出，實驗開始階段（即前面16個圖片序號），數(shù)字圖像相關(guān)法計算的應(yīng)變值與電阻應(yīng)變片測得的應(yīng)變值幾乎完全重合，證明了數(shù)字圖像相關(guān)法的可行性；然而從第17號圖片起，由于試件變形過大，電阻應(yīng)變片無法粘合在試件表面以至于測量失效，而數(shù)字圖像相關(guān)法還可以繼續(xù)測量。理論上，只要被測區(qū)域仍在視野范圍內(nèi)就可以通過數(shù)字圖像相關(guān)法進(jìn)行變形測量，該系統(tǒng)穩(wěn)定性高。

圖7 數(shù)字圖像相關(guān)法計算的結(jié)果與電阻應(yīng)變片測量結(jié)果的比較

3.2 低碳鋼的單向拉伸實驗

低碳鋼單向拉伸實驗室是非均勻變形場實驗。本實驗的試件是兩邊緣有圓弧缺口的低碳鋼板狀試件，見圖8（a），對該試件進(jìn)行單向拉伸實驗。加載過程中同步采集試件表面的灰度圖像。實驗結(jié)束后，根據(jù)軟件的牛頓迭代法計算得到全場位移數(shù)據(jù)，把位移場數(shù)據(jù)讀入，可讀出變形過程的全場應(yīng)變圖，如圖8（b）—圖8（f）。從圖中可以看到，最大應(yīng)變首先出現(xiàn)在低碳鋼弧形缺口處，并由邊緣向中心擴(kuò)展，直至整個截面都達(dá)到最大應(yīng)變，此時缺口處截面達(dá)到全屈服。選用統(tǒng)一的應(yīng)變標(biāo)尺會導(dǎo)致小差值的應(yīng)變圖看不出應(yīng)變分布狀況，所以本實驗選對用各圖自配應(yīng)變標(biāo)尺。

圖8 低碳鋼的單向拉伸實驗

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)的光學(xué)測試方法相比，數(shù)字圖像相關(guān)法具有如下優(yōu)勢：（1）光路簡單，無需特殊光源；（2）受外界影響小，對隔振條件要求不高；（3）測量范圍和測量精度可以根據(jù)測量的需要進(jìn)行調(diào)整；（4）數(shù)據(jù)處理自動化程度高。與傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片測量方法相比，數(shù)字圖像相關(guān)法也有其優(yōu)勢。電阻應(yīng)變片法是目前常用的測量應(yīng)變的方法，具有精度高、測量結(jié)果穩(wěn)定等優(yōu)點，但是，電測方法是接觸測量，要求被測試件有一定剛度，且只能點測量，不能得到全場信息，測量范圍有限，不能測量大應(yīng)變。數(shù)字圖像相關(guān)法則是一種非接觸全場測量方法，可以從整體上對物體變形規(guī)律進(jìn)行分析，可以測量大變形，不但能得到非均勻場的變形信息，還能在變形過程實現(xiàn)實時測量。

基于數(shù)字圖像相關(guān)法的光學(xué)引伸計測試系統(tǒng)不僅能在實驗后實現(xiàn)全場變形測量，包括均勻場和非均勻場的全場變形測量，而且還能在變形過程中對試件進(jìn)行實時測量，實時顯示變形－時間曲線，是一種有效的實驗測試系統(tǒng)。

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