CN114688985A - 一种一体式应变检测装置及一种应变测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于DIC测量变形和应变的过程中测量结果标准化技术领域，具体涉及一种一体式应变检测装置及一种应变测试方法，用于单目测量被测试样的应变，包括光源、应变采集光路系统和处理设备；本发明应变测量装置采用一个单目采集单元接收两个虚像，进而获得被测试样的三维信息，并在出厂时已完成光路系统的标定及固定，应用过程中无需进行光路系统的调整。在简化基于三维DIC算法的三维应变测量中的光路系统，简化三维应变检测系统整体结构，提高检测效率的基础上，进一步简化了三维应变检测过程并具有检测场景灵活的特点。
Description
技术领域
本发明涉及DIC测量变形和应变的过程中测量结果标准化技术领域，具 体涉及一种一体式应变检测装置及一种应变测试方法。
背景技术
在DIC测量变形和应变的过程中，需要采集被测试样的两个具有重合部 分的虚像以建立被测试样的三维建模，之后在被测试样的应变过程中，多次记 录并产生多个三维数据，基于这些三维数据逐步或阶段分析，可以得到被测试 样的全局应变；
目前，在变形检测中，基于DIC技术(Digital Image Correlation，数字图 像相关法，又称数字散斑相关法)的传统光路系统，一般为以下两种方案：
一是采用双目图像采集装置、配合双目三维DIC算法的光路系统。
例如，专利文献1中发明了一种基于数字散斑的视觉引伸计实现方法，如 图1所示，在对材料拉伸的三维应变进行测量中，采用双目图像采集的光路系 统，该光路系统不仅结构复杂，需要采用两个独立光源、CCD相机。而且， 两个光源需要独立放置，从两个角度倾斜照射试样，使试样光场亮度难以均匀， 比如当试样较大时，会出现试样中间与左右两侧光场亮度极不均匀，导致数据 缺失。
二是基于单目图像采集装置、配合二维DIC算法的光路系统。
例如，专利文献2中发明了一种基于结构光的二维引伸计使用方法，如图 2所示，其是通过单个相机和镜头采集图像进行处理分析，仅能够测量二维方 向的应变，无法满足三维数据的测量需求。而且光源布置在相机和镜头左侧， 当测量过程需求曝光时间较短时，会出现试样左右两侧亮度不均匀，导致亮度 偏暗的部位出现数据缺失。
再者，被测试样的应变检测设备一般设置在实验室中，包括光路采集系统 和计算系统，根据不同类型的被测试样首先调整光路系统的光学参数后进行全 局应变测量，调整过程费时费力。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种一体式应变检测装置及一种应变测试方法，应 变测量装置采用一个单目采集单元接收两个虚像，进而获得被测试样的三维信 息，并在出厂时已完成光路系统的标定及固定，应用过程中无需进行光路系统 的调整。在简化基于三维DIC算法的三维应变测量中的光路系统，简化三维 应变检测系统整体结构，提高检测效率的基础上，进一步简化了三维应变检测 过程并具有检测场景灵活的特点。
为了达到上述技术目的，本发明所采用的具体技术方案为：
一种一体式应变检测装置，用于单目测量被测试样的应变，包括光源、应 变采集光路系统和处理设备；所述被测试样的表面设置有散斑；
所述光源用于在一阈值范围内照射所述散斑产生反射光线；
所述应变采集系统包括相对位置固定设置的第一反光镜、第二反光镜、三 角棱镜和单目采集单元；
所述光源设置于所述三角棱镜的前方；
所述第一反光镜设置于所述光源的一侧，用于将所述反射光线反射到所述 三角棱镜的第一镜面；
所述第二反光镜设置于所述光源的另一侧，用于将所述反射光线反射到所 述三角棱镜的第二镜面；
所述三角棱镜的第一镜面用于将所述第一反光镜反射的光线形成所述被 测试样对应的第一虚像，所述三角棱镜的第二镜面用于将所述第二反光镜反射 的光线形成所述被测试样对应的第二虚像；
所述单目采集系统用于接收所述第一虚像和第二虚像；
所述处理设备与所述单目采集系统通信连接，基于所述第一虚像和第二虚 像计算所述被测试样的三维全场应变。
进一步的，所述应变采集系统还包括壳体；所述第一反光镜、第二反光镜、 三角棱镜和单目采集单元均设置在所述壳体中。
进一步的，所述壳体开设出光口，便于所述光源的光照出射。
进一步的，所述处理设备与所述光源及所述单目采集单元通信连接；用于 控制所述光源及所述单目采集单元。
进一步的，所述处理设备与所述光源及所述单目采集系统线连接；
所述壳体开设连接口，便于所述处理设备连接所述光源及所述单目采集系 统。
进一步的，所述处理设备收到所述第一虚像及所述第二虚像后，用于：
标定所述被测试样与所述应变采集光路的位置关系；
计算所述被测试样的初步应变；
基于所述标定结果标定所述初步应变，得到所述全场应变。
本发明还提出一种应变测试方法，基于上述一体式应变检测装置实现，所 述测试方法包括以下步骤：
S101:在所述被测试样的外表面设置散斑；
S102:将所述被测试样规定在所述阈值范围内；
S103:基于所述应变采集光路系统和处理设备获取所述第一虚像和第二虚 像；
S1014：识别所述第一虚像和第二虚像的散斑像素特征；
S105：将所述散斑像素特征划分并定义为多个应变子区域；
S106：采集所述被测试样的应变过程中和/或应变过程后，所述第一虚像 和第二虚像中的散斑像素特征，生成应变散斑像素特征；
S107：自至少一部分所述应变子区域中分离出多个待计算区域；
S108：提取各所述待计算区域所对应区域的应变散斑像素特征；
S109：将提取的各所述待计算区域所对应区域的应变散斑像素特征，与所 述散斑像素特征进行比对，得到各所述待计算区域的运动步长；
S110：基于各所述运动步长，计算所述被测试样的全场应变。
进一步的，所述S110中，计算所述计算所述被测试样的全场应变采用亚 像素位移测量算法。
进一步的，所述S106与所述S107之间还包括位置关系标定步骤：
S201:将所述应变采集光路系统的光路参数、所述散斑的分布参数、所述 第一虚像和所述第二虚像代入世界坐标系中，计算所述被测试样的绝对位置；
S202:将所述绝对位置在所述处理设备中完成所述被测试样的三维建模。
进一步的，所述世界坐标的建立基准为所述应变采集系统的已知尺寸。
采用上述技术方案，本发明能够取得以下有益效果：
1、相比接触式应变仪，从使用方式上，本发明是采用非接触式，不需要 粘贴应变片，仅需要布置测量头，使用起来非常方便，可以消除人员操作带来 的误差，同时也可以适用更多应用场景。从测量数据的全面性上，相比接触式 应变仪仅能测量一维和单点的变形和应变，本发明测量的是三维和全场的变形 和应变结果。因此从便携性、操作复杂程度、人员操作影响、数据全面性等方 面都得到巨大的提升。
2、相比现在的双目三维DIC应变仪，硬件成本方面，本发明采用集成式 单目三维测量方式，硬件降低一半，节约了大量的硬件成本。使用过程方面， 本发明集成式单目三维测量方式，不需要花大量的时间用于双目之间的标定， 操作效率大大提升。从测量精度上，而且集成式单目三维测量方式，能够消除 掉双目之间标定的误差，稳定性得到提升，精度也得到提升。因此从成本、效 率、稳定性、精度等方面都得到巨大的改善。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些 实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可 以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明具体实施方式中一体式应变检测装置的结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中应变采集光路系统图；
1、被测试样；11、散斑；2、应变采集系统；21、光源；22、第一反光镜； 23、第二反光镜；24、三角棱镜；25、第一虚像；26、第二虚像；3、处理设 备。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本 说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。显然，所描述的实 施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明还可以通过另 外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不 同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是， 在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有 其他实施例，都属于本发明保护的范围。
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。 应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述 的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本发明，所属领域的技术人员 应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种 方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任 何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的 方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的 基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数 目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意 的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所 属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
在本发明的一个实施例中，提出一种一体式应变检测装置，用于单目测量 被测试样1的应变，如图1或图2所示，包括光源21、应变采集光路系统和 处理设备3；被测试样1的表面设置有散斑11；
光源21用于在一阈值范围内照射散斑11产生反射光线；
应变采集系统2包括相对位置固定设置的第一反光镜22、第二反光镜23、 三角棱镜24和单目采集单元；
光源21设置于三角棱镜24的前方；
第一反光镜22设置于光源21的一侧，用于将反射光线反射到三角棱镜 24的第一镜面；
第二反光镜23设置于光源21的另一侧，用于将反射光线反射到三角棱镜 24的第二镜面；
三角棱镜24的第一镜面用于将第一反光镜22反射的光线形成被测试样1 对应的第一虚像25，三角棱镜24的第二镜面用于将第二反光镜23反射的光 线形成被测试样1对应的第二虚像26；
单目采集系统用于接收第一虚像25和第二虚像26；
处理设备3与单目采集系统通信连接，基于第一虚像25和第二虚像26 计算被测试样1的三维全场应变。
本实施例的散斑11采用标准散斑11，标准散斑11根据被测试样1的具 体尺寸、应变时的形变量进行匹配，标准散斑11的分辨率以及散斑11的排列 密度主要以所要测量的形变测量精度进行考量，本实施例不作限定；
参考图2，实施中，光源21、第一反光镜22、第二反光镜23和三角棱镜 24固定并调试后固定安装，出厂后不用再次调试，光源21设置于三角棱镜24 的前方，用于发射光线(如图中梯形阴影部分的标识示意)以在被测试样1 的表面产生反射光线。
需要说明的是，光源21可为应变检测中常用的光源21，也可为自研光源 21，这里不作限定。
将第一反光镜22设置于光源21的一侧，比如如图中所示的左侧，用于将 反射光线反射到三角棱镜24的第一镜面，比如如图中所示的三角棱镜24的左 侧镜面。
将第二反光镜23设置于光源21的另一侧，比如如图中所示的右侧，用于 将反射光线反射到三角棱镜24的第二镜面，比如如图中所示的三角棱镜24 的右侧镜面。
将三角棱镜24设置于光源21的后方，并位于第一反光镜222和第二反光 镜233之间，以便三角棱镜24的第一镜面将第一反光镜22反射的光线形成被 测试样1对应的第一虚像25，而三角棱镜24的第二镜面将第二反光镜23反 射的光线形成被测试样1对应的第二虚像26。
通过光源21向被测试样1发射光线，这时被测试样1的表面将该光线进 行反射，第一反光镜22可将反射光线反射到三角棱镜24的第一镜面中，第二 反光镜23将反射光线反射到三角棱镜24的第二镜面中，从而通过三角棱镜 24分别形成被测试样1对应的第一虚像25和第二虚像26，最后可通过图像采 集设备根据该第一虚像25和第二虚像26获得被测试样1的左侧图像和右侧图 像。
因此，通过该应变采集光路系统，可提供被测试样1对应的成像信息以便 于被图像采集设备采集而获得双目图像，比如图像采集设备可采用单目采集设 备、双目采集设备、多目采集设备等，从而三维图像的处理设备3可根据双目 图像进行三维信息处理，实现对被测试样1的三维视觉应用，这样三维应变检 测中的结构得到简化，也能避免因被测试样1上的亮度不均而导致数据缺失的 问题。同时，因光源21、采集装置等设备，在每次测量使用前都需求重新安 装、标定等操作，使用过程复杂，测试时间长。因此，本说明书实施例中可将 光线反射装置(如反光镜、棱镜等)、及光源21之间的相互位置距离、角度等 空间关系进行固定，从而在出厂时标定好，并在出厂后可无需重新安装、标定， 可直接用于测量，简化使用要求，使得应变采集光路系统在实际使用中做到快 捷方便、准备时间短，来提高使用效率。
在一些实施方式中，三角棱镜24的第一镜面与三角棱镜24的第二镜面垂 直，这时三角棱镜24可为截面为等腰三角形的三角棱镜24，其中第一镜面可 为一个直角边一侧的镜面，第二镜面为另一个直角边一侧的镜面。
本实施例的中，单目采集单元中可包括单镜头和单相机，其中单镜头与单 相机按焦距进行固定，从而可直接用于采集图像。
本实施例的处理设备3可为基于三维DIC算计进行应变检测的相关设备， 处理设备3采用高精度、高效率亚像素位移测量算法(IC-GN算法)，算法原 理如下：The advancedIC-GN algorithm,which was recently introduced into DIC community by theauthors of this paper[17],is employed for real-time and high-accuracydisplacement/strain determination in the proposed video extensometer.Usingthe pre-estimated initial guess of displacements at each measurement point,IC-GN algorithm can determine subpixel displacements at these points byoptimizing the following robust zero-mean normalized sum of squareddifference(ZNSSD)criterion.
where f(x)and g(x)denote the grayscale levels at x＝(x,y,1)T ofreference image and the deformed image,
arethe mean intensity value of the two subsets,
and
ξ＝(Δx,Δy,1)T is the local coordinates of the pixelpoint in each subset.Since video extensometer is mainly used to determine theuniform tensile or compressive strains,the regular first-order shape functioncomprising six deformation parameters are used.Thus W(ξ；p)is the warpfunction with p＝(u,ux,uy,v,vx,vy)T,also known as displacement mapping functionin DIC,depicting the position and shape of the target subset relative to thereference subset；W(ξ；Δp)with Δp＝(Δu,Δux,Δuy,Δv,Δvx,Δvy)T is theincremental warp function exerted on the reference subset.
在一个实施例中，应变采集系统2还包括壳体；第一反光镜22、第二反 光镜23、三角棱镜24和单目采集单元均设置在壳体中。
壳体开设出光口，便于光源21的光照出射。
本实施例的壳体采用非透光壳体，可以避免杂散光干扰。
处理设备3与光源21及单目采集单元通信连接；用于控制光源21及单目 采集单元。
在一些实施例中，处理设备3与光源21及单目采集系统线连接；
在一些实施例中，壳体开设连接口，便于处理设备3连接光源21及单目 采集系统。
在一个实施例中处理设备3在收到第一虚像25及第二虚像26后，用于：
标定被测试样1与应变采集光路的位置关系；
计算被测试样的初步应变；
基于标定结果标定初步应变，得到全场应变。
由于被测试样1的全局应变需要高精度图像采集，因此被测试样1与已固 定好的应变采集光路位置固定后，首先需要对位置关系进行标定，从而获得绝 对应变尺寸。
在一个实施例中，本发明提出一种应变测试方法，基于上述任一项的应变 检测装置实施，测试方法包括以下步骤：
在被测试样1的外表面设置散斑11；
将被测试样1规定在阈值范围内；
基于应变采集光路系统和处理设备3获取第一虚像25和第二虚像26；
S101:在被测试样1的外表面设置散斑11；
S102:将被测试样1规定在阈值范围内；
S103:基于应变采集光路系统和处理设备3获取第一虚像25和第二虚像 26；
S1014：识别第一虚像25和第二虚像26的散斑11像素特征；
S105：将散斑11像素特征划分并定义为多个应变子区域；
S106：采集被测试样1的应变过程中和/或应变过程后，第一虚像25和第 二虚像26中的散斑11像素特征，生成应变散斑11像素特征；
S107：自至少一部分应变子区域中分离出多个待计算区域；
S108：提取各待计算区域所对应区域的应变散斑11像素特征；
S109：将提取的各待计算区域所对应区域的应变散斑11像素特征，与散 斑11像素特征进行比对，得到各待计算区域的运动步长；
S110：基于各运动步长，计算被测试样的全场应变。
根据权利要求1的测量方法，其特征在于，S107中，计算被测试样的全 场应变采用亚像素位移测量算法。本实施例的亚像素位移测量算法采用上述实 施例的处理设备3进行，具体算法已在上述实施例记载。
在本实施例中，S106与S107之间还包括位置关系标定步骤：
S201:将应变采集光路系统的光路参数、散斑11的分布参数、第一虚像25 和第二虚像26代入世界坐标系中，计算被测试样1的绝对位置；
S202:将绝对位置在处理设备3中完成被测试样1的三维建模。
本实施例的世界坐标的建立基准为应变采集系统2的已知尺寸。
在本实施例中，由于应变采集光路系统的各部件的位置关系、光路参数以 及尺寸参数已知，单目采集单元与应变采集光路系统的位置关系已知，单目采 集单元的光路参数已知，代入世界坐标后，可以反向推断出被测试样1与应变 检测装置之间的绝对位置关系，采用处理设备3进行虚拟三维建模后代入全局 应变的所有计算过程中，可以消除由于绝对位置关系不确定而带来的计算误 差，同时，省略了传统应变测量过程中对光路的调整步骤，进一步提高了测量 效率。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到 的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围 应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种一体式应变检测装置，其特征在于，用于单目测量被测试样的应变，包括光源、应变采集光路系统和处理设备；所述被测试样的表面设置有散斑；
所述光源用于在一阈值范围内照射所述散斑产生反射光线；
所述应变采集系统包括相对位置固定设置的第一反光镜、第二反光镜、三角棱镜和单目采集单元；
所述光源设置于所述三角棱镜的前方；
所述第一反光镜设置于所述光源的一侧，用于将所述反射光线反射到所述三角棱镜的第一镜面；
所述第二反光镜设置于所述光源的另一侧，用于将所述反射光线反射到所述三角棱镜的第二镜面；
所述三角棱镜的第一镜面用于将所述第一反光镜反射的光线形成所述被测试样对应的第一虚像，所述三角棱镜的第二镜面用于将所述第二反光镜反射的光线形成所述被测试样对应的第二虚像；
所述单目采集系统用于接收所述第一虚像和第二虚像；
所述处理设备与所述单目采集系统通信连接，基于所述第一虚像和第二虚像计算所述被测试样的三维全场应变。
2.根据权利要求1所述的一体式应变检测装置，其特征在于，所述应变采集系统还包括壳体；所述第一反光镜、第二反光镜、三角棱镜和单目采集单元均设置在所述壳体中。
3.根据权利要求2所述的一体式应变检测装置，其特征在于，所述壳体开设出光口，便于所述光源的光照出射。
4.根据权利要求1所述的一体式应变检测装置，其特征在于，所述处理设备与所述光源及所述单目采集单元通信连接；用于控制所述光源及所述单目采集单元。
5.根据权利要求2或4所述的一体式应变检测装置，其特征在于，所述处理设备与所述光源及所述单目采集系统线连接；
所述壳体开设连接口，便于所述处理设备连接所述光源及所述单目采集系统。
6.根据权利要求1所述的一体式应变检测装置，其特征在于，所述处理设备收到所述第一虚像及所述第二虚像后，用于：
标定所述被测试样与所述应变采集光路的位置关系；
计算所述被测试样的初步应变；
基于所述标定结果标定所述初步应变，得到所述全场应变。
7.一种应变测试方法，基于权利要求1-6之任一项所述一体式应变检测装置，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：
S101:在所述被测试样的外表面设置散斑；
S102:将所述被测试样规定在所述阈值范围内；
S103:基于所述应变采集光路系统和处理设备获取所述第一虚像和第二虚像；
S1014：识别所述第一虚像和第二虚像的散斑像素特征；
S105：将所述散斑像素特征划分并定义为多个应变子区域；
S106：采集所述被测试样的应变过程中和/或应变过程后，所述第一虚像和第二虚像中的散斑像素特征，生成应变散斑像素特征；
S107：自至少一部分所述应变子区域中分离出多个待计算区域；
S108：提取各所述待计算区域所对应区域的应变散斑像素特征；
S109：将提取的各所述待计算区域所对应区域的应变散斑像素特征，与所述散斑像素特征进行比对，得到各所述待计算区域的运动步长；
S110：基于各所述运动步长，计算所述被测试样的全场应变。
8.根据权利要求7所述的应变测试方法，其特征在于，所述S110中，计算所述计算所述被测试样的全场应变采用亚像素位移测量算法。
9.根据权利要求7所述的应变测试方法，其特征在于，所述S106与所述S107之间还包括位置关系标定步骤：
S201:将所述应变采集光路系统的光路参数、所述散斑的分布参数、所述第一虚像和所述第二虚像代入世界坐标系中，计算所述被测试样的绝对位置；
S202:将所述绝对位置在所述处理设备中完成所述被测试样的三维建模。
10.根据权利要求9所述的应变测试方法，其特征在于，所述世界坐标的建立基准为所述应变采集系统的已知尺寸。
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2021
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