CN111829448A - 一种基于镜头成像和双棱镜反射的光学引伸计及均匀应变测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于镜头成像和双棱镜反射的光学引伸计及均匀应变测试方法，该光学引伸计包括数字相机、成像镜头、第一斜方棱镜、第二斜方棱镜及数据处理装置；两个的斜方棱镜置于成像镜头和被测试样之间，每个斜方棱镜的一个反射面朝向数字相机的透镜方向，数字相机与数据处理装置相连，并提供一种基于镜头成像和双棱镜反射的均匀应变测试方法，本发明的光学引伸计使得硬件搭建更便捷，应变测试方法中标距的标定更准确，且该光学引伸计几乎不受试样离面位移的影响，实现基于单个普通镜头成像的高分辨率和高精度的应变测量。

Description

一种基于镜头成像和双棱镜反射的光学引伸计及均匀应变测 试方法

技术领域

本发明涉及一种光学引伸计均匀应变测试方法，尤其涉及一种基于镜头成像和双棱镜反射的光学引伸计均匀应变测试方法。

背景技术

应变测量对于各种材料的力学性能测定以及结构的设计具有举足轻重的意义。当前常用的应变测量方法如电阻应变片、电子引伸计或光纤应变计等接触式方法，在测量时需要在被测试样上安装元器件，容易引起损伤，使得这些方法不适用小尺寸、大变形尤其是柔性材料的检测，而这些是正是非接触测量方法得以大显身手的领域。非接触应变测量方法主要以光学(视频)引伸计为代表，目前国际知名试验机生产商如MTS、Instron都推出各自的视频引伸计产品。然而，光学引伸计的应变测量精度常常不高，限制了其应用，主要原因有两点：一是实际测试条件下试样不可避免会产生一定的离面位移，根据针孔相机模型，在成像系统的像面上将产生虚假位移和虚假应变，从而极大地降低应变测量精度和分辨率；二是受相机分辨率的限制，引伸计标距通常无法超过相机分辨率。

目前的光学引伸计在调整光路时不够方便，采用远心镜头成像会存在成本较高、放大倍率恒定的缺点，不能灵活调节，不具有通用性；采用普通镜头成像，则需要在待测试样表面粘贴一个刚性薄片，在操作上仍然比较繁琐。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的为提供一种标距的标定更准确、不受试样离面位移的影响、高分辨率和高精度的基于镜头成像和双棱镜反射的光学引伸计，本发明的第二目的为提供一种基于镜头成像和双棱镜反射的均匀应变测试方法。

技术方案：本发明的基于镜头成像和双棱镜反射的光学引伸计，包括数字相机、成像镜头、第一斜方棱镜、第二斜方棱镜及数据处理装置；

两个的斜方棱镜置于成像镜头和被测试样之间，每个斜方棱镜的一个反射面朝向数字相机的透镜方向，

被测试样表面的上部目标点依次经过上斜方棱镜的两次反射，下部目标点依次经过下斜方棱镜的两次反射之后，分别入射到普通镜头的左、右各一半透镜中；普通镜头对反射后的被测试样表面上、下目标区域同时进行成像，在数字相机靶面上形成一幅数字图像；数字相机同时拍摄两个目标区域获得一幅数字图像，并将拍摄得到的数字图像传输至数据处理模块，每个目标区域的信息各占据数字相机靶面的一半画幅，实现单个普通相机对两个分离目标图像的同时采集；光学引伸计两个目标点分别取在一幅数字图像左、右区域的水平中线上。

进一步地，两个斜方棱镜的尺寸相同。每个斜方棱镜的两个45度倾斜面为镀膜面，以增加反射性能。

两个斜方棱镜形成X形位于同一高度。成像镜头为定焦镜头或变焦镜头。数据处理装置包括标定模块、运算模块和后处理模块，标定模块用来标定分离视场中第一和第二目标点间的像素距离，运算模块根据接收到的数字图像获取第一和第二目标点沿着测量方向的位移信息，后处理模块利用运算模块获取的位移信息，结合第一和第二目标点间的像素距离获得被测试样表面的均匀应变信息。

本发明的基于镜头成像和双斜方棱镜反射的光学引伸计的均匀应变测试方法，包括如下步骤：

(a)在被测试样表面放置一把刻度尺，拍摄得到一幅数字图像，根据数字图像的刻度线读数，计算得到视场分离产生的像素距离；

(b)利用被测试样表面散斑图像；将第一目标点和第二目标点分别取在数字图像左、右区域的水平中线上，结合视场分离产生的像素距离，计算出两个目标点的初始间距s；

(c)利用数字图像相关法，得到加载过程中两个目标点的竖向位移y₁和y₂，结合两个目标点的初始间距s，计算被测表面的均匀应变大小为(y₂-y₁)/s。

步骤(b)中，将数字图像左侧上、下边界处的刻度读出并标记为K₁、K₂，在右侧图像中标记出下边界处的刻度为K₃，计算出K₁、K₃之间的图像像素距离l₁₃：

式中，l₁₂为刻度线K₁、K₂之间的像素距离，

为刻度线K₁、K₂之间的真实距离，

为刻度线K₁、K₃之间的真实距离。

步骤(b)中，将第一目标点和第二目标点分别标记为C和D，将数字图像左侧上、下边界处的刻度读出并标记为K₁、K₂，在右侧图像中标记出下边界处的刻度为K₃，第一目标点和第二目标点之间的像素距离s的计算公式如下：

式中，l₁₂为刻度线K₁、K₂之间的像素距离，

为刻度线K₁、K₂之间的真实距离，

为刻度线K₁、K₃之间的真实距离l_1C为刻度线K₁到C点的像素距离，l_3D为刻度线K₃到D点的像素距离。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

(1)无损测量：与工业领域电子引伸计、应变片等接触式测量技术相比，本发明采用了光学测量技术，无需与待测试样直接接触，无附加质量，对试样没有损害，不会限制试样变形；

(2)受离面位移影响小：两个斜方棱镜的布置可以将两个距离较远的目标点，经过光路反射汇聚到普通镜头中，且目标点选在图像水平中线处，离面位移不会引起目标点沿竖向的虚假位移和虚假应变；

(3)测量精度提升：光学引伸计的应变测量精度受限于所选标距的大小，而标距不可能超过数字相机的分辨率，这就使得应变测量精度受到限制，两个斜方棱镜的布置可以使两个目标点间的距离得到数倍的放大，因而极大提升了均匀应变的测量精度；

(4)调节方便：已有的四反射镜装置实现视场分离时，需要逐一精细调节每面反射镜的偏转角，调节过程比较麻烦，而本发明中只用到了两个斜方棱镜，极大简化了视场分离的实现步骤，且易集成为一个整体测量装置，直接与镜头连接，无需每次测量都进行调节。

附图说明

图1(a)-(b)是本发明的光学引伸计测量示意图；图1(a)为光学引伸计整体图，图1(b)为两个斜方棱镜的布置图；

图2为本发明单个斜方棱镜的成像示意图；

图3为本发明两目标点间距(即标距)的标定示意图；

图4(a)-(b)为本发明消除离面位移原理示意图，图4(a)为针孔模型，图4(b)为虚线圆上产生的等值径向虚假位移。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1(a)所示，本发明的基于镜头成像和双棱镜反射的光学引伸计，包括分别对应于两个目标点2的斜方棱镜6和斜方棱镜7、固定这两个棱镜的壳体8与固定盖板9、一台数字相机3、一个普通镜头4、一个相机三脚架5以及数据处理装置。

首先，在被测试样1上选取光学引伸计的一上一下两个目标区域，分别包含两个目标点2；将第一和第二斜方棱镜6、7按如图1(b)布置，一上一下固定在凹型壳体8中，每个棱镜两个45度斜面与被测试样1的表面都成45度(斜方棱镜成像示意图如图2所示)，且斜方棱镜6的下反射面与斜方棱镜7的上反射面位于同一高度，呈交错布置，正好对应于普通镜头4的中部位置，在前盖板9覆盖后，只能允许斜方棱镜6的上反射面和斜方棱镜7的下反射面的光线通过，这样经过上斜方棱镜6的两个反射面的反射，第一个目标点发出的光线向下平移一个距离入射到普通镜头，经过下斜方棱镜7的两个反射面的反射，第二个目标点发出的光线向上平移一个距离入射到普通镜头，这两组光线分别在相机的左、右各一半像面上分别成像。

一个普通镜头4和一台数字相机3安装在相机三脚架5上，通过调节三脚架使得普通镜头4的光轴垂直于被测试样表面；将安装好棱镜的凹型壳体8连接到普通镜头4的前部，由普通镜头4用来对被测试样1表面的两个目标点成像，利用普通镜头4在水平中线上点受离面位移作用不产生竖向虚假位移的特性，消除被测试样1离面位移带来的测量误差；一台数字相机3用来对被测试样1表面两个目标点2进行同时成像，并形成一幅数字图像，两个目标点2分别位于数字相机3图像芯片的两侧，以实现对两个目标区域图像的同时采集；可承载数字相机的三脚架5，保证能够稳定地承载数字相机3，使数字相机3的位置在一定范围内可调。

数据处理装置包括标定模块、相关运算模块和后处理模块。

数据处理装置中的标定模块是用来标定分离视场后第一目标点与第二目标点之间的像素距离，其详细标定原理如图3所示。为标定第一与第二目标点间的像素距离s，需要在试样前放置一把带有刻度的直尺，并拍摄得到一幅数字图像，作为标定图像。将该图像左侧上、下接近边界处的刻度读出并标记为K₁、K₂，类似地，在右侧图像中标记出下边界处的刻度为K₃，由于整幅图像中的镜头放大倍率是一个常数，因此可以根据下式的比例关系，计算出K₁、K₃之间的图像像素距离：

式中，l₁₂为刻度线K₁、K₂之间的像素距离，可从左侧图像中直接得到，

为刻度线K₁、K₂之间的真实距离，

为刻度线K₁、K₃之间的真实距离，这两个距离可以从刻度线的刻度读出。

由于本发明中第一目标点和第二目标点取在左、右侧图像的水平中心线上，标记为C和D。因此，从标定图像中读出刻度线K₁到C点的像素距离l_1C与刻度线K₃到D点的像素距离l_3D之后，根据如下公式便可得到第一目标点和第二目标点之间的像素距离s：

式中，参数l₁₂、

与上式具有同样的含义。

数据处理装置中的相关运算模块用来对数字相机采集到的数字图像进行相关运算，获取位于图像水平中线上两个目标点的竖向位移信息。

数据处理装置中的后处理模块对相关运算模块获取的位移信息，进行一定的平滑滤波处理，减小位移误差，再结合两目标点的间距信息进行计算，获得被测试样1表面的均匀应变信息。

本发明的基于镜头成像和双斜方棱镜视场分离的光学引伸计及应变测试方法，能够消除由被测试样离面位移而引起的虚假位移和虚假应变，虚假位移和应变产生原理如图4所示。普通相机成像遵循如图4(a)所示的针孔模型，如果将目标点设定为被测试样表面上远离光轴的一点A，会在像面上a点成像。当被测试样表面产生靠近镜头的微小离面位移使A点移动到了B点，根据针孔模型将会在像面上与a点存在一定距离的b点成像。在被测试样无变形的条件下，仅由被测试样离面位移而使同一个点产生了像面上的图像位移，即虚假位移，根据位移数据能够计算出相应的应变数据，这就是虚假应变。当目标点A距离光轴越近，虚假位移越小，光轴上点的虚假位移正好为零，即该点不受离面位移影响，但具有该特性的点在整个图像中只有唯一一个，无法用于光学引伸计的两个目标点，因此，对图4(b)中虚线圆上产生的等值径向虚假位移进行分析发现，在离面位移作用下，位于图像水平中线上的点只有水平方向的虚假位移，而无竖向虚假位移，因此，将两个目标点C点和D点选取在左、右图像视场中的水平中心线上，不会产生竖向虚假位移和虚假应变，因此，能够提高光学引伸计的竖向应变测量精度。

本发明实施例公开的一种基于普通镜头成像和双斜方棱镜的高精度光学引伸计及应变测试方法，利用双斜方棱镜的光线平移特性将被测试样表面较远的两个目标点2拉近了，并记录在一幅数字图像中，大大增加了光学引伸计中两个目标点之间的距离，有利于提高应变测量分辨率与测试精度。

本发明实施例公开的一种基于上述光学引伸计的均匀应变测试方法，包括以下步骤：

步骤1、在被测试样表面制作随机分布的散斑，作为变形信息的载体；然后将试样安装在试验机的夹头上；

步骤2、将两个斜方棱镜一上一下错开安装到凹型壳体中，且上斜方棱镜的上反射面与下斜方棱镜的下反射面都朝向被测试样方向，上斜方棱镜的下反射面与下斜方棱镜的上反射面形成X形并位于同一高度上；在凹型壳体前部安装前盖板，只允许上下两个反射面可以入射光线；

步骤3、将普通镜头连接到相机，并一起固定在三脚架上，调整三脚架使得镜头光轴与被测试样表面垂直；将上述安装好棱镜的凹型壳体通过螺纹连接到普通镜头前方，并调节使凹型壳体长边呈竖直状态；

步骤4、调节相机光圈和焦距，使其清晰成像；在试样表面放置一把带有刻度的直尺，并拍摄尺子的上、下目标区域，得到一幅数字图像；根据该图像左、右区域的刻度线读数，通过比例关系，计算得到视场分离产生的像素距离；

步骤5、利用相机拍摄加载过程中的被测试样表面散斑图像；将光学引伸计的第一目标点、第二目标点分别取在第一幅数字图像左、右区域的水平中线上，结合前面得到的视场分离像素距离，计算出第一和第二目标点的初始间距s；

步骤6、利用数字图像相关算法，得到加载过程中第一和第二目标点的竖向位移y₁和y₂，结合之前标定模块得出的两个目标点的间距s，计算被测表面的均匀应变大小为(y₂-y₁)/s。

在步骤2中，当双斜方棱镜和前盖板安装至凹型壳体后，在以后的应变测量中，不再需要重复安装，只需将凹型壳体通过螺纹连接到镜头前端，大大节省了实验的准备时间。

本发明使用普通镜头和双斜方棱镜分离视场对被测试样表面的两个特定目标点进行成像，与传统的单相机相比，两个目标点的间距即两个棱镜的间距，得到了成倍地放大，且目标点竖向位移不受离面位移影响，从而能极大提高光学引伸计用于应变测量的精度和分辨率。

相机物距为500mm，图像中目标点相距1600像素，若在测试过程中，被测试样发生了0.1mm的离面位移，则采用普通镜头成像将会产生0.1/500＝200με的应变误差；即使不产生离面位移，该光学引伸计应变精度也仅为(0.01+0.01)/1600＝12.5με；而若采用本实施例中的双棱镜视场分离装置，将标距s增大到8000像素，则光学引伸计应变精度可提高至(0.01+0.01)/8000＝2.5με。

Claims (9)

1.一种基于镜头成像和双棱镜反射的光学引伸计，其特征在于：包括数字相机(3)、成像镜头(4)、第一斜方棱镜(6)、第二斜方棱镜(7)及数据处理装置；两个的斜方棱镜置于成像镜头(4)和被测试样(1)之间，每个斜方棱镜的一个反射面朝向数字相机(3)的透镜方向，所述数字相机(3)与数据处理装置相连。

2.根据权利要求1所述基于镜头成像和双棱镜反射的光学引伸计，其特征在于：两个斜方棱镜的尺寸相同。

3.根据权利要求1所述基于镜头成像和双棱镜反射的光学引伸计，其特征在于：每个斜方棱镜的两个45度倾斜面为镀膜面。

4.根据权利要求1所述基于镜头成像和双棱镜反射的光学引伸计，其特征在于：两个斜方棱镜的一个45度倾斜面位于同一高度。

5.根据权利要求1所述基于镜头成像和双棱镜反射的光学引伸计，其特征在于：所述成像镜头(4)为定焦镜头或变焦镜头。

6.根据权利要求1所述基于镜头成像和双棱镜反射的光学引伸计，其特征在于：所述数据处理装置包括标定模块、运算模块和后处理模块，所述标定模块用来标定分离视场中第一和第二目标点间的像素距离，所述运算模块根据接收到的数字图像获取第一和第二目标点沿着测量方向的位移信息，所述后处理模块利用运算模块获取的位移信息，结合第一和第二目标点间的像素距离获得被测试样(1)表面的均匀应变信息。

7.一种基于镜头成像和双斜方棱镜反射的光学引伸计的均匀应变测试方法，包括如下步骤：

(a)在被测试样(1)表面放置一把刻度尺，拍摄得到一幅数字图像，根据数字图像的刻度线读数，计算得到视场分离产生的像素距离；

(b)利用被测试样(1)表面散斑图像；将第一目标点和第二目标点分别取在数字图像左、右区域的水平中线上，结合所述视场分离产生的像素距离，计算出两个目标点的初始间距s；

(c)利用数字图像相关法，得到加载过程中两个目标点的竖向位移y₁和y₂，结合两个目标点的初始间距s，计算被测表面的均匀应变大小为(y₂-y₁)/s。

8.根据权利要求7所述基于镜头成像和双斜方棱镜反射的光学引伸计的均匀应变测试方法，其特征在于，步骤(b)中，将数字图像左侧上、下边界处的刻度读出并标记为K₁、K₂，在右侧图像中标记出下边界处的刻度为K₃，计算出K₁、K₃之间的图像像素距离l₁₃：

式中，l₁₂为刻度线K₁、K₂之间的像素距离，

为刻度线K₁、K₂之间的真实距离，

为刻度线K₁、K₃之间的真实距离。

9.根据权利要求7所述基于镜头成像和双斜方棱镜反射的光学引伸计的均匀应变测试方法，其特征在于，步骤(b)中，将所述第一目标点和第二目标点分别标记为C和D，将数字图像左侧上、下边界处的刻度读出并标记为K₁、K₂，在右侧图像中标记出下边界处的刻度为K₃，第一目标点和第二目标点之间的像素距离s的计算公式如下：

式中，l₁₂为刻度线K₁、K₂之间的像素距离，

为刻度线K₁、K₂之间的真实距离，

为刻度线K₁、K₃之间的真实距离l_1C为刻度线K₁到C点的像素距离，l_3D为刻度线K₃到D点的像素距离。

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