三維光學(xué)測試系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)研究

陸江

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

關(guān)鍵詞：三維光學(xué);全場;應(yīng)變測試

中圖分類號：TP274? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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，采用數(shù)字圖像相關(guān)方法（Digital Image Correlation，DIC）測量變形成為最新的非接觸式測量方法，并且應(yīng)用越來越廣泛。DIC是一種基于計算機(jī)視覺原理（成像）、數(shù)字圖像處理與數(shù)值計算（算法）的、非接觸、非干涉、全場變形光學(xué)計算方法，是當(dāng)前實驗力學(xué)領(lǐng)域最重要、最受關(guān)注、應(yīng)用范圍最廣泛的光測力學(xué)方法，被稱為實驗力學(xué)中的有限元方法。自2007年以來，國際上基于DIC技術(shù)的三維光學(xué)應(yīng)變測試系統(tǒng)在材料力學(xué)、斷裂力學(xué)等方面得到了廣泛應(yīng)用。

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

2 研究目的

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

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

3 研究方案

利用加載裝置對標(biāo)準(zhǔn)試驗件進(jìn)行拉伸加載，獲得準(zhǔn)確的、可重復(fù)的應(yīng)變場，利用仿真計算和應(yīng)變片測試結(jié)果，對三維光學(xué)應(yīng)變系統(tǒng)進(jìn)行全場應(yīng)變測試技術(shù)研究。

3.1 試驗件設(shè)計

根據(jù)三維光學(xué)應(yīng)變測試系統(tǒng)量程和精度要求，試驗件加載后輸出應(yīng)變在1000？滋ε以上比較合適。經(jīng)過計算試驗件中間應(yīng)變均勻區(qū)應(yīng)變大小、試件寬度、厚度和加載載荷關(guān)系見表1，綜合考論加載裝置和試件成本，試驗件根據(jù)主要參數(shù)：材料為Q345。加載載荷39.4kN，試驗件中間區(qū)域應(yīng)變1556？滋ε，滿足三維光學(xué)變形和應(yīng)變測量分析系統(tǒng)測量范圍要求，可以達(dá)到最佳測試精度。

3.2 加載方案

試件加載采用萬能試驗機(jī)。

3.3 測試方案

測試方案采用光學(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)注點采用軟件自動分布共95個，其中1-44為試件處理范圍邊緣一圈測點（簡稱邊緣測點），45-95為處理范圍內(nèi)部測點（簡稱內(nèi)部測點），63～74為試件中間區(qū)域測點（簡稱中間測點）。

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

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

4.2.1 測試數(shù)據(jù)重復(fù)性

白底樣本12三次加載測試數(shù)據(jù)見表2。

結(jié)論：測試數(shù)據(jù)有很好的重復(fù)性。

4.2.2 中間測點精度分析（標(biāo)注點63～74）

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

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

等應(yīng)變試件：

（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個試件;灰+黑+白01為先在試件表面噴涂灰色漆、再噴涂黑色漆、最后噴白色散斑，綠+黑+白01、紅+黑+白01和紅+白+黑01類似。

通過對試件進(jìn)行加載試驗，獲取不同顏色底漆、黑色和白色散斑、不同特征的散斑對測試精度的影響。通過對黑色底漆+白色散斑樣本1～6加載測試數(shù)據(jù)，白色底漆+黑色散斑樣本1～4、6和8加載測試數(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加載測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得出結(jié)論：

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

（2）景深改變

通過前后移動鏡頭支架實現(xiàn)景深改變（±20mm），以白底樣本12為例進(jìn)行了加載試驗，測試結(jié)論為：變換景深（在標(biāo)定范圍內(nèi)）對測試結(jié)果沒有影響。

（3）改變曝光時間和增加輔助光源

a.無輔助光源調(diào)整曝光時間

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

b.有輔助光源調(diào)整曝光時間

在有輔助光源（兩個）情況下，調(diào)整曝光時間對試件進(jìn)行加載，找出測試結(jié)果滿足要求的曝光時間范圍。加載測試數(shù)據(jù)表明：在曝光時間在6.5～53ms之間時測試數(shù)據(jù)滿足要求，其他會出現(xiàn)無法識別區(qū)域，曝光時間6.5和53ms。

結(jié)論：

輔助光源對測試結(jié)果沒有影響，但可以降低曝光時間，提高測試數(shù)據(jù)采集頻率;

光學(xué)測試系統(tǒng)對曝光時間的適應(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，開展了改變相機(jī)角度對測試結(jié)果影響研究，分別調(diào)整相機(jī)上下改變16°、左右改變22°，測試數(shù)據(jù)見表4。

結(jié)論：改變鏡頭角度（±15°）對測試結(jié)果沒有影響。

5 結(jié)束語

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

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