三維光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)研究

陸江

摘? 要：文章介紹了三維光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)在全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)試應(yīng)用中，影響測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性的一些關(guān)鍵因素（邊界條件）;設(shè)計(jì)了相應(yīng)的試驗(yàn)方法和試件，通過(guò)加載試驗(yàn)，同時(shí)采用仿真、應(yīng)變片和光學(xué)三種方法，對(duì)這些影響因素進(jìn)行了量化，為三維光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)在全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)試中更復(fù)雜應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：三維光學(xué);全場(chǎng);應(yīng)變測(cè)試

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）14-0163-02

Abstract： In this paper， some key factors （boundary conditions） that affect the accuracy of test results in the application of three-dimensional optical testing system in full-field strain testing are introduced， and the corresponding test methods and specimens are designed. At the same time， these influencing factors are quantified by three methods of simulation， strain gauge and optics， which accumulates experience for the more complex application of three-dimensional optical testing system in full-field strain testing.

Keywords： three-dimensional optics; full field; strain testing

1 概述

近些年來(lái)，采用數(shù)字圖像相關(guān)方法（Digital Image Correlation，DIC）測(cè)量變形成為最新的非接觸式測(cè)量方法，并且應(yīng)用越來(lái)越廣泛。DIC是一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理（成像）、數(shù)字圖像處理與數(shù)值計(jì)算（算法）的、非接觸、非干涉、全場(chǎng)變形光學(xué)計(jì)算方法，是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域最重要、最受關(guān)注、應(yīng)用范圍最廣泛的光測(cè)力學(xué)方法，被稱(chēng)為實(shí)驗(yàn)力學(xué)中的有限元方法。自2007年以來(lái)，國(guó)際上基于DIC技術(shù)的三維光學(xué)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)在材料力學(xué)、斷裂力學(xué)等方面得到了廣泛應(yīng)用。

2016年本單位購(gòu)進(jìn)GOM三維光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)后，為了掌握該系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測(cè)試中性能和使用方法，開(kāi)展了相關(guān)研究工作。

2 研究目的

（1）獲取被試件散斑噴涂工藝、測(cè)量環(huán)境照度、測(cè)試距離、測(cè)試角度、相機(jī)參數(shù)等光學(xué)應(yīng)變測(cè)試關(guān)鍵因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

（2）獲取光學(xué)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)試精度指標(biāo)。

3 研究方案

利用加載裝置對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)件進(jìn)行拉伸加載，獲得準(zhǔn)確的、可重復(fù)的應(yīng)變場(chǎng)，利用仿真計(jì)算和應(yīng)變片測(cè)試結(jié)果，對(duì)三維光學(xué)應(yīng)變系統(tǒng)進(jìn)行全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)試技術(shù)研究。

3.1 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

根據(jù)三維光學(xué)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)量程和精度要求，試驗(yàn)件加載后輸出應(yīng)變?cè)?000？滋ε以上比較合適。經(jīng)過(guò)計(jì)算試驗(yàn)件中間應(yīng)變均勻區(qū)應(yīng)變大小、試件寬度、厚度和加載載荷關(guān)系見(jiàn)表1，綜合考論加載裝置和試件成本，試驗(yàn)件根據(jù)主要參數(shù)：材料為Q345。加載載荷39.4kN，試驗(yàn)件中間區(qū)域應(yīng)變1556？滋ε，滿(mǎn)足三維光學(xué)變形和應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)測(cè)量范圍要求，可以達(dá)到最佳測(cè)試精度。

3.2 加載方案

試件加載采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

3.3 測(cè)試方案

測(cè)試方案采用光學(xué)和應(yīng)變片兩種，在每種試件一面噴涂散斑，另一面粘貼應(yīng)變片。

4 研究結(jié)果

4.1 光學(xué)應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)分析區(qū)域設(shè)置

所有樣本選擇分析區(qū)域相同，數(shù)據(jù)標(biāo)注點(diǎn)采用軟件自動(dòng)分布共95個(gè)，其中1-44為試件處理范圍邊緣一圈測(cè)點(diǎn)（簡(jiǎn)稱(chēng)邊緣測(cè)點(diǎn)），45-95為處理范圍內(nèi)部測(cè)點(diǎn)（簡(jiǎn)稱(chēng)內(nèi)部測(cè)點(diǎn)），63～74為試件中間區(qū)域測(cè)點(diǎn)（簡(jiǎn)稱(chēng)中間測(cè)點(diǎn)）。

4.2 光學(xué)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)試精度研究

通過(guò)對(duì)白底樣本12進(jìn)行加載試驗(yàn)，獲取測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)行光學(xué)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)靜態(tài)測(cè)試精度研究。

4.2.1 測(cè)試數(shù)據(jù)重復(fù)性

白底樣本12三次加載測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

結(jié)論：測(cè)試數(shù)據(jù)有很好的重復(fù)性。

4.2.2 中間測(cè)點(diǎn)精度分析（標(biāo)注點(diǎn)63～74）

取試件中間區(qū)域（標(biāo)注點(diǎn)63～74）光學(xué)應(yīng)變第一次加載測(cè)試數(shù)據(jù)、應(yīng)變片測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)論為：光學(xué)應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)在800？滋ε以下誤差超過(guò)10%，在1500？滋ε以上誤差小于6%。

4.3 關(guān)鍵因素對(duì)光學(xué)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果的影響

等應(yīng)變?cè)嚰?/p>

（1）散斑噴涂效果

白底01為白色底漆（直接在試件表面噴涂）+黑色散斑第1個(gè)試件，黑底01為黑色底漆（直接在試件表面噴涂）+白色散斑第1個(gè)試件;灰+黑+白01為先在試件表面噴涂灰色漆、再?lài)娡亢谏帷⒆詈髧姲咨撸G+黑+白01、紅+黑+白01和紅+白+黑01類(lèi)似。

通過(guò)對(duì)試件進(jìn)行加載試驗(yàn)，獲取不同顏色底漆、黑色和白色散斑、不同特征的散斑對(duì)測(cè)試精度的影響。通過(guò)對(duì)黑色底漆+白色散斑樣本1～6加載測(cè)試數(shù)據(jù)，白色底漆+黑色散斑樣本1～4、6和8加載測(cè)試數(shù)據(jù)，灰+黑+白樣本1、綠+黑+白樣本1、紅+黑+白樣本1和紅+白+黑樣本1加載測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得出結(jié)論：

a.邊緣標(biāo)注點(diǎn)數(shù)據(jù)有較大誤差，應(yīng)避免使用。b.在數(shù)據(jù)處理軟件可以識(shí)別的區(qū)域內(nèi)，底漆不同對(duì)測(cè)試結(jié)果沒(méi)有明顯影響，內(nèi)部標(biāo)注點(diǎn)測(cè)試結(jié)果有很好的一致性。c.大直徑散斑顆粒效果沒(méi)有小直徑好。

（2）景深改變

通過(guò)前后移動(dòng)鏡頭支架實(shí)現(xiàn)景深改變（±20mm），以白底樣本12為例進(jìn)行了加載試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)論為：變換景深（在標(biāo)定范圍內(nèi)）對(duì)測(cè)試結(jié)果沒(méi)有影響。

（3）改變曝光時(shí)間和增加輔助光源

a.無(wú)輔助光源調(diào)整曝光時(shí)間

在無(wú)輔助光源情況下，調(diào)整曝光時(shí)間對(duì)試件進(jìn)行加載，找出測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足要求的曝光時(shí)間范圍（7ms～85ms），加載測(cè)試數(shù)據(jù);曝光時(shí)間下限7ms測(cè)試數(shù)據(jù)，曝光時(shí)間9、27、48和85ms False Color圖1。

b.有輔助光源調(diào)整曝光時(shí)間

在有輔助光源（兩個(gè)）情況下，調(diào)整曝光時(shí)間對(duì)試件進(jìn)行加載，找出測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足要求的曝光時(shí)間范圍。加載測(cè)試數(shù)據(jù)表明：在曝光時(shí)間在6.5～53ms之間時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)滿(mǎn)足要求，其他會(huì)出現(xiàn)無(wú)法識(shí)別區(qū)域，曝光時(shí)間6.5和53ms。

結(jié)論：

輔助光源對(duì)測(cè)試結(jié)果沒(méi)有影響，但可以降低曝光時(shí)間，提高測(cè)試數(shù)據(jù)采集頻率;

光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)曝光時(shí)間的適應(yīng)性比較強(qiáng)，有比較寬的選擇范圍。

（4）改變相機(jī)角度

以白底樣本12為例，開(kāi)展了改變相機(jī)角度對(duì)測(cè)試結(jié)果影響研究，分別調(diào)整相機(jī)上下改變16°、左右改變22°，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

結(jié)論：改變鏡頭角度（±15°）對(duì)測(cè)試結(jié)果沒(méi)有影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)試驗(yàn)手段，開(kāi)展三維光學(xué)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)研究，掌握了系統(tǒng)的測(cè)試精度和影響因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，為后續(xù)測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡雪兵.風(fēng)電葉片單/雙軸測(cè)試及其全場(chǎng)三維變形分析[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2015（9）：39-46.

[2]王世斌.一種新的全場(chǎng)應(yīng)變光學(xué)測(cè)量方法[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，1997，12（1）：56-62.

[3]潘兵，謝惠民.數(shù)字圖像相關(guān)中基于位移場(chǎng)局部最小二乘擬合的全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27（11）：1980-1986.