CN105758719A - 一种基于双镜反射的均匀应变光学测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双镜反射的均匀应变光学测量装置，包括光源、第一反射镜、第二反射镜、摄像机和处理器；光源用于产生非相干光，照射被测样品的第一被测面和第二被测面，第一被测面和第二被测面相互平行，且第一被测面和第二被测面均与摄像机光轴平行；第一反射镜，用于使第一被测面经其反射至摄像机镜头并成像；第二反射镜，用于使第二被测面经其反射至摄像机镜头并成像；摄像机，用于在同一幅图像中同时采集第一被测面和第二被测面的图像，并传输至处理器进行处理，得到被测样品的应变。本发明还公开了一种基于双镜反射的均匀应变光学测量装置的测量方法，本发明能够对有初始弯曲的被测样品进行无损测量，修正离面刚体位移引起的虚假应变。

Description

一种基于双镜反射的均匀应变光学测量装置及方法

技术领域

本发明涉及均匀应变测量技术领域，特别是一种基于双镜反射的均匀应变光学测量装置及方法。

背景技术

一直以来，单轴加载试验是材料基本性能测试中最常用也是最可靠的方法之一，利用单轴试验可以对被测样品的拉伸应变、弹性模量、泊松比等力学参数进行测量。在单轴试验中，传统上采用电阻应变片、引伸计等接触式方法对被测样品的应变进行测量。然而，接触式测量在一定程度上阻碍了样品表面的变形，且易对样品表面造成损伤，在越来越多的新材料检测领域不能被接受。用于类似单轴试验的非接触测量方法中，激光干涉计量由于对隔震条件和测量环境要求苛刻使其应用受到限制，已经商品化的视频引伸计具有光学测量的优势，其测量结果却极易受到被测样品离面位移的干扰，从而与真实数据严重偏离。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于双镜反射的均匀应变光学测量装置及方法，使用该测量装置进行均匀应变测量时，可以使得被测样品表面无损、测量结果稳定，而且可以消除由于被测样品表面产生离面刚体位移而引起的虚假应变，以及被测样品初始弯曲带来的影响，使测量结果更加准确。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明所述的一种基于双镜反射的均匀应变光学测量装置，包括光源、第一反射镜、第二反射镜、摄像机和处理器；其中，

光源用于产生非相干光，非相干光照射被测样品的第一被测面和第二被测面，第一被测面和第二被测面相互平行，且第一被测面和第二被测面均与摄像机的光轴平行；

第一反射镜，用于使第一被测面经其反射成像至摄像机的镜头上；

第二反射镜，用于使第二被测面经其反射成像至摄像机的镜头上；

摄像机，用于将采集到的第一被测面的图像和第二被测面的图像传输至处理器进行处理，得到被测样品的应变。

作为本发明所述的一种基于双镜反射的均匀应变光学测量装置进一步优化方案，所述第一反射镜和第二反射镜为相同规格的反射镜，且大小相等。

作为本发明所述的一种基于双镜反射的均匀应变光学测量装置进一步优化方案，第一反射镜和第二反射镜是对称设置在被测样品的两侧。

作为本发明所述的一种基于双镜反射的均匀应变光学测量装置进一步优化方案，所述第一反射镜与被测样品的第一被测面成45度角，第二反射镜与被测样品的第二被测面成45度角。

作为本发明所述的一种基于双镜反射的均匀应变光学测量装置进一步优化方案，所述处理器为计算机。

基于一种基于双镜反射的均匀应变光学测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤1、在被测样品的第一被测面、第二被测面上分别制造特征图案；

步骤2、在被测样品发生变形前，采集变形前的第一被测面和第二被测面的图像；在变形前的第一被测面的图像中选取两个特征点，两特征点连线方向与应变方向平行，这两特征点间距为第一标距；在变形前的第二被测面的图像中也选取两个特征点，两特征点连线方向与应变方向平行，这两特征点间距为第二标距；

步骤3、在被测样品发生变形后，采集得到变形后的第一被测面和第二被测面的图像，分别测量出被测样品的两个被测表面的应变；具体如下：

根据变形后的第一被测面的图像，利用数字图像相关算法分别计算出两个特征点的绝对位移，将这两个特征点的绝对位移相减得出两个特征点的相对位移，两个特征点的相对位移再除以第一标距即得到第一被测面的应变；

根据变形后的第二被测面的图像，利用数字图像相关算法分别计算出两个特征点的绝对位移，将这两个特征点的绝对位移相减得出两个特征点的相对位移，两个特征点的相对位移再除以第二标距即得到第二被测面的应变；

步骤4、测量出被测样品的应变：将步骤3中计算出的第一被测面的应变和第二被测面的应变进行算术平均，即得到被测样品的应变。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）被测样品表面无损；与工业领域中以位移计为代表的传统的接触式测量技术相比，本发明采用是光学测量技术，不需要与被测样品表面接触，因而对被测样品的表面没有损伤，也不会阻止其变形；

（2）测量结果稳定；激光干涉测量方法灵敏度虽高，却因为对于隔振和测量环境的高要求而被通常局限在特定环境内；本发明采用不需要激光干涉的特征点识别方法来进行数字图像的数据处理，对于隔振的要求大大降低，测量结果比激光干涉测量技术更加稳定；

（3）消除了离面位移的影响；现有的非接触均匀应变测量方法的测量结果都会受到被测样品离面位移引起的虚假应变的严重干扰；本发明的测量方法对被测样品的前后两个被测面同时进行测量，消除了离面位移引起的虚假应变的影响，使测量结果更加真实可信；

（4）消除了被测样品初始弯曲带来的影响；被测样品轻微的初始弯曲在单轴试验中普遍存在，却对测量结果产生较大影响；存在轻微初始弯曲的被测样品在受拉使会额外承受一定弯矩，使得正面和背面的应变不一致，且正面和背面的应变与真实应变都存在一定差距；本发明通过将正面和背面的应变进行算术平均，消除了额外弯矩对应变产生的影响，仅保留轴向载荷产生的应变，使测量结果更加接近真实情况。

附图说明

图1是本发明的测量装置结构示意图。

图2是本发明的被测样品的被测面位置示意图。

图中的附图标记：1-摄像机，2-第一反射镜，3-第二反射镜，4-被测样品，5-计算机，401-被测样品4的第一被测面，402-被测样品4的第二被测面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1和图2所示，本发明的一种基于双镜反射的均匀应变光学测量装置，包括设有镜头、光圈调节装置和聚焦调节装置的摄像机1、第一反射镜2、第二反射镜3、被测样品4和计算机5。被测样品4的侧面与摄像机1的镜头相对，被测样品4的前后两个被测表面401和402相互平行，且均与摄像机1的光轴平行；第一反射镜2与被测样品4的第一被测面401相对，与第一被测面401约成45度角，且第一反射镜2远离摄像机1的一个端部更加靠近被测样品4；第二反射镜3与被测样品4的第二被测面402相对，与第二被测面402约成45度角,且第二反射镜3远离摄像机1的一个端部更加靠近被测样品4；被测样品4的第一被测面401经过第一反射镜2反射进入摄像机1的镜头；被测样品4的第二被测面402经过第二反射镜3反射进入摄像机1的镜头；摄像机1与计算机5连接。

第一反射镜2和第二反射镜3为相同规格的反射镜，大小相等；而且第一反射镜2和第二反射镜3所处的位置关于被测样品4对称，到被测样品4的距离相等。

上述的基于双镜反射的均匀应变光学测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤1、在被测样品的第一被测面、第二被测面上分别制造特征图案；

步骤2、在被测样品发生变形前，采集变形前的第一被测面和第二被测面的图像；在变形前的第一被测面的图像中选取两个特征点，两特征点连线方向与应变方向平行，这两特征点间距为第一标距；在变形前的第二被测面的图像中也选取两个特征点，两特征点连线方向与应变方向平行，这两特征点间距为第二标距；

步骤3、在被测样品发生变形后，采集得到变形后的第一被测面和第二被测面的图像，分别测量出被测样品的两个被测表面的应变；具体如下：

根据变形后的第一被测面的图像，利用数字图像相关算法分别计算出两个特征点的绝对位移，将这两个特征点的绝对位移相减得出两个特征点的相对位移，两个特征点的相对位移再除以第一标距即得到第一被测面的应变；

根据变形后的第二被测面的图像，利用数字图像相关算法分别计算出两个特征点的绝对位移，将这两个特征点的绝对位移相减得出两个特征点的相对位移，两个特征点的相对位移再除以第二标距即得到第二被测面的应变；

步骤4、测量出被测样品的应变：将步骤3中计算出的第一被测面的应变和第二被测面的应变进行算术平均，即可得到被测样品的应变。

在步骤3中，数字图像相关算法为现有技术。例如，期刊名称为《光学学报》，2013年04期，公开了名称为《使用双远心镜头的高精度二维数字图像相关测量系统》的文章中公开了数字图像相关算法。

本发明使用摄像机对被测样品表面进行观测，天然具有光学测量方法的无损、非接触、速度快的优点。另外，不同于激光干涉法对于隔震和测量条件要求极高，本发明不需要激光干涉而仅使用白光进行照明，因此不需要特殊的隔震设备，也大大降低了对于测量环境的要求。

本发明并没有利用摄像机直接对准被测样品对其表面进行成像，而是将被测样品的前后两个被测面通过双镜反射的方式同时在摄像机中进行成像。如果直接利用摄像机对被测样品表面进行成像，那么同一时间只能对被测样品两个被测面其中的一个进行观测。这种测量方法：1）无法消除测量过程中被测面离面位移引起的虚假应变；2）对于具有初始弯曲变形状态的被测样品来说，在加载过程中，其力学状态除了承受轴向载荷之外，还等效于受到一个额外弯矩载荷的作用，前后两个被测面上的应变测量结果均受到污染，从而使测量结果与真实数据相差较大。而本发明采用了双镜反射的技术路线，可同时对被测样品的前后两个被测面进行观测，将两个被测面的测量结果进行平均，作为被测样品的应变测量结果，其优势在于：1）如果其中一个被测面产生了离面刚体位移，则另一个被测面必定产生相反的离面刚体位移，从而前后两个被测面的离面刚体位移可以抵消，使得被测样品在加载过程中产生的离面刚体位移引起的虚假应变能够消除；2）具有初始弯曲变形状态的被测样品在加载过程中，等效于受到一个额外的弯矩的载荷作用，而等效弯矩在前后两被测面上引起的轴向应变大小相等、符号相反，因而本发明将两被测面的应变测量结果进行算术平均，则可以将等效弯矩引起的轴向应变完全抵消，消除了被测样品初始弯曲变形状态对应变测量结果的影响。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于双镜反射的均匀应变光学测量装置，其特征在于，包括光源、第一反射镜、第二反射镜、摄像机和处理器；其中，

光源用于产生非相干光，非相干光照射被测样品的第一被测面和第二被测面，第一被测面和第二被测面相互平行，且第一被测面和第二被测面均与摄像机的光轴平行；

第一反射镜，用于使第一被测面经其反射成像至摄像机的镜头上；

第二反射镜，用于使第二被测面经其反射成像至摄像机的镜头上；

摄像机，用于将采集到的第一被测面的图像和第二被测面的图像传输至处理器进行处理，得到被测样品的应变。

2.根据权利要求1所述的一种基于双镜反射的均匀应变光学测量装置，其特征在于，所述第一反射镜和第二反射镜为相同规格的反射镜，且大小相等。

3.根据权利要求1所述的一种基于双镜反射的均匀应变光学测量装置，其特征在于，第一反射镜和第二反射镜是对称设置在被测样品的两侧。

4.根据权利要求1所述的一种基于双镜反射的均匀应变光学测量装置，其特征在于，所述第一反射镜与被测样品的第一被测面成45度角，第二反射镜与被测样品的第二被测面成45度角。

5.根据权利要求1所述的一种基于双镜反射的均匀应变光学测量装置，其特征在于，所述处理器为计算机。

6.基于权利要求1所述的一种基于双镜反射的均匀应变光学测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、在被测样品的第一被测面、第二被测面上分别制造特征图案；

步骤2、在被测样品发生变形前，采集变形前的第一被测面和第二被测面的图像；在变形前的第一被测面的图像中选取两个特征点，两特征点连线方向与应变方向平行，这两特征点间距为第一标距；在变形前的第二被测面的图像中也选取两个特征点，两特征点连线方向与应变方向平行，这两特征点间距为第二标距；

步骤3、在被测样品发生变形后，采集得到变形后的第一被测面和第二被测面的图像，分别测量出被测样品的两个被测表面的应变；具体如下：

根据变形后的第一被测面的图像，利用数字图像相关算法分别计算出两个特征点的绝对位移，将这两个特征点的绝对位移相减得出两个特征点的相对位移，两个特征点的相对位移再除以第一标距即得到第一被测面的应变；

根据变形后的第二被测面的图像，利用数字图像相关算法分别计算出两个特征点的绝对位移，将这两个特征点的绝对位移相减得出两个特征点的相对位移，两个特征点的相对位移再除以第二标距即得到第二被测面的应变；

步骤4、测量出被测样品的应变：将步骤3中计算出的第一被测面的应变和第二被测面的应变进行算术平均，即得到被测样品的应变。