Real-Time Displacement Measurement of a Flexible Bridge Using Digital Image Processing Techniques

In this study, real-time displacement measurement of bridges was carried out by means of digital image processing techniques. This is innovative, highly cost-effective and easy to implement, and yet maintains the advantages of dynamic measurement and high resolution. First, the measurement point is marked with a target panel of known geometry. A commercial digital video camera with a telescopic lens is installed on a fixed point away from the bridge (e.g., on the coast) or on a pier (abutment), which can be regarded as a fixed point. Then, the video camera takes a motion picture of the target. Meanwhile, the motion of the target is calculated using image processing techniques, which require a texture recognition algorithm, projection of the captured image, and calculation of the actual displacement using target geometry and the number of pixels moved. Field tests were carried out for the verification of the present method. The test results gave sufficient dynamic resolution in amplitude as well as the frequency. Use of this technology for a large suspension bridge is discussed considering the characteristics of such bridges having low natural frequencies within 3 Hz and the maximum displacement of several centimeters.     

网格数字图像相关方法测量位移场的研究

本文将数字图像相关方法与古老的网格法相结合,给出了一种测量面内位移场的新方法——网格数字图像相关方法,实现了高精度的测量,精度可达0.02亚像素．在该方法中网格点采用圆标记点,使该方法特别适用于小线应变位移场的研测．本文运用Windows下的新的图像采集方法测量物体位移场,突破了Dos系统下对内存操作的限制,并使每一帧图像的像素数由512×512增至768×576,提高了图形的分辨率．     

Micro- and Nanoscale Deformation Measurement of Surface and Internal Planes via Digital Image Correlation

The digital image correlation (DIC) technique is successfully applied across multiple length scales through the generation of a suitable speckle pattern at each size scale. For microscale measurements, a random speckle pattern of paint is created with a fine point airbrush. Nanoscale displacement resolution is achieved with a speckle pattern formed by solution deposition of fluorescent silica nanoparticles. When excited, the particles fluoresce and form a speckle pattern that can be imaged with an optical microscope. Displacements are measured on the surface and on an interior plane of transparent polymer samples with the different speckle patterns. Rigid body translation calibrations and uniaxial tension experiments establish a surface displacement resolution of 1 μm over a 5×6 mm scale field of view for the airbrushed samples and 17 nm over a 100×100 μm scale field of view for samples with the fluorescent nanoparticle speckle. To demonstrate the capabilities of the method, we characterize the internal deformation fields generated around silica microspheres embedded in an elastomer under tensile loading. The DIC technique enables measurement of complex deformation fields with nanoscale precision over relatively large areas, making it of particular relevance to materials that possess multiple length scales.     

数字图像相关分析法增量位移场测试技术

利用位移场的连续性,对亚像素位移场的算法进行了一些改进,设计了一套分步计算位移场、应变场的测量计算方法,较好地解决了数字图像相关分析法计算精度和效率.采用增量位移场叠加的方法计算大应变位移场,采用局部平面拟合的方法计算应变场.通过对高分子材料拉伸试验位移场的测量和结果标定,说明该方法具有较强的实用性和计算精度.同时,由于避免了对亚像素点的搜索,大大提高了计算效率.     

二维数字图像相关测量中离面位移引起的误差分析

二维数字图像相关方法作为一种非接触全场变形测量的光学方法,在工程上有着广泛的应用.由于其假设物体只发生面内位移,而实验中往往存在离面位移,从而引起测量误差.本文针对这一问题利用了针孔模型,从理论上分析了离面位移对普通镜头测量结果的影响,通过铝块平移实验验证了理论分析的正确性.利用提出的理论模型修正橡胶材料的变形测量结果,并与远心镜头测量结果进行对比,发现修正后的普通镜头测量的结果更接近远心镜头测量的结果.最后,本文根据理论分析和实验验证,给出了减小或消除离面位移造成误差的方法.     

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。     

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。     

数字图像相关方法在桥梁裂缝变形监测中的应用

本文结合工程实际背景分析了数字图像相关方法应用在桥梁裂缝变形监测中的可行性及优越性。根据桥梁裂缝变形的特点采用数字图像处理技术中的位移梯度法进行所选区域的相关匹配搜索并对相关系数的计算公式加以改进。使实验过程得以简化。计算结果全场化、直观化。本文对数字图像处理软件的测量精度和在实际测量中的测试误差进行了分析和研究。证明该软件能够更加精确地测定裂缝在各种荷载作用下的变形量值．实际的桥梁测试也验证了该方法的可行性和优越性。若图像记录设备的分辨率是12．47pixel／mm(0．0802ram／pixel)。本文所涉及到的桥梁裂缝边缘的位移测试精度为0．000802mm。     

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。     

用数字散斑相关法研究聚氨酯泡沫塑料的压缩力学性能

提出了一种改进的数字散班相关计算方法，使其能直接进行应变迭代，灵敏度可达１０００με，并对它进行了验证试验。对于两种不同密度的聚氨酯泡沫塑料，采用改进的数字散斑相关法对其压缩力学性能进行了测试，得到了其应力——应变关系及弹性模量等力学参数。     

基于双线性位移模式数字图像相关方法的误差分析及应用

探讨数字图像相关方法测试结果的误差分布规律对提高该方法的测试精度具有重要意义。本文从理论上分析了基于双线性位移模式数字图像相关方法的子区变形场测试误差分布规律,结果表明,当试件的真实变形可由双线性位移模式描述时,变形场最大测试误差通常出现在子区的边界或节点处。因此,若试件发生均匀拉伸等常应变变形,可利用相关系数选取一个最优子区,认为测得最优子区中心应变为试件真实应变。零变形实验验证了该测试方法的可靠性。最后对手机导光板试件在单轴拉伸载荷下的数字图像进行分析,并利用本文方法测试了其弹性常数。     

数字体图像相关方法中基于迭代最小二乘法的物体内部变形测量

本文提出一种基于迭代最小二乘法的亚体素位移测量算法.该算法模型结合了符合实际情况的线性灰度变化模型和线性位移映射函数,采用仅需变形后体图像一阶灰度梯度的迭代最小二乘法计算亚体素位移和位移梯度.由于该算法采用的模型符合实际情况,因而具有更高的位移测量精度和更广泛的适用性.此外,由于仅需变形后体图像的一阶灰度梯度,无需计算...     

Structural Analysis of Steel to Aluminum Welded Overlap Joint by Digital Image Correlation

In this paper, the structural analysis of steel to aluminum overlap joint is performed with digital image correlation. For this, it is necessary (i) to find the mechanical response in the two sheets after welding and (ii) to find some structural information in order to assess modeling. Because the overlap joint is a peculiar structure with non uniform stress distribution, finite element seems to impose itself in order to assess failure. Thus, local mechanical behavior must be identified. Digital image correlation is an accurate method of identifying material behavior after welding. Once identified, the mechanical response is introduced in a model. Structural finite element model is then compared with some structural experimental measurements (strain field and out of plane displacement field).     

基于数字图像相关的转速测量方法

针对转动机构运动学参量测量问题,基于数字图像相关技术,本文提出了转角、转速、速度瞬心等运动学参量的测量方法。利用模拟散斑图进行方法可靠性分析,结果表明,若取多个区域测试结果的平均值作为可靠测试结果,则转角测试精度可达0.01°,瞬心位置测试精度可达亚像素量级。搭建转速图像测试系统,并测试了电机转轴的转速与速度瞬心。实验结果进一步表明,基于数字图像相关的转速测量方法在实际工程测量中具有较高的精度与稳定性。     

“Finite-Element” Displacement Fields Analysis from Digital Images: Application to Portevin–Le Châtelier Bands

A new methodology is proposed to estimate displacement fields from pairs of images (reference and strained) that evaluates continuous displacement fields. This approach is specialized to a finite-element decomposition, therefore providing a natural interface with a numerical modeling of the mechanical behavior used for identification purposes. The method is illustrated with the analysis of Portevin–Le Chatelier bands in an aluminum alloy sample subjected to a tensile test. A significant progress with respect to classical digital image correlation techniques is observed in terms of spatial resolution and uncertainty.     

基于数字散斑相关实验测量的材料构型力的计算方法

材料构型力学主要研究材料中的缺陷(夹杂、空穴、位错、裂纹、塑性区等)的构型(形状、尺寸和位置)改变时,所引起的系统自由能的变化。本研究将基于数字散斑相关技术,实验测量材料试件的位移场分布,随后通过材料构型力的定义式,计算求得弹塑性材料中缺陷构型力的分布。其方法概括如下:位移场通过数字图像相关技术测得;应变及位移梯度场利用三次样条拟合获得;线弹性材料应力通过简单线弹性本构方程获取,而塑性材料的表面应力场通过Ramberg-Osgood本构方程计算求得;弹塑性应变能密度分布则由应力-应变曲线数值积分获得。该方法对普通弹性材料或者弹塑性材料均适用,可以用于各种不同的缺陷及缺陷群的材料构型力测量。     

散斑图像相关数字技术在薄壁钢管混凝土长柱变形测量中的应用

薄壁钢管混凝土构件作为新发展的组合构件,对其研究具有非常重要的意义。文中首先介绍了散斑图像相关数字技术的基本原理,然后给出了变形计算公式。为弥补传统测量方法的不足,在薄壁钢管混凝土长柱偏压破坏实验中,引入了散斑图像相关数字技术,对长柱跨中截面的全过程变形(位移)进行了测量,并对测量结果进行了分析与讨论,同时还与传统测量方法所得结果进行了对比分析。实验结果与分析表明:该方法具有较高的精度和工程可用性,可克服传统测量方法中的一些弊端,且对实验设备和测量环境要求不高,很适合现场非接触测量。     

基于三维DIC方法的高强钢拉伸力学性能测定

高强度钢在建筑等工程领域发挥着极为重要的作用,因此准确测定其力学性能具有至关重要的意义．鉴于传统机械引伸计在小尺寸试样变形测试中的不便性,利用三维数字图像相关(3D-DIC)方法,对8.8级螺栓和Q690钢这两类试样在单轴拉伸试验全过程中的变形进行了测试,分别得到了应力-应变曲线、弹性模量、屈服强度、强度极限、断后延伸率和断面收缩率,由于试样在屈服阶段应变增加而应力基本不变,因此同时研究了该阶段中试样从弹性变形演化到塑性变形的发展规律．实验结果表明三维DIC在小尺寸试样力学性能测试方面具有很强的优越性,可用来灵活地测量变形并研究变形的演化规律．     

三维DIC在铸铁拉伸试验中的应变测量精度研究

基于三维数字图像相关方法(3D-DIC)的拉伸实验研究了铸铁的拉伸力学性能,分别得到了应力-应变曲线、弹性模量、抗拉强度、延伸率等拉伸力学性能参数．将3D-DIC应力-应变的测试结果与目前实验中使用广泛的接触式引伸计方法的实验结果作了对比,得到两者的应力-应变曲线基本重合,弹性模量相差不超过4%．此外,还对3D-DIC和机械引伸计的应变绝对误差和相对误差作了详细比较,实验表明3D-DIC在铸铁拉伸力学性能测试中具有足够的应变测量精度,完全可以取代传统引伸计成为一种有效的非接触式变形测量手段．     

数字图像相关的噪声导致系统误差及散斑质量评价标准

数字图像相关中散斑质量评价标准应该综合考虑系统误差和随机误差的作用。之前的工作考虑了无图像噪声情况下插值引起的系统误差,本文则进一步研究了有图像噪声情况的系统误差,并与随机误差综合考虑提出了完善的散斑质量评价参数。本文推导了有噪声情况下系统误差的解析形式,揭示了噪声引入系统误差产生的内在本质在于插值引起噪声不确定性对亚像素位置的依赖。依据理论分析,插值噪声耦合函数的概念被引入,它由插值基函数平移平方和的斜率决定,表征了噪声引入系统误差随亚像素位置的变化。插值耦合函数将之前的研究成果纳入统一的理论体系,并从本质上解释了高阶B-样条插值对应的噪声引起系统误差较小的现象。数值模拟与本文的理论分析显示一致,在真实的亚像素平移实验验证中,本文将公式推广到非均匀噪声情况,并与实验结果获得了较好的吻合。基于对系统误差的理论分析,综合考虑系统误差和随机误差影响,提出了两种计算误差评估参数:总误差的最大值和平方平均值,并提出了快速估计算法且通过数值模拟进行了验证。计算误差评估参数实际也是一种散斑质量评价参数,提出的评估参数弥补了现存散斑质量评价参数未足够考虑插值影响的缺陷,是更完善的散斑质量评价标准。本文应用新提出的散斑评价参数对一些常见散斑图进行了评价,并将其用于对模拟散斑图的优化。