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。     

数字散斑相关方法与应用研究进展

数字散斑相关方法(digital speckle correlation method, DSCM)作为固体实验力学领域材料表面变形场测量的一种非接触式方法与其它技术相比具有一些独到的优点,其有效性已经在近20年中被众多的应用实例所证明.近年来该方法在理论上逐步完善,一些现代的数学理论和数学方法(例如:小波变换、遗传算法、神经网络等)逐渐被引入到该方法中;在实验中的各个技术环节上正在逐步的改进,其结果的精度逐步的提高,结果收敛的速度也逐渐的加快;其应用的领域正逐渐从常规材料的测试向一些新型材料测试、从宏观场逐渐向细微观尺度、从常规环境向比较恶劣的环境、从实验室测试逐步向工程现场应用、从静态准静态向动态准动态等方面发展.本文简要介绍了DSCM的基本原理和数学模型,在相关搜索的改进、相关系数的选择、灰度级的重建和图像识别方面的进展以及在材料力学性能测试,微尺度变形场测量等方面的应用.最后就这一实验测量技术的几个可能的发展趋势进行了预测.      

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。     

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.     

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。     

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.     

散斑图像相关数字技术原理及应用

研究图像处理技术在散斑测量中的应用,提出了一种散斑图像相关数字技术,该方法引进了亚像素技术,采用重心算法计算特征斑的重心,避免了数字散斑相关法计算相关系数的繁复过程;应用位移和应变的有关公式,可以获得物体变形实验曲线,实验结果表明,该方法在工程实际现场、振动过程以及变形测量的自动化等方面有着广泛的应用潜力,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。     

数字剪切散斑相关条图的形成及其分析

本文提出了用线性相关计算形成高可见度的数字剪切散斑相关条纹图的方法,为上关条纹图的自动分析奠定了良好的基础,文中还推导了附加位相与物光反射镜转角的关系,使精确地计算附加位相成为可能。同时还介绍了任意附加位相的三步相移技术,最后给出了用线性相关计算法形成的相关条纹图及计算出的位相图。     

数字剪切散斑相关条纹图的形成及其分析

本文提出了用线性相关计算形成高可见度的数字剪切散斑相关条纹图的方法,为相关条纹图的自动分析奠定了良好的基础。文中还推导了附加位相与物光反射镜转角的关系,使精确地计算附加位相成为可能。同时还介绍了任意附加位相的三步相移技术。最后给出了用线性相关计算法形成的相关条纹图及计算出的位相图。     

On the minimum size of representative volume element: An experimental investigation

In this paper, the minimum size of the representative volume element (RVE) of a heterogeneous material is determined experimentally using the digital image correlation technique. Experiments of uniaxial compression and thermal expansion were conducted on PBS 9501, a high explosive simulant material. The minimum size of the RVE of the PBS 9501 heterogeneous material, where the average crystal diameter of the material is of the order of 100 μm, was determined to be approximately 1.5 mm. This result is consistent with numerical calculations on polycrystalline materials and some other composites.     

透明试样受集中载荷的应力应变同步测量方法

本文提出了一种结合数字梯度敏感（digital gradient sensing, DGS）方法和数字图像相关（digital image correlation, DIC）方法,可实现平面应力状态下透明试样受集中载荷的应力应变同步测量方法。分别在透明试样和散斑板表面制备蓝色和红色的荧光散斑,然后利用3CCD相机分离试样和散斑板上特定光谱的荧光散斑,从而实现前后两个散斑图像的独立成像。分别计算可得到透明试样的应变和应力梯度场。通过展开半平面集中力加载实验,进行实验结果与解析值的对比,验证了此方法的可行性。

     

基于数字图像体相关的物体内部三维位移场分析

在二维数字图像相关算法的基础上,推导了三维数字图像体相关算法,并应用于物体内部的三维位移场分析。用计算机模拟方法对SR-CT重建的物体内部三维图像施加已知变形,对变形前后三维数字图像进行体相关运算,获得三维位移场。在计算亚像素位移时,本文提出了一种三维的基于灰度梯度的算法,给出了梯度函数,阐述了数字模拟三维体相关的计算过程,通过数字模拟实验证明了算法的正确性和可靠性。     

Advances in light microscope stereo vision

The increasing research focus on small-scale mechanical systems has generated a need for deformation and strain measurement systems for microscale applications. Optical measurement systems, such as digital image correlation, present an obvious choice due to their non-contacting nature. However, the transfer of measurement technology developed for macroscale applications to the microscale presents unique challenges due to the differences in the required highmagnification optics. In this paper we illustrate the problems involved in calibrating a stereo microscope using traditional techniques and present a novel methodology for acquiring accurate, three-dimensional surface shape and deformation data on small-scale specimens. Experimental results demonstrate that stereo microscope systems can be accurately and reliably calibrated using a priori distortion estimation techniques in combination with traditional bundle-adjustment. The unique feature of the present methodology is that it does not require a precision calibration target but relies solely on point correspondences obtained by image correlation. A variety of experiments illustrate the measurement performance of a stereo microscope system. It is shown that the surface strains obtained from the full-field, three-dimensional measurements on tensile specimens undergoing large rigid-body motions are within ±50 microstrain of strain gage measurements for strains ranging from 0 to 2000 microstrain. H. W. Schreier was a PhD Student from Ecole Mines des Albi in France     

Full-field Thermal Deformation Measurements in a Scanning Electron Microscope by 2D Digital Image Correlation

Using recently developed methods for application of a nano-scale random pattern having high contrast during SEM imaging, baseline full-field thermal deformation experiments have been performed successfully in an FEI Quanta SEM using 2D-DIC methods. Employing a specially redesigned commercial heating plate and control system, with modified specimen attachment procedures to minimize unwanted image motions, recently developed distortion correction procedures were shown to be effective in removing both drift and spatial distortion fields under thermal heating. 2D-DIC results from heating experiments up to 125°C on an aluminum specimen indicate that (a) the fully corrected displacement components have nearly random variability and a standard deviation of 0.02 pixels (≈25 nm at 200× and ≈0.5 nm at 10,000×) in each displacement component and (b) the unbiased measured strain fields have a standard deviation ≈150 × 10⁻⁶ and a mean value that is in good agreement with independent measurements, confirming that the SEM-DIC based method can be used for both micro-scale and nano-scale thermal strain measurements.

一种考虑旋转位移分量的数字图像相关法及其精度分析

提出了一种新的考虑旋转位移分量的数字图像相关法[CD2]旋转相关匹配法,其特点是先对图像子区进行预旋转,再进行相关匹配、相关系数、整像素和亚像素位移的计算。在物体产生旋转位移分量时,该方法可有效提高变形前后图像子区间的相关系数和位移计算精度。通过斜拉伸、剪切和悬臂梁弯曲实验,对旋转相关匹配法和直接相关匹配法进行了对比研究,并用灰度梯度法计算旋转后新图像子区和变形后图像子区间的亚像素位移。结果表明,在旋转位移分量小于10°的情况下,相比于直接相关匹配法,旋转相关匹配法可以得到更高的相关系数;在用灰度梯度法计算亚像素位移条件下,位移精度与试件位移不产生旋转时的直接相关匹配相当。     

数字图像相关计算中的识别函数构造

本文通过建立数字图像相关检测的数学模型和构造新的识别函数。解决了在确定图像位移时图像之间伴随有较大刚体转动情况下的相关检测问题。为利用数字图像相关计算。进行微细观层次上的位移和变形测量提供了一种途径。     

一种基于预变形辅助前向加性高斯牛顿法的数字图像相关方法

尽管数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)方法已经取得了显著进展,但提高DIC的测量精度仍然是关键问题之一,特别是在非均匀变形条件下。本文将变形分解为预变形和后变形两部分,进而将DIC位移求解过程分解为两个子过程：预变形估计和后变形迭代。借助预变形辅助策略将前向加性高斯牛顿(Forward Additive Gauss-Newton, FA-GN) 算法推广为pFA-GN (Pre-deformation FA-GN, pFA-GN) 算法。数值实验结果表明,本文提出的pFA-GN算法显著提高了DIC在非均匀变形条件下的测量精度。     

骨细胞培养过程对羟基磷灰石力学性质影响的研究

采用数字图像相关方法研究骨细胞对人造羟基磷灰石力学性质的影响.采用了三种试样:羟基磷灰石试样、培养了骨细胞的羟基磷灰石试样、用戊二醛溶液浸泡的羟基磷灰石试样(与培养骨细胞同样环境但不培养骨细胞).研究得到了试样完整的应力-应变曲线;同时测出弹性模量和泊松比,还测量了压缩极限应力.实验结果表明试样的应力-应变曲线在断裂前呈良好的线性关系;戊二醛溶液不影响羟基磷灰石的弹性模量和泊松比,但会使压缩极限应力降低;骨细胞培养过程能使羟基磷灰石材料的弹性模量和强度增加(所培养的骨细胞约占表面积3.75%).对照显示,羟基磷灰石培养骨细胞后其弹性模量增加了15.2%,压缩极限应力增加了26.1%.     

数字图像相关曲面拟合法相关系数修正算法的实验研究

为了提高数字图像相关曲面拟合法亚像素定位精度,经研究发现,在实际应用中,曲面拟合法在亚像素位移为0.5像素左右时会发生较大的波动,与实际亚像素位移发生一定偏离,导致此位置位移的不连续。本文通过分析曲面拟合法亚像素位移偏离真实位移的原因,给出了具体修正方法,用模拟平移实验讨论了修正系数k和子区大小对修正结果的影响,用三点弯曲实验验证了修正方法在复杂变形情况下的有效性,提高了曲面拟合法在实际应用中的测量精度。