CN105486244B - 基于超高精度数字图像测量的二维应变测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超高精度数字图像测量的二维应变测量系统，包括中控电脑、标志点模具、摄像头组和显微镜头组；所述标志点模具上具有呈二维布设的三组特征标志孔，其用于贴在被测试件上以确定出被测试件的三组特征标志点；所述摄像头组包括三个摄像头，所述显微镜头组包括三个显微镜头，所述三个显微镜头对应安装在三个摄像头上，以对应测量所述被测试件的三组特征标志点；所述中控电脑与所述三个摄像头通讯连接，以根据所述三个摄像头的测量结果计算所述被测试件的二维应变，并输出二维应变结果。本发明实现了全程自动化，去除了使用移测显微镜测量定标线间距的过程，提高了测量效率，并且从一维应变测量扩展为二维应变测量，提升了准确度。

Description

基于超高精度数字图像测量的二维应变测量系统

技术领域

本发明属于应变测量技术领域，具体涉及一种基于超高精度数字图像测量的二维应变测量系统。

背景技术

传统的应变测量方法是在试件表面粘贴应变片，通过应变片的拉伸、压缩所产生的电信号的改变来测量其应变，这种方法是一种直接接触的测量方法，该方法对贴应变片的实验员要求较高，并且在应变片与被测试件之间的粘结剂粘结效果、厚度等对测量结果有多大影响不得而知，特别是在冲击等动态作用下，粘结剂本身的材料响应对被测材料与应变片之间的响应影响是不可以忽视的。再者，很多测试材料是非常不规则的、表面也是凹凸不平的、甚至有的是难以黏贴的，因此传统的应变片在这些情况下难以满足测试要求。而且，试验现场应变片需要粘贴、焊接，还需要配备应变仪、采集仪等，应变片也是一次性的，因此试验成本相对较高。

随着数码硬件的飞速发展，数字图像测量方法逐渐显示出其独特的优势，它是一门新的测量方法，该方法具有测量多样化，测量成本低、操作简单，无需专业的实验员，而且对材料没有任何影响等优点，因此数字图像测量方法在很多领域中都具有广阔的应用前景。

自从1982年，Yamaguchi和Peters各自提出了数字图像相关测量技术以来，数字图像得到了广泛的发展。随后Gong Maohan在对激光散斑相关性和位移的关系的研究基础上指出，白光比激光更适合数字图像相关方面的运算。为了进一步提高计算精度，提出了双线性插值法、样条函数法、多项式法以及形心法等多种方法来得到图像的亚像素。相关算法从理论上来看其精度达到0.01像素甚至更高，但实际的图像由于大量的噪声，其精度难以稳定在0.01像素。数字散斑相关测量系统具有抗噪声干扰能力，该项技术能够消除图像噪声，使得精度稳定在0.01像素。现有的散斑数字图像相关的平面全场应变测量方法已经比较成熟，并且相关的产品在国内外也已经广泛使用。但是，由于其测量的是全场应变，相同的分辨率下所拍摄的区域大，单位区域中的像素太低，难以保证应变测量的精度在1με范围内。杨勇等人在《高精度数字图像相关测量系统及其技术研究》论文中提出了关于一维的应变测量系统，其测量精度在1με范围内。该论文中所测量的两个标志点间距通常为100mm的平均应变，对于尺寸较小的试件难以达到1με精度。再者，该系统中在上下两个标志点处各有两根定标线，该系统在测量前需要使用移测显微镜分别测量出两定标线的间距，由于试验现场难以摆放移测显微镜，因此大大降低了测量效率。

发明内容

基于上述原因，本发明的目的在于，提出一种基于超高精度数字图像测量的二维应变测量系统，去除了使用移测显微镜测量定标线间距的过程，在能够保证测量精度的同时，提高测量效率。

具体地，本发明提出的一种基于超高精度数字图像测量的二维应变测量系统，包括中控电脑、标志点模具、摄像头组和显微镜头组；所述标志点模具上具有呈二维布设的三组特征标志孔，其用于贴在被测试件上以确定出被测试件的三组特征标志点；所述摄像头组包括三个摄像头，所述显微镜头组包括三个显微镜头，所述三个显微镜头对应安装在三个摄像头上，以对应测量所述被测试件的三组特征标志点；所述中控电脑与所述三个摄像头通讯连接，以根据所述三个摄像头的测量结果计算所述被测试件的二维应变，并输出二维应变结果。

在本发明的进一步优选方案中，所述三组特征标志孔中的每一组包括呈“十”字布设的五个特征标志孔。

在本发明的进一步优选方案中，每一组特征标志孔所限定的测量范围为10mm×10mm。

在本发明的进一步优选方案中，各个特征标志孔的直径为0.1mm；布设在同一行或同一列的两组特征标志孔的中心间距为1cm。

在本发明的进一步优选方案中，所述确定出被测试件的三组特征标志点具体是，采用涂料通过标志点模具的三组特征标志孔在被测试件上喷涂出三组特征标志点。

在本发明的进一步优选方案中，计算所述被测试件的二维应变具体是，通过计算所述摄像头组测量到的被测试件样本图像中的灰度值的变化计算所述被测试件的偏移量。

在本发明的进一步优选方案中，计算所述被测试件的二维应变的公式如下：

ε_α＝ε_xcosα+ε_ysinα

其中，ε_α为所述被测试件在任意方向的二维应变值，α为应变方向与水平方向的夹角，ε_x为所述被测试件在水平方向的应变值，ε_y为所述被测试件在竖直方向的应变值。

在本发明的进一步优选方案中，所述输出二维应变结果包括绘制二维应变曲线。

在本发明的进一步优选方案中，所述摄像头组的图像分辨率为3288×4384。

在本发明的进一步优选方案中，所述中控电脑的图像识别分辨率为0.01像素。

有益效果：本发明提出的超高精度数字图像测量的二维应变测量系统，实现全程自动化，去除了使用移测显微镜测量定标线间距的过程，测量精度能够保证在1με范围内，提高了测量效率，并且从一维应变测量扩展为二维应变测量，相对于一维测量能够获得更全面的数据，提升了精度和准确度。

附图说明

图1是实施例提出的基于超高精度数字图像测量的二维应变测量系统的整体结构原理示意图。

图2是实施例中标志点模具的结构原理示意图。

图3是实施例中利用图2的标志点模具喷涂出的一组特征标志点示意图。

图4是实施例中利用图2的标志点模具喷涂出三组特征标志点过程示意图。

图中：10-中控电脑，21、22、23-摄像头，31、32、33-显微镜头，40-被测试件，50-标志点模具。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解，下面将结合附图以及实施例对本发明进行进一步描述。

请参阅图1至图4，实施例提出的基于超高精度数字图像测量的二维应变测量系统，包括中控电脑10、标志点模具50、摄像头组和显微镜头组；所述标志点模具50上具有呈二维布设的三组特征标志孔(如图2所示)，其用于贴在被测试件40上以确定出被测试件40的三组特征标志点41、42、43；所述摄像头组包括三个摄像头21、22、23，所述显微镜头组包括三个显微镜头31、32、33，所述三个显微镜头31、32、33对应安装在三个摄像头21、22、23上，以对应测量所述被测试件的三组特征标志点41、42、43；所述中控电脑10与所述三个摄像头21、22、23通讯连接，以根据所述三个摄像头21、22、23的测量结果计算所述被测试件40的二维应变，并输出二维应变结果，例如输出绘制二维应变曲线。

本实施例的最佳实施方案中，摄像头组(三个摄像头21、22、23)的图像分辨率为3288×4384,中控电脑的图像识别分辨率为0.01像素；所述三组特征标志孔中的每一组包括呈“十”字布设的五个特征标志孔，如图2所示；各个特征标志孔的直径为0.1mm；布设在同一行或同一列的两组特征标志孔的中心间距为L＝1cm；每一组特征标志孔所限定的测量范围(也即摄像头21、22、23的拍摄区域)为L_x×L_y＝1.0mm×1.0mm,即水平范围L_x＝1.0mm,竖直范围L_y＝10mm。

测量原理

本实施例中，基于超高精度数字图像测量来确定测试件40的二维应变主要是，通过计算摄像头组测量到的被测试件样本图像中的灰度值的变化计算所述被测试件40的偏移量。

在测量之前，可将标志点模具50贴在被测试件40上，然后采用涂料通过标志点模具50的三组特征标志孔在被测试件40上喷涂出三组特征标志点，如图4所示。图3为一组特征标志点，为了便于区别，图3中各个特征标志点分别用1至5标出。

五个特征标志点的测量

图3中，以特征标志点5为中心，以特征标志点1、4所在的方向为x轴，以标志点1、2所在的方向为y轴建立直角坐标系。根据数字图像相关方法测量出五个特征标志点在图像中的像素位置(P_j,i，q_j,i)，其中下标j表示第j组特征标志点，j＝1,2,3，下标i为第j组特征标志点中的第i个特征标志点，i＝1,2,3,4,5。四周的特征标志点水平方向(x方向)和竖直方向(y方向)间距分别为L_x、L_y，其中L_x＝1.0mm,L_y＝1.0mm,则：

摄像头21所拍摄图像在水平方向的系统放大率为：

摄像头21所拍摄图像在竖直方向的系统放大率为：

摄像头22所拍摄图像在水平方向的系统放大率为：

摄像头22所拍摄图像在竖直方向的系统放大率为：

摄像头23所拍摄图像在水平方向的系统放大率为：

摄像头23所拍摄图像在竖直方向的系统放大率为：

当图像发生移动后，则变化后的图像像素坐标为(P′_j,i，q′_j,i)，其中i＝1，2，3，4，5，j＝1,2,3。则可以计算出各组特征标志点的水平方向和竖直方向位移：

应变测量结果

根据三个摄像头21、22、23分别测量的二维位移建立方程，可以计算出三个在各组特征标志点范围内各组特征标志点范围内的二维应变。

所述被测试件在水平方向的应变值ε_x：

所述被测试件在竖直方向的应变值ε_y：

所述被测试件在任意方向的二维应变值ε_α(α为应变方向与水平方向即x方向的夹角)：

ε_α＝ε_xcosα+ε_ysinα

精度分析

本实施例采用数字图像相关算法，其核心计算是样本图像中的灰度值，只要灰度图发生偏移，中控电脑10就可以计算出其偏移量。中控电脑的图像识别分辨率为0.01像素，摄像头组的图像分辨率为3288×4384,拍摄的区域为1mm×1mm。换算成位移后，则各个摄像头测量的水平方向位移分辨率为0.003μm，竖直方向位移分辨率为0.0023μm。水平方向应变分辨率为0.3με，竖向应变分辨率为0.23με。该精度小于1με，能够很好的满足应变测量需要。

图像最大移动的范围是±0.5mm，两个特征标志点的最大相对移动范围为±1.0mm，计算得到其应变测量范围为0～10000με。

具体测量步骤

1、将标志点模具50放置在被测试件40的表面，在其表面三组特征标志孔上喷涂产生三组独立的特征标志点，然后移除标志点模具50。

2、将分别安装有显微镜头31、32、33的三个摄像头21、22、23分别对着三组特征标志点，并保证每组特征标志点的五个特征标志点均在画面中，调整焦距。

3、通过中控电脑10对三个摄像头21、22、23采集的数据进行初始化，得到每个摄像头的系统标定系数。

4、对被测试件40进行加载试验，由中控电脑10实时采集图像并处理，绘制二维应变曲线。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于超高精度数字图像测量的二维应变测量系统，其特征在于，包括中控电脑、标志点模具、摄像头组和显微镜头组；所述标志点模具上具有呈二维布设的三组特征标志孔，其用于贴在被测试件上以确定出被测试件的三组特征标志点；所述三组特征标志孔中的每一组包括呈“十”字布设的五个特征标志孔；所述摄像头组包括三个摄像头，所述显微镜头组包括三个显微镜头，所述三个显微镜头对应安装在三个摄像头上，以对应测量所述被测试件的三组特征标志点；所述中控电脑与所述三个摄像头通讯连接，以根据所述三个摄像头的测量结果计算所述被测试件的二维应变，并输出二维应变结果，计算所述被测试件的二维应变的公式如下：

ε_α＝ε_xcosα+ε_ysinα

其中，ε_α为所述被测试件在任意方向的二维应变量，α为应变方向与水平方向的夹角，ε_x为所述被测试件在水平方向的应变值，ε_y为所述被测试件在竖直方向的应变值。

2.根据权利要求1所述的基于超高精度数字图像测量的二维应变测量系统，其特征在于，每一组特征标志孔所限定的测量范围为1.0mm×1.0mm。

3.根据权利要求2所述的基于超高精度数字图像测量的二维应变测量系统，其特征在于，各个特征标志孔的直径为0.1mm；布设在同一行或同一列的两组特征标志孔的中心间距为1cm。

4.根据权利要求3所述的基于超高精度数字图像测量的二维应变测量系统，其特征在于，所述确定出被测试件的三组特征标志点具体是，采用涂料通过标志点模具的三组特征标志孔在被测试件上喷涂出三组特征标志点。

5.根据权利要求4所述的基于超高精度数字图像测量的二维应变测量系统，其特征在于，计算所述被测试件的二维应变具体是，通过计算所述摄像头组测量到的被测试件样本图像中的灰度值的变化计算所述被测试件的偏移量。

6.根据权利要求1所述的基于超高精度数字图像测量的二维应变测量系统，其特征在于，所述输出二维应变结果包括绘制二维应变曲线。

7.根据权利要求6所述的基于超高精度数字图像测量的二维应变测量系统，其特征在于，所述摄像头组的图像分辨率为3288×4384。

8.根据权利要求1所述的基于超高精度数字图像测量的二维应变测量系统，其特征在于，所述中控电脑的图像识别分辨率为0.01像素。