數(shù)字散斑相關(guān)法在壓力容器變形測(cè)量上的應(yīng)用

徐婉

摘 要：數(shù)字散斑相關(guān)法具有非接觸、精度高、適用于工程現(xiàn)場(chǎng)等特點(diǎn)，成為實(shí)驗(yàn)力學(xué)中一種有效的光學(xué)測(cè)試手段。該文簡(jiǎn)要介紹了數(shù)字散斑相關(guān)法的基本原理、特點(diǎn)和應(yīng)用范圍，概述了在壓力容器變形測(cè)量方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，隨著相關(guān)配套和輔助技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字散斑干涉法在測(cè)量壓力容器變形方面在宏觀和微觀方面展現(xiàn)了新的技術(shù)突破：改進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)與加載方式可測(cè)量大面積的變形場(chǎng)，與高分辨率設(shè)備結(jié)合可進(jìn)行結(jié)構(gòu)微小形變的檢測(cè)，而全場(chǎng)高溫變形測(cè)量技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步拓展了其適用環(huán)境。

關(guān)鍵詞：數(shù)字散斑相關(guān)方法 壓力容器 變形測(cè)量 技術(shù)突破

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（c）-0058-02

壓力容器是廣泛應(yīng)用于化工、熱能、醫(yī)藥、食品和航空航天等工業(yè)中的設(shè)備。因其溫度、壓力范圍較大，內(nèi)部介質(zhì)往往易燃易爆，因此危險(xiǎn)性較大。在工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)壓力容器內(nèi)部缺陷進(jìn)行早期檢測(cè)和診斷具有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前用于壓力容器的無(wú)損檢測(cè)的方法有很多，如射線、超聲波、磁粉、滲透和紅外熱成像檢測(cè)等。自激光出現(xiàn)以來(lái)，采用光學(xué)計(jì)量方法用于材料和結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)成為研究熱點(diǎn)。

數(shù)字圖像相關(guān)法（Digital Image Correlation，DIC）是在20世紀(jì)80年代初由WH.Peters和WF.Ranson[1]等人提出的，是一種用于測(cè)量材料變形和應(yīng)變的光學(xué)非接觸測(cè)量方法。這種測(cè)量技術(shù)是現(xiàn)代先進(jìn)光電技術(shù)、圖像處理與識(shí)別技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種非接觸的、用于全場(chǎng)形狀、變形、運(yùn)動(dòng)的圖像測(cè)量方法，是現(xiàn)代光測(cè)實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域的新進(jìn)展。該方法將物體表面隨機(jī)分布的斑點(diǎn)或偽隨機(jī)分布的人工散斑場(chǎng)作為變形信息載體，通過(guò)跟蹤和匹配變形前后所采集圖像的灰度信息來(lái)測(cè)量物體在外載荷作用下表面整體的瞬時(shí)位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)。

在實(shí)驗(yàn)固體力學(xué)領(lǐng)域中，對(duì)于材料和結(jié)構(gòu)表面在外載作用下的變形測(cè)量一直是一個(gè)較難的課題。常用的主要有接觸式和非接觸式兩種方法。通常使用的電阻應(yīng)變式接觸式測(cè)量法，受到測(cè)量手段和范圍的限制，不能得到全場(chǎng)數(shù)據(jù)和物體整體上的變形規(guī)律。非接觸式光學(xué)測(cè)量方法，有干涉測(cè)量技術(shù)（全息照相干涉法，散斑干涉法）和非干涉技術(shù)（網(wǎng)格化和數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量法）兩種。由于干涉測(cè)量技術(shù)要求有相干光源，光路復(fù)雜，且測(cè)量結(jié)果易受外界振動(dòng)的影響，多在具有隔震臺(tái)的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，應(yīng)用范圍收到了很大的限制。而非干涉測(cè)量技術(shù)是通過(guò)對(duì)比變形前后物體表面的灰度強(qiáng)度來(lái)決定表面變形量，對(duì)光源和測(cè)量環(huán)境要求較低。數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量技術(shù)可以直接采用自然光源或者白光源，通過(guò)具有一定分辨率的CCD相機(jī)采集圖像，并利用相關(guān)算法進(jìn)行圖像處理得到變形信息，被視為測(cè)量表面變形的一種有利而又靈活的工具。與傳統(tǒng)的干涉測(cè)量方法相比，DIC具有全場(chǎng)測(cè)量、非接觸、光路相對(duì)簡(jiǎn)單、測(cè)量視場(chǎng)可以調(diào)節(jié)、不需要光學(xué)干涉條紋處理、對(duì)測(cè)量環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)。目前，該方法在工程應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)固體力學(xué)及材料性能分析等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1 數(shù)字圖像相關(guān)法基本原理

數(shù)字散斑相關(guān)方法用攝像系統(tǒng)（通常是CCD）分別采集材料變形前后的數(shù)字散斑圖，進(jìn)行相關(guān)處理，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)被測(cè)物體位移和變形的測(cè)量。該方法的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，其圖像采集系統(tǒng)一般包括CCD攝相機(jī)圖像采集卡、控制計(jì)算機(jī)等。

二維的數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量，是以被測(cè)物體變形前的圖像上任一測(cè)量點(diǎn)的周圍子區(qū)域的灰度特征值作基準(zhǔn)，在變形后的圖像上，依據(jù)最大相關(guān)系數(shù)C找到該測(cè)量點(diǎn)的匹配點(diǎn)，借助相關(guān)算法而獲得該測(cè)量點(diǎn)在圖像平面上的變形信息，再根據(jù)系統(tǒng)標(biāo)定數(shù)據(jù)，最終計(jì)算出該點(diǎn)的位移。

依據(jù)文獻(xiàn)[7]，可采用公式（1）計(jì)算相關(guān)系數(shù)：

（1）

而三維數(shù)字散斑相關(guān)法是采用互成一定角度的兩個(gè)CCD攝像機(jī)圖像采集系統(tǒng)，成像原理類似于人的雙眼，基本過(guò)程是先通過(guò)匹配兩個(gè)CCD攝像機(jī)在同一時(shí)刻采集的圖像，得到物體的三維形貌圖，然后再比較不同變形時(shí)刻的圖像序列，由此得到物體表面的全場(chǎng)三維位移。如圖2所示。以被測(cè)物體表面變形前的圖像上任一測(cè)量點(diǎn)的灰度特征值為基準(zhǔn)，依據(jù)最大相關(guān)系數(shù)C，在右攝像機(jī)測(cè)量被測(cè)物體表面變形前的圖像上尋找到的匹配點(diǎn)，依據(jù)三角測(cè)量原理計(jì)算得到被測(cè)物體表面變形前點(diǎn)的空間坐標(biāo)。同理可以確定被測(cè)物體表面變形后圖像上點(diǎn)和，再用三角測(cè)量原理計(jì)算得到被測(cè)物體表面變形后點(diǎn)。最后，依據(jù)、及（2）～（4）式可求得被測(cè)物體位移、和：

（2）

（3）

（4）

2 光學(xué)圖像相關(guān)法在壓力容器測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)展

壓力容器在服役過(guò)程中往往承受較大的載荷，具有很高的內(nèi)壓，因而會(huì)發(fā)生較大的變形。受載條件下的變形測(cè)量一直采用的是傳統(tǒng)的應(yīng)變計(jì)電測(cè)法，雖然可以得到較可靠的數(shù)據(jù)，但是只能測(cè)量“點(diǎn)應(yīng)變”，受到測(cè)量手段和范圍的限制很難得到全場(chǎng)數(shù)據(jù)。光學(xué)圖像相關(guān)法在材料力學(xué)的測(cè)量方面應(yīng)用已很廣泛，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者用其測(cè)試各個(gè)領(lǐng)域的材料力學(xué)性能。近年來(lái)也逐漸應(yīng)用于壓力容器在線變形的測(cè)量。文獻(xiàn)[8]最早在1998年采用激光全息法進(jìn)行了圓柱形壓力容器的無(wú)損檢測(cè)，然而激光全息法進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí)要求暗室和隔振環(huán)境，而且干版記錄費(fèi)時(shí)費(fèi)力，給其在實(shí)際應(yīng)用中的推廣帶來(lái)困難。而后在2005年，中國(guó)工程物理研究院的黃鵬首次嘗試用電子散斑干涉技術(shù)測(cè)試了含有內(nèi)部缺陷的球形薄壁壓力容器表面的位移場(chǎng)，分析了應(yīng)變和應(yīng)力場(chǎng)，可以判斷出內(nèi)部缺陷的位置和形狀，實(shí)現(xiàn)了容器內(nèi)部缺陷的快速檢測(cè)。

之后在電子散斑干涉法的基礎(chǔ)上，發(fā)展出了數(shù)字散斑法。數(shù)字散斑法光路簡(jiǎn)單，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求低，光源范圍廣（激光、自然白光或者普通照明均可），可以任意制定測(cè)量范圍。在2006年，清華大學(xué)的孟利波首次采用基于灰度梯度迭代的數(shù)字散斑圖像法研究了復(fù)合材料壓力容器在水壓條件下局部區(qū)域的變形，測(cè)量出了高精度的位移場(chǎng)并進(jìn)一步得到了應(yīng)變場(chǎng)。這是一種適宜于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的無(wú)損檢測(cè)方法，有廣闊的應(yīng)用前景。endprint

2011年蘭州交通大學(xué)的杜三山利用激光散斑場(chǎng)作為待測(cè)表面的信息載體，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)在線測(cè)量了壓力容器的微小形變。這種方法可以精確測(cè)量出形變大小及其存在區(qū)域，為結(jié)構(gòu)微小形變的檢測(cè)提供依據(jù)，擴(kuò)展了數(shù)字散斑干涉法的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。進(jìn)一步定量研究形變的影響因素將為預(yù)知形變的尺寸、位置，以及結(jié)構(gòu)的安全和檢測(cè)提供幫助，可以為結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)提供依據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字散斑相關(guān)方法作為一種有效的物體表面全場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域一種有效的光學(xué)測(cè)量工具。具備了非接觸、精度高、在線實(shí)時(shí)測(cè)量等特點(diǎn)可以精確測(cè)量壓力容器在內(nèi)壓作用下的位移和變形。隨著激光器技術(shù)、CCD技術(shù)、高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字散斑干涉法在測(cè)量壓力容器變形方面會(huì)有一些新的進(jìn)展。

（1）通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)與加載方式，可以測(cè)量大面積的變形場(chǎng)。（2）與掃描電鏡、掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡以及一些高分辨率、高放大倍數(shù)的設(shè)備相結(jié)合，進(jìn)行結(jié)構(gòu)微小形變的檢測(cè)。（3）從常規(guī)環(huán)境向惡劣環(huán)境（如高溫、高壓）方向發(fā)展發(fā)展高溫環(huán)境下全場(chǎng)高溫變形測(cè)量的技術(shù)。

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