变形测量中的数字散斑相关搜索方法

本文用仿射变换阐述了数字散斑相关方法的基本原理,通过分析散斑位移及其导数对物体变形前后散斑图的相关性的影响,对相关算法作了简化,提出了相关搜索方法.典型的实验证实了该方法的可行性,同时就散斑颗粒尺寸、子区大小对相关识别的影响等问题进行了讨论,初步给出了相关计算的有关最佳参数.     

定量测量微区变形场的数字散斑方法

本文应用数字散斑方法,对高倍放大的扫描电镜系列照片进行定量测试分析,以解决微米或更小量级区域的变形场的定量测量问题.对源于文献[5]的疲劳裂纹扩展系列照片的初步测量结果证实了上述方法的可行性.     

数字散斑相关方法的原理与应用

应用图像识别与变分学原理，对数字散斑相关方法作了理论阐述，导出了测量物体表面变形场的一般过程，将力学中的变形测量问题转化为单纯的数值计算问题，避免了传统光测方法与干涉条纹有关的一系列困难。初步的实验结果表明，该方法在工程实际现场、高速冲击动态过程、细观力学变形过程以及变形测量的自动化等方面都有广泛的应用潜力，从而为光测力学拓展应用领域、实现自动化测量展现了新的前景．     

数字散斑相关技术进展及应用

数字散斑相关技术是廿世纪末发展的一项光力学测量技术,历经20年各国学者的研究改进积累,目前已成为一种成熟的测量方法,并已成功地应用于力学测量中。本文回顾和叙述了这些进展,并列举在各方面的应用实例以进一步扩展其应用领域。数字散斑相关技术的八个关键问题即1.相关公式,2.搜索技术,3.亚像素搜索,4.散斑图,5.减噪,6.补偿技术,7.位移场至应变场转换,8.三维位移场测量。最后将叙述数字相关技术在材料测试、结构模型及实物监测、岩石力学、复合材料性能研究、生物力学等方面的广泛应用情况。     

扫描电镜下的数字散斑相关方法及其应用

对数字散斑相关方法(digital speckle correlation method,DSCM)在扫描电镜(scanningelectron microscope,SEM)下的应用进行了研究。将DSCM与带电液伺服试验系统的SEM结合起来,对二者结合的过程进行了分析,实现了SEM下细微观变形场的测量,扩展了DSCM和SEM的应用范围。为了定量地把握SEM在扫描图像时放大倍数的不稳定性、非线性和内部噪声对DSCM的影响,还对SEM下的DSCM精度和误差进行了实验分析。统计结果表明,SEM下应用DSCM进行变形场的测量,其位移测量误差最大可达2像素,其精度可以满足一般变形场测量的需要。作为应用实例,对混凝土试件在SEM下的断裂行为进行了研究,得到了混凝土试件表面随着载荷的变化而变化的表面细观变形场。     

一种新的数字散斑相关方法及其应用

本文提出了一种新的改进的数字散斑相关方法——十字搜索法。采用该方法将大大缩短计算时间,从而使数字散斑相关在微机上得到成功的应用。本文还从概率与统计的角度提出了新的相关系数计算公式,这个计算公式可以提高计算精度。文中还讨论了高精度测量的一些技术问题。初步实验验证表明,本文所提出的方法是一种实用的快速、高精度的位移、应变测试方法。     

数字散斑相关方法用于PMMA弹性模量的测量

通过三点弯载荷实验,利用数字散斑相关方法得到了试件载荷过程中对应的载荷-位移曲线. 依据实验中试件载荷前后位移的变化量,对常用工程材料PMMA的弹性模量进行了测定. 实验数据表明所测弹性模量较为真实、客观,相对误差较小. 该研究方法为同类材料未知弹性模量的测定提供了一种行之有效的测量途径.     

结合数码显微镜的数字散斑相关方法精度分析及应用

结合数字散斑相关方法和一种新型的显微镜数码显微镜,提出了一种测量多晶材料晶粒尺度面内变形的新方法,并通过零变形校准实验、重聚焦实验和平移实验等一系列验证实验分析了该方法的精度和实用性.作为应用实例,对一种镍基合金试件进行了单向拉伸和疲劳实验,得到了晶粒尺度下具有较大应变梯度的应变分布图像.结果表明,该方法能够得到精确的位移测量数据,是一种理想的测量晶粒尺度变形的光测方法.     

散斑与数字技术

本文总结了过去十年中散斑数字技术在力学、医学、无线电电子学和天文学中的应用和进展,以及在这些领域中所发展的各种新的理论、实验技术和实验方法。     

数字散斑相关法在聚偏氟乙烯压电薄膜力学性能测试中的应用

利用数字散斑相关方法对PVDF透明压电薄膜进行了单轴拉伸力学性能研究。首先比较了喷漆与不喷漆两种条件下不同厚度薄膜的单轴拉伸曲线,发现当薄膜厚度超过一定值时,样品表面喷漆与否对测试结果无显著影响。然后,利用数字散斑相关方法对PVDF挤出薄膜进行了单轴拉伸下的应力-应变关系研究,得到了PVDF薄膜的应力-应变曲线和反映PVDF薄膜全场应变信息的三维信息图,以及线性阶段的弹性模量和泊松比。实验结果表明:数字散斑相关方法用于PVDF压电薄膜的力学性能研究是一种行之有效的方法。     

DIGITAL SPECKLE CORRELATION METHOD IMPROVED BY GENETIC ALGORITHM

The digital speckle correlation method is an important optical metrology for surface displacement and strain measurement. With this technique, the whole field deformation information can be obtained by tracking the geometric points on the speckle images based on a correlation-matching search technique. However, general search techniques suffer from great computational complexity in the processing of speckle images with large deformation and the large random errors in the processing of images of bad quality. In this paper, an advanced approach based on genetic algorithms (GA) for correlation-matching search is developed. Benefiting from the abilities of global optimum and parallelism searching of GA, this new approach can complete the correlation-matching search with less computational consumption and at high accuracy. Two experimental results from the simulated speckle images have proved the efficiency of the new approach.     

利用数字散斑相关法测定聚酰亚胺/SiO2合成薄膜的力学性能

聚酰亚胺 /SiO2 合成薄膜是一种具有优良力热光电性能的薄膜材料,在MEMS工艺中具有广阔的应用前景,其力学性能测量的研究具有非常重要的意义。本文将数字散斑相关技术和微拉伸试验相结合,对厚度为 37μm的聚酰亚胺(polyimide) /二氧化硅(SiO2 )合成薄膜进行了力学性能测量,获得了比较满意的结果。文章给出了测得的弹性模量和泊松比。为了解决数字散斑相关法不能直接测量较大变形的缺陷,本文提出了多级相关算法,并利用亚像素搜索和双线性插值进行了数据处理。     

基于全场位移测量技术的微悬臂梁面内弯曲性能测试

基于自制的微力试验机和全场位移光学测量仪,建立了微尺度力学性能原位测试系统。其中微力试验机基于电磁驱动兼载荷计量原理设计,载荷量程和噪音分别为±1N和50μN。全场位移光学测量仪基于白光数字散斑相关方法研制。采用该系统对MEMS单晶硅(001)微悬臂梁进行了面内弯曲力学性能原位测试,获得了微悬臂梁末梢施力点的力-位移关系曲线,以及全场变形情况。结果显示,微悬臂梁表现出很好的弹性弯曲行为,最后在根部发生脆性断裂。根据弹性弯曲理论计算出单晶硅弹性模量为123.8GPa(±3.2%)。该技术为研究MEMS微构件的力学性能提供了一种有效的手段。     

基于激光散斑DIC技术的金属热应变原位测量研究

利用激光散斑数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)技术能够实现金属微应变的无接触、原位测量,但激光散斑的像质如均匀性、灰度梯度、稳定性等对应变测量精度存在较大影响。为了提高激光散斑DIC技术测量金属应变的准确性和测量精度,本文针对激光器选型、激光波长、扩束系统、成像系统等进行了详细的设计、改进和测试。通过定量分析光学系统改进前后的散斑大小、占空比等像质评价参数,确定了激光散斑DIC技术的应变测量精度影响因素,并通过优化激光功率、曝光时间、接圈长度、像距等光路参数,获得了全视场范围分布更加均匀、像质更好的散斑图像,从而提高了激光散斑DIC技术测量应变的准确度和测量精度。利用激光散斑DIC技术实施了金属铝在非真空环境下从室温加热到360℃的热应变测量,测量结果与理论值吻合较好,而且随着温度的升高,测量结果的相对误差不断降低,证明了该方法在金属热应变检测中应用的可行性。     

数字图像相关方法中散斑图的质量评价研究

在利用数字图像相关方法测量物体表面变形时,被测物体表面必需覆盖有灰度随机分布的散斑场,该散斑场作为试件表面变形信息的载体随试件一起变形。在实际情况下,不同的散斑场会显示出完全不同的灰度分布特征,并对数字图像相关方法的测量结果有着重要影响。因此如何定量评价散斑图的优劣是数字图像相关方法中一个重要的基本问题,也是该方法的使用者非常关心的问题。基于最近数字图像相关方法基本理论研究的进展,本文提出平均灰度梯度这一新参数用于散斑图质量的评价。为证实该参数的有效性,本文对五幅明显不同的散斑图进行了精确平移,并将数字图像相关方法测量的位移与预加的平移量进行比较,分析了位移测量结果的均值误差和标准差。结果显示位移测量结果的均值误差和标准差均与散斑图的平均灰度梯度有关,一个好的散斑图应该具有较大的平均灰度梯度。     

微尺度散斑制备方法研究及应用进展评价

数字图像相关法(DIC)由于具有非接触、全场、精度高、易操作等特点,已被广泛应用于宏微观尺度的变形测量。在微观尺度,DIC可以方便地与显微镜结合,实现变形测量;散斑作为变形的载体,其质量的好坏直接影响到DIC在微尺度变形测量的精度。本文重点介绍了离心甩胶法制备微尺度散斑的方法,并对其应用进展进行评价。具体包括:优化制备工艺参数,获得最优的散斑图;提出散斑膜转移方法,扩大其使用范围;研究散斑膜增韧方法,用于大变形的测量;基于超景深光学显微镜,设计双向加载测试系统;将散斑膜应用于微尺度界面、裂纹尖端等。获得了局部变形场信息,表明该微尺度散斑制备方法具有较好的可行性和应用前景。     

数字图像相关方法若干关键问题研究进展

本文报道了作者及其所在课题组近期在数字图像相关(DIC)测量方法上取得的重要研究进展。主要包括:(1)通过对DIC方法中反向组合高斯-牛顿算法的理论误差分析,提出了新的理论误差公式,进一步证明了反向组合高斯-牛顿算法在提高计算速度和测量精度方面的综合优势;(2)采用提出的理论误差公式,发展了数字散斑场的优化及制作方法,保证了测量结果的一致性和正确性;(3)基于相机阵列和图像拼接技术,发展了超分辨率数字图像相关方法,大大提高了DIC测量方法的应变测量分辨率;(4)提出了大视场条件下的三维系统标定方法,实现了三维测量系统的外参实时标定和多相机测量系统中相机位姿的自动矫正;(5)研制了便携式原位三维测量仪和多尺度DIC测量系统,实现了三维实时数字图像相关测量,进一步满足了DIC方法在工业在线检测和医学领域中的应用需求。     

竹材层合板弯曲破坏机理的实验研究

竹材层合板是为了满足一定的使用要求,由多层单向板按同一方向整齐排列、胶合、加热固化处理而成的复合结构体。由于竹材层合板的各向异性和非均匀性,它的力学行为十分复杂,特别是弯曲时不仅各个单层产生损伤破坏,而且伴随着层间胶接层的开裂。本文对竹材层合板的弯曲破坏特征进行实验研究;一系列包含变形信息的数字散斑图像被记录;采用数字散斑相关技术(DSCM)提取了三点弯曲变形过程中的面内位移场信息,分析了不同变形阶段的位移场;给出了不同弯曲变形阶段试件的应变场分布和应变集中现象;分析了中性轴在胶层开裂、层内纤维撕裂等复杂应力情况下的演化过程及规律。最终一些宏微观破坏机制被分析,例如基体开裂,界面损伤与撕裂,界面与裂纹作用等。这些研究结果将为竹材层合板的破坏机理等力学行为的研究和工程应用开发提供实验依据。