陳　參　李潤娟　郭　楠

(1、2.河南廣播電視大學(xué)，鄭州 453046；3.西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院，西安 710049)

0　引言

隨著CCD傳感器技術(shù)的發(fā)展以及計算機傳輸速度和存儲量的大幅提高，采用數(shù)字圖像相關(guān)法測量應(yīng)變在工程上得到了突飛猛進的發(fā)展，以其穩(wěn)定性強、精度高和全場非接觸等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于工業(yè)光學(xué)測量的眾多領(lǐng)域。目前國內(nèi)外對數(shù)字圖像相關(guān)法的研究都集中在結(jié)合雙目視覺技術(shù)計算物體的三維應(yīng)變，通過各種算法提高匹配點的搜索速度和計算精度[1-4]，對數(shù)字圖像相關(guān)法本身的測量精度研究很少，基本都停留在用有限元方法模擬來驗證實驗精度[6-7]，而實際工程應(yīng)用中許多問題都涉及平面應(yīng)變問題，如材料線脹系數(shù)[5]、薄板應(yīng)變測量、巖石表面應(yīng)變測量等都需要利用單目測量二維應(yīng)變[8-10]，因此研究單目測量二維應(yīng)變有著重要的意義。

在二維應(yīng)變測量中，經(jīng)常需要在常溫環(huán)境下對工程結(jié)構(gòu)進行無載荷的靜態(tài)和動態(tài)應(yīng)變測量，檢驗產(chǎn)品的穩(wěn)定性；在材料性能測試中，如疲勞、蠕變測試中，也需要靜態(tài)應(yīng)變測量；相機的精度測試，也可以利用對標準試件的動靜應(yīng)變測量評價相機的精度。本文采用單目視覺技術(shù)，通過CCD傳感器采集散斑圖像，實時連續(xù)拍攝多幅圖像，根據(jù)二維圖像所攜帶信息解調(diào)出應(yīng)變信息，實現(xiàn)板料無載荷狀態(tài)下的靜態(tài)和動態(tài)的應(yīng)變測量。

無載荷指的是沒有負載情況下，因為如果沒有施加力，理論上是不存在應(yīng)變的，但是實際情況不存在絕對狀態(tài)，在靜態(tài)時受環(huán)境影響(空氣的流動對試件產(chǎn)生變形)，動態(tài)時裝夾設(shè)備來回運動都會導(dǎo)致試件變形產(chǎn)生應(yīng)變。我們所理解的無載荷往往是宏觀上的，而忽略一些小的因素。本文就是針對這些小因素做的實驗，看與理想結(jié)果“零應(yīng)變”相差多少。

1　數(shù)字圖像相關(guān)法計算應(yīng)變原理

圖1　數(shù)字圖像相關(guān)法變形匹配示意圖

2　實驗方法

本文采用XJTUDIC系統(tǒng)對試件分別進行無載荷靜態(tài)和動態(tài)測試，試件采用標準拉伸鎂鋁合金試樣，長度180mm，中間寬度20mm，厚度1mm，試件表面噴涂黑白相間的散斑。相機采用灰點GS3-U3-60S6M型號，分辨率為2736×2192，單像素尺寸為4.8μm×4.8μm，鏡頭采用型號為Computar，焦距25mm。相機標定結(jié)果為：快門5000ms，增益-61，延遲100ms，子區(qū)面片大小30×30像素，計算區(qū)域為50×20mm2。實驗原理如圖2所示：預(yù)先噴過散斑的試件(板料)裝夾在夾具上，單目相機調(diào)整好焦距后，正對著試件。靜態(tài)測量時，試件靜止；動態(tài)測量時，試件以速度V做上下勻速運動。

圖2　實驗原理圖

3.1　單目靜態(tài)變形測量

相機固定不動，試件正對相機且一端裝夾在實驗機上，連續(xù)采集10幅圖像為一次實驗，共5次，進行散斑匹配比較匹配結(jié)果。圖像要求：圖像應(yīng)為散斑圖像、散斑紋理應(yīng)清晰、散斑紋理在測量過程中固定不變，測量結(jié)果的均值與最大值如表1所示，應(yīng)變分布如圖3所示。

表1單目靜態(tài)測量結(jié)果單位：(mm)

實驗-1實驗-2實驗-3實驗-4實驗-5均值0　0026650　0004480　0032410　0014610　001022最大值0　0032390　0008900　0048430　0020250　001395

圖3　單目靜態(tài)測量應(yīng)變分布

3.2　單目動態(tài)變形測量

相機固定不動，試件一端裝夾在試驗機上，以50mm/min速度向上移動，連續(xù)采集20幅圖像為一次實驗，共5次，進行散斑匹配比較匹配結(jié)果。圖像要求：圖像應(yīng)為散斑圖像、散斑紋理應(yīng)清晰、散斑紋理在測量過程中固定不變，測量結(jié)果如表2所示，應(yīng)變分布如圖4所示。

表2單目動態(tài)測量結(jié)果單位：(mm)

實驗1實驗2實驗3實驗4實驗5均值0　0115470　00832-0　00276-0　00403-0　00198最大值0　0148120　014735-0　004889-0　011312-0　008669

圖4　單目動態(tài)測量應(yīng)變分布

4　結(jié)論

在單目測量靜態(tài)應(yīng)變時，應(yīng)變分布均為正值，且平均應(yīng)變值均在0.004mm以內(nèi)，單目測量動態(tài)應(yīng)變時，從應(yīng)變分布圖上可以看出，前兩次試驗均為正值，平均應(yīng)變在0.015mm以內(nèi)，后3次試驗平均應(yīng)變雖然在-0.005mm以內(nèi)，但是最大應(yīng)變達到-0.015mm，隨著相機拍攝時間的增加，應(yīng)變逐漸向負方向移動，并且逐漸遠離0坐標軸。

單目靜態(tài)試驗測量應(yīng)變，實驗值與理論真值相差較小，誤差一般由試驗環(huán)境造成的誤差、系統(tǒng)誤差和硬件精度引起的誤差等構(gòu)成，誤差在合理的范圍之內(nèi)，根據(jù)誤差結(jié)果可以對系統(tǒng)進行補償。因此，測量靜態(tài)應(yīng)變可以作為測試相機及測試應(yīng)變軟件的校準，對靜態(tài)檢測行業(yè)有重要的指導(dǎo)意義。

單目動態(tài)實驗測量應(yīng)變，由于試驗機帶動試件產(chǎn)生直線運動，因此試驗機運動產(chǎn)生的振動使試件發(fā)生明顯應(yīng)變，特別是在后3個實驗中，由于試件的運動，與鏡頭光軸不再保持90°夾角，而是隨著時間的增長遠離光軸軸線，相機拍攝的散斑圖像逐漸變化，子區(qū)灰度值也跟隨變化，因此灰度的跟蹤匹配發(fā)生了誤差，并且誤差隨著試件遠離光軸而增大，在單目動態(tài)測量應(yīng)變時，可根據(jù)誤差分布規(guī)律對系統(tǒng)做出合理的補償。

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