基于图像相关法测量板料无载荷动静应变的研究

陈　参　李润娟　郭　楠

(1、2.河南广播电视大学，郑州 453046；3.西安交通大学机械工程学院，西安 710049)

0　引言

随着CCD传感器技术的发展以及计算机传输速度和存储量的大幅提高，采用数字图像相关法测量应变在工程上得到了突飞猛进的发展，以其稳定性强、精度高和全场非接触等优势广泛应用于工业光学测量的众多领域。目前国内外对数字图像相关法的研究都集中在结合双目视觉技术计算物体的三维应变，通过各种算法提高匹配点的搜索速度和计算精度[1-4]，对数字图像相关法本身的测量精度研究很少，基本都停留在用有限元方法模拟来验证实验精度[6-7]，而实际工程应用中许多问题都涉及平面应变问题，如材料线胀系数[5]、薄板应变测量、岩石表面应变测量等都需要利用单目测量二维应变[8-10]，因此研究单目测量二维应变有着重要的意义。

在二维应变测量中，经常需要在常温环境下对工程结构进行无载荷的静态和动态应变测量，检验产品的稳定性；在材料性能测试中，如疲劳、蠕变测试中，也需要静态应变测量；相机的精度测试，也可以利用对标准试件的动静应变测量评价相机的精度。本文采用单目视觉技术，通过CCD传感器采集散斑图像，实时连续拍摄多幅图像，根据二维图像所携带信息解调出应变信息，实现板料无载荷状态下的静态和动态的应变测量。

无载荷指的是没有负载情况下，因为如果没有施加力，理论上是不存在应变的，但是实际情况不存在绝对状态，在静态时受环境影响(空气的流动对试件产生变形)，动态时装夹设备来回运动都会导致试件变形产生应变。我们所理解的无载荷往往是宏观上的，而忽略一些小的因素。本文就是针对这些小因素做的实验，看与理想结果“零应变”相差多少。

1　数字图像相关法计算应变原理

图1　数字图像相关法变形匹配示意图

2　实验方法

本文采用XJTUDIC系统对试件分别进行无载荷静态和动态测试，试件采用标准拉伸镁铝合金试样，长度180mm，中间宽度20mm，厚度1mm，试件表面喷涂黑白相间的散斑。相机采用灰点GS3-U3-60S6M型号，分辨率为2736×2192，单像素尺寸为4.8μm×4.8μm，镜头采用型号为Computar，焦距25mm。相机标定结果为：快门5000ms，增益-61，延迟100ms，子区面片大小30×30像素，计算区域为50×20mm2。实验原理如图2所示：预先喷过散斑的试件(板料)装夹在夹具上，单目相机调整好焦距后，正对着试件。静态测量时，试件静止；动态测量时，试件以速度V做上下匀速运动。

图2　实验原理图

3.1　单目静态变形测量

相机固定不动，试件正对相机且一端装夹在实验机上，连续采集10幅图像为一次实验，共5次，进行散斑匹配比较匹配结果。图像要求：图像应为散斑图像、散斑纹理应清晰、散斑纹理在测量过程中固定不变，测量结果的均值与最大值如表1所示，应变分布如图3所示。

表1单目静态测量结果单位：(mm)

实验-1实验-2实验-3实验-4实验-5均值0　0026650　0004480　0032410　0014610　001022最大值0　0032390　0008900　0048430　0020250　001395

图3　单目静态测量应变分布

3.2　单目动态变形测量

相机固定不动，试件一端装夹在试验机上，以50mm/min速度向上移动，连续采集20幅图像为一次实验，共5次，进行散斑匹配比较匹配结果。图像要求：图像应为散斑图像、散斑纹理应清晰、散斑纹理在测量过程中固定不变，测量结果如表2所示，应变分布如图4所示。

表2单目动态测量结果单位：(mm)

实验1实验2实验3实验4实验5均值0　0115470　00832-0　00276-0　00403-0　00198最大值0　0148120　014735-0　004889-0　011312-0　008669

图4　单目动态测量应变分布

4　结论

在单目测量静态应变时，应变分布均为正值，且平均应变值均在0.004mm以内，单目测量动态应变时，从应变分布图上可以看出，前两次试验均为正值，平均应变在0.015mm以内，后3次试验平均应变虽然在-0.005mm以内，但是最大应变达到-0.015mm，随着相机拍摄时间的增加，应变逐渐向负方向移动，并且逐渐远离0坐标轴。

单目静态试验测量应变，实验值与理论真值相差较小，误差一般由试验环境造成的误差、系统误差和硬件精度引起的误差等构成，误差在合理的范围之内，根据误差结果可以对系统进行补偿。因此，测量静态应变可以作为测试相机及测试应变软件的校准，对静态检测行业有重要的指导意义。

单目动态实验测量应变，由于试验机带动试件产生直线运动，因此试验机运动产生的振动使试件发生明显应变，特别是在后3个实验中，由于试件的运动，与镜头光轴不再保持90°夹角，而是随着时间的增长远离光轴轴线，相机拍摄的散斑图像逐渐变化，子区灰度值也跟随变化，因此灰度的跟踪匹配发生了误差，并且误差随着试件远离光轴而增大，在单目动态测量应变时，可根据误差分布规律对系统做出合理的补偿。

[1]Wang Z Z;WangSB;WangZY.An analysis on computational load of DIC based on Newton-Raphsonscheme[J].Optics and Lasers in Engineering,2013(52):61-65

[2]Bing Pan；Kai Li.A fast digital image correlation method for deformation measurement[J].Optics and Lasers in Engineering,2011(49):841-848

[3]Pan, B.；Li, K.；Tong, W.Fast, Robust and Accurate Digital Image Correlation Calculation Without Redundant Computations[J].Expreimental Mechanics,2013(53):1277-1289

[4]Tong, W.Formulation of Lucas-Kanade Digital Image Correlation Algorithms for Non-contact Deformation Measurements: A Review[J].2013(49):313-334

[5]杨新圆，孙建平，张金涛.材料线热膨胀系数测量的近代发展与方法比对介绍[J].计量技术,2008(7)：33-36

[6]Dunand, M.；Gary, G.；Mohr, D.Load-Inversion Device for the High Strain Rate Tensile Testing of Sheet Materials with Hopkinson Pressure Bars[J].2013(53):1177-1188

[7]孙涛，梁晋，蔡勇,等.用数字散斑法测量铜/铝复层板拉伸变形[J].光学精密工程.2012(20):2599-2606

[8]潘兵；俞立平；吴大方.使用双远心镜头的高精度二维数字图像相关测量系统[J].光学学报 .2013(33):1-11

[9]Pritchard, Robyn H.；Lava, Pascal；Debruyne, Dimitri.Precise determination of the Poisson ratio in soft materials with 2D digital image correlation[J].SOFT MATTER.2013(9):6037-6045

[10]Mauroux, T.；Benboudjema, F.；Turcry, P.Study of cracking due to drying in coating mortars by digital image correlation[J].CEMENT AND CONCRETE RESEARCH.2012(42):1014-1023