CN101033949A - 一种基于错位相关原理的物体应变测量方法及装置 - Google Patents

一种基于错位相关原理的物体应变测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种基于错位相关原理的物体应变测量方法和系统，含有数字成像设备、定焦镜头、楔形镜和具有双标记的被测试件。该测量方法首先在被测物体表面制作代表拉伸变形的双标记，然后采用一块楔形镜改变物体表面反射光线的方向，改变方向后的光线通过定焦镜头进入数字成像设备中，在同一个数字成像设备的靶平面上得到具有错位量的双标记的图像；通过数字相关方法计算双标记的位移得到的物体的应变。本发明有效提高了图像质量，改善了数字相关方法的精度；根据数字相关方法计算具有错位量的标记图像的位移，得到物体的应变，提高应变的求解精度。可以实现操作简单方便，在复杂工作环境下进行现场实时的高精度、大量程的无损应变测量。

Description

一种基于错位相关原理的物体应变测量方法及装置
技术领域
本发明涉及一种基于错位相关原理的物体应变测量方法及装置。
背景技术
随着材料科学技术的发展，精确的测量材料的力学性能成为了新型材料应用的必要条件。材料力学性能的测试主要通过力和应变的测量完成，其中力的大小的测量主要通过各种测力传感器来实现，而应变的测量方法则多种多样，主要有引伸计测量和各种光学方法测量，而这些传统的应变测量方法在实际应用中都存在一定的使用条件限制。
引伸计的工作原理是，将引伸计装卡于被测试件上，刀刃与试件接触，感受试件在标距内的伸长，通过变形杆使弹性元件产生应变，应变片将其转换为电阻变化量，用电阻应变仪测量电阻变化，最终得到应变信息。它的测量精度和灵敏度高、频率响应好。但是引伸计使用的时候有量程范围，当应变量过大的时候就无法测量；而且引伸计在每次试验前要用位移标定器进行标定，以检验其线性度和最大测量范围。无法实现复杂工况下的大量程的测试。
光学方法中主要有干涉方法和非干涉方法。其中：干涉方法包括全息干涉法、云纹干涉法、散斑干涉法等，这些方法主要是利用激光干涉技术，当被测试件发生变形时，在记录介质上得到包含变形信息的干涉条纹，然后通过对这些干涉条纹的分析得到被测试件的应变信息。这种方法具有灵敏度高、全场实时观测和非接触测量等优点，但是由于采用干涉原理，因此需要在隔振台上进行实验，受周围环境影响比较大，无法进行复杂工况下的现场测量。
非干涉方法主要是数字相关方法，其原理主要是考虑被测试件表面变形前后的两幅图，如图3所示。在变形前的图像中，取以所求位移点(x，y)为中心的(2M+1)×(2M+1)的矩形子区，在变形后的目标图像中通过一定的搜索方法，并按某一相关函数来进行相关计算，寻找与模板的相关系数C(u，v)为最大值的以(x′，y′)为中心的(2M+1)×(2M+1)矩形区域以确定目标的位移u，v。其中
           C(u，v)＝∏[f(x，y)，g(x′，y′)]，    (1)
这里x′＝x+u、y′＝y+v，∏是刻画f(x，y)和g(x′，y′)在某种程度上相似的函数。这种方法具有测量灵敏度高、全场实时观测和非接触测量等优点，而且采用白光照明，受环境影响低。但是由于图像放大倍数的限制，其应变求解精度不高。在文章《高精度数字图像相关测量系统及其技术研究》中，提到了一种采用双CCD技术进行数字相关测量的方法，该方法提高了数字相关方法的应变求解精度，但是由于采用两个CCD进行测试，必须对这两个CCD组成的成像系统的放大倍数进行标定，否则测量结果会有很大的误差，而这种标定过程要求严格、操作复杂、使用不方便，因此其应用也受到了一定限制。
上述各种方法，在实际应用中都存在着一定的问题，无法实现操作简单方便，可以在复杂工作环境下的现场实时的高精度、大量程的无损应变测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于错位相关原理的物体应变测量方法及装置，可以实现操作简单方便，在复杂工作环境下进行现场实时的高精度、大量程的无损应变测量。
本发明所采用的技术方案如下：一种基于错位相关原理的物体应变测量方法及装置，其特征在于该方法按如下步骤进行：
1)首先在被测物体表面制作代表拉伸变形且标距为l的双标记；然后采用一块楔形镜改变物体表面反射光线的方向，改变方向后的光线通过定焦镜头进入数字成像设备中，在同一个数字成像设备的靶平面上得到具有错位量的双标记的图像；
2)通过数字相关方法计算双标记的位移δ1和δ2，双标记变形为Δl＝δ2-δ1，得到的物体的应变为
Figure A20071009879100041
上述测量方法中：所用双标记在常温工况下采用微缩照相技术制作；在高温工况下采用机械加工或蚀刻技术制作。
上述测量方法中：楔形镜的楔角α由下边公式确定α＝arcsin(nsin(α))-arctan(l/4f)，其中n为玻璃折射率，f为定焦镜头的焦距。
本发明提供的一种基于错位相关原理的物体应变测量装置，该装置依次包括数字成像设备、定焦镜头、楔形镜和具有双标记的被测试件，所述的数字成像设备、定焦镜头、楔形镜和被测试件依次位于同一光轴上，数字成像设备的靶平面和定焦镜头的焦平面重合，楔形镜位于定焦镜头和被测试件之间的光路上。
本发明同现有方法和装置相比，具有如下优点及突出性效果：测量系统采用楔形镜改变物体表面反射光线方向，使物体表面的代表拉伸变形的双标记，通过定焦镜头成像在同一个数字成像设备的靶平面上，形成具有错位量的图像；根据数字相关方法计算具有错位量的标记图像的位移，得到物体的应变，提高应变的求解精度，可以实现操作简单方便，在复杂工作环境下进行现场实时的高精度、大量程的无损应变测量。采用新的标记制作方法，提高了图像质量，改善了数字相关方法的精度。
附图说明
图1在被测物体表面制作的双标记的示意图。
图2为本发明提供的基于错位相关原理的物体应变测量装置的结构示意图。
图3为数字相关方法的测量原理示意图。
图4数字成像设备的靶平面上具有错位量的双标记的图像。
图5确定楔形镜楔角的示意图。
图6为成像系统的光路图。
图7为被测物体表面的双标记的成像示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理和具体实施方法作进一步的说明。
图2为本发明提供的基于错位相关原理的物体应变测量装置的结构示意图。该装置依次包括数字成像设备1、定焦镜头2、楔形镜3和具有双标记的被测试件4，所述的数字成像设备、定焦镜头、楔形镜和被测试件位于同一光轴上，数字成像设备的靶平面和定焦镜头的焦平面重合，楔形镜位于定焦镜头和被测试件之间的光路上。
为了达到上述发明目的，本发明首先在被测物体表面制作代表拉伸变形的双标记(如图1所示)，其标距为l，然后采用一块楔角为α的楔形镜改变物体表面反射光线的方向，(如图2所示)，被测试件4表面的反射光线通过楔形镜3后，方向发生改变，进入焦距为f的定焦镜头2，成像到同一个数字成像设备1的靶平面上，得到具有错位量的双标记的图像(如图4所示)，根据数字相关方法测量双标记的位移，并最终得到物体的应变。
本发明中，为了提高图像质量，改善数字相关方法的精度，在被测物体表面制作代表拉伸变形的双标记，针对不同的工况采用不同的制作技术，对于常温工况下的试件，采用微缩照相的技术，将标记微缩到底版上，经过微缩其粗糙度降低，从
而得到边缘清晰的具有精细结构的标记，将其粘贴在被测试件的两端，从而得到常温工况下的双标记；对于高温工况下的试件，采用机械加工或蚀刻的技术，加工一个高精度的圆轴，将其镶嵌在试件的定位销位置上，从而得到高温工况下的双标记。
本发明中，楔形镜3的楔角α按如下方法确定，如附图5所示，通过光路将位于楔形镜右侧2f处的标距为l的双标记，成像为楔形镜左侧2f处的Q点，则有，
             nsinα＝sinα1   (2)
             tanα2＝l/4f     (3)
             α1＝α2+α           (4)
根据上述3式可以推导出楔角的大小为α＝arcsin(nsin(α))-arctan(l/4f)。
本发明中，利用上述楔角为α的楔形镜3改变物体表面反射光线方向，使得物体A的像分为A′和A″，同时成像在一个数字成像设备1的靶平面上，如附图4所示，其中区域B为在靶平面上所成的像。其成像的原理以及光路，如附图6所示，没有楔形镜的光路中物体A的表面反射的光线经过定焦镜头2成像在数字成像设备的靶平面上，形成一个实像B(如附图6a)；如果在这个光路的光轴的上半部分放置一个楔形镜，如图6b所示，则光轴下半部分的发射光线由于不受楔形镜的影响，经过定焦镜头2成像在数字成像设备的靶平面上，其所成的像和附图6a光路中的实像B相同，而光轴上半部分的反射光线会先经过楔形镜折射后再进入定焦镜头2，此时原先的反射光线的方向发生改变，向光轴下方偏转，经过定焦镜头2成像在数字成像设备的靶平面上时，所成的实像A′就位于原来的像的左下方。如果在光路里放置本发明中所用到的楔形镜3，如图6c所示，则光轴上下部分的反射光线都将经过楔形镜的折射，而发生方向改变，然后经过定焦镜头2成像在数字成像设备的靶平面上，根据对称性，上下部分的光线将在数字成像设备上形成两个实像A′和A″，这两个实像形状大小完全相同，只是位置发生错动，即具有错位量。根据楔形镜的楔角的计算过程，可以知道，经过楔形镜后所成两个实像的位置的错位量Z，与楔角α和物距b有关，当楔角α很小的时候，Z与楔角α和物距b成正比关系。在本发明，如附图7所示，具有双标记的被测物体表面的反射光线，经过楔形镜改变方向后，在数字成像设备的靶平面上形成具有错位量的像，该错位量Z就可以根据楔角α和物距b进行调整，从而使双标记同时成像在一个数字成像设备的靶平面上。
在数字成像设备靶面上得到经过楔形镜产生错位量的双标记的像后，就可以根据数字相关方法计算标记的变形，从而得到物体的应变信息。一般的数字相关方法通过靶面得到物体像没有错位量，如图1所示，分别计算标记A上和A下的变形量ΔA上和ΔA下，则物体的应变值由下式来确定
Figure A20071009879100061
数字相关方法的测量精度为0.01个像素，因此上式中ΔA上和ΔA下的精度均为0.01个像素，若数字成像设备的分辨率为800×600像素，则在数字成像设备靶平面上得到的双标记的标距l对应的像素值，最大值为800个像素，因此采用这种方法测量的应变精度为25个微应变。而采用本发明的方法，通过楔形镜改变被测物体表面反射光线方向，使物体表面的反射光线经过定焦镜头在数字成像设备的靶平面上时，所成的像为具有错位量的像，在数字成像设备的靶平面上所成像如附图4所示，采用数字相关方法计算双标记的变形量δ1和δ2，则物体的应变值由
Figure A20071009879100062
式确定，在此式中，由于采用数字相关方法δ1和δ2的测量精度不变，但是在数字成像设备靶平面上的像只有被测物体表面的双标记的像，相应的双标记的标距l对应的像素值将会大幅提高，若双标记的特征尺寸为m，则标距对应的像素值为
Figure A20071009879100063
个像素，应变的精度就应该为
Figure A20071009879100064
因此采用本发明的方法应变精度将提高
Figure A20071009879100065
倍。双标记的大小为一个确定值，通过改变被测物体表面的代表拉伸变形的双标记的标距就可以提高应变的测量精度。
因此采用本发明提到的基于错位相关原理的物体应变测量方法及装置，可以提高应变的求解精度，避免复杂的图像系统标定工作，实现了操作简单方便，可以在复杂工作环境下进行现场实时的高精度、大量程以及非接触的无损应变测量。

Claims (4)

1.一种基于错位相关原理的物体应变测量方法，其特征在于该测量方法按如下步骤进行：
1)首先在被测物体表面制作代表拉伸变形且标距为l的双标记，然后采用一块楔形镜改变物体表面反射光线的方向，改变方向后的光线通过定焦镜头进入数字成像设备中，在同一个数字成像设备的靶平面上得到具有错位量的双标记的图像；
2)通过数字相关方法计算双标记的位移δ1和δ2，双标记变形为Δl＝δ2-δ1，得到物体的应变为
2.如权利要求1所述的基于错位相关原理的物体应变测量方法，其特征在于：在常温工况下采用微缩照相技术制作；在高温工况下采用机械加工或蚀刻技术制作。
3.如权利要求1所述的基于错位相关原理的物体应变测量方法，其特征在于：楔形镜的楔角α由下边公式确定α＝arcsin(nsin(α))-arctan(l/4f)，其中n为玻璃折射率，f为定焦镜头的焦距。
4.一种实现如权利要求1所述方法的基于错位相关原理的物体应变测量装置，其特征在于：该装置依次包括数字成像设备(1)、定焦镜头(2)、楔形镜(3)和具有双标记的被测试件(4)，所述的数字成像设备、定焦镜头、楔形镜和被测试件位于同一光轴上，数字成像设备的靶平面和定焦镜头的焦平面重合，楔形镜位于定焦镜头和被测试件之间的光路上。
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