數字散斑相關法在壓力容器變形測量上的應用

徐婉

摘 要：數字散斑相關法具有非接觸、精度高、適用于工程現場等特點，成為實驗力學中一種有效的光學測試手段。該文簡要介紹了數字散斑相關法的基本原理、特點和應用范圍，概述了在壓力容器變形測量方面的應用現狀，隨著相關配套和輔助技術的發展，數字散斑干涉法在測量壓力容器變形方面在宏觀和微觀方面展現了新的技術突破：改進光學系統與加載方式可測量大面積的變形場，與高分辨率設備結合可進行結構微小形變的檢測，而全場高溫變形測量技術的發展進一步拓展了其適用環境。

關鍵詞：數字散斑相關方法 壓力容器 變形測量 技術突破

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（c）-0058-02

壓力容器是廣泛應用于化工、熱能、醫藥、食品和航空航天等工業中的設備。因其溫度、壓力范圍較大，內部介質往往易燃易爆，因此危險性較大。在工業生產中對壓力容器內部缺陷進行早期檢測和診斷具有重要的應用價值。目前用于壓力容器的無損檢測的方法有很多，如射線、超聲波、磁粉、滲透和紅外熱成像檢測等。自激光出現以來，采用光學計量方法用于材料和結構的無損檢測成為研究熱點。

數字圖像相關法（Digital Image Correlation，DIC）是在20世紀80年代初由WH.Peters和WF.Ranson[1]等人提出的，是一種用于測量材料變形和應變的光學非接觸測量方法。這種測量技術是現代先進光電技術、圖像處理與識別技術與計算機技術相結合的產物，是一種非接觸的、用于全場形狀、變形、運動的圖像測量方法，是現代光測實驗力學領域的新進展。該方法將物體表面隨機分布的斑點或偽隨機分布的人工散斑場作為變形信息載體，通過跟蹤和匹配變形前后所采集圖像的灰度信息來測量物體在外載荷作用下表面整體的瞬時位移場和應變場。

在實驗固體力學領域中，對于材料和結構表面在外載作用下的變形測量一直是一個較難的課題。常用的主要有接觸式和非接觸式兩種方法。通常使用的電阻應變式接觸式測量法，受到測量手段和范圍的限制，不能得到全場數據和物體整體上的變形規律。非接觸式光學測量方法，有干涉測量技術（全息照相干涉法，散斑干涉法）和非干涉技術（網格化和數字圖像相關測量法）兩種。由于干涉測量技術要求有相干光源，光路復雜，且測量結果易受外界振動的影響，多在具有隔震臺的實驗室中進行，應用范圍收到了很大的限制。而非干涉測量技術是通過對比變形前后物體表面的灰度強度來決定表面變形量，對光源和測量環境要求較低。數字圖像相關測量技術可以直接采用自然光源或者白光源，通過具有一定分辨率的CCD相機采集圖像，并利用相關算法進行圖像處理得到變形信息，被視為測量表面變形的一種有利而又靈活的工具。與傳統的干涉測量方法相比，DIC具有全場測量、非接觸、光路相對簡單、測量視場可以調節、不需要光學干涉條紋處理、對測量環境要求低等優點。目前，該方法在工程應用、實驗固體力學及材料性能分析等領域得到了廣泛的應用。

1 數字圖像相關法基本原理

數字散斑相關方法用攝像系統（通常是CCD）分別采集材料變形前后的數字散斑圖，進行相關處理，就能夠實現對被測物體位移和變形的測量。該方法的實驗裝置示意圖如圖1所示，其圖像采集系統一般包括CCD攝相機圖像采集卡、控制計算機等。

二維的數字散斑相關測量，是以被測物體變形前的圖像上任一測量點的周圍子區域的灰度特征值作基準，在變形后的圖像上，依據最大相關系數C找到該測量點的匹配點，借助相關算法而獲得該測量點在圖像平面上的變形信息，再根據系統標定數據，最終計算出該點的位移。

依據文獻[7]，可采用公式（1）計算相關系數：

（1）

而三維數字散斑相關法是采用互成一定角度的兩個CCD攝像機圖像采集系統，成像原理類似于人的雙眼，基本過程是先通過匹配兩個CCD攝像機在同一時刻采集的圖像，得到物體的三維形貌圖，然后再比較不同變形時刻的圖像序列，由此得到物體表面的全場三維位移。如圖2所示。以被測物體表面變形前的圖像上任一測量點的灰度特征值為基準，依據最大相關系數C，在右攝像機測量被測物體表面變形前的圖像上尋找到的匹配點，依據三角測量原理計算得到被測物體表面變形前點的空間坐標。同理可以確定被測物體表面變形后圖像上點和，再用三角測量原理計算得到被測物體表面變形后點。最后，依據、及（2）～（4）式可求得被測物體位移、和：

（2）

（3）

（4）

2 光學圖像相關法在壓力容器測量中的應用進展

壓力容器在服役過程中往往承受較大的載荷，具有很高的內壓，因而會發生較大的變形。受載條件下的變形測量一直采用的是傳統的應變計電測法，雖然可以得到較可靠的數據，但是只能測量“點應變”，受到測量手段和范圍的限制很難得到全場數據。光學圖像相關法在材料力學的測量方面應用已很廣泛，國內外很多學者用其測試各個領域的材料力學性能。近年來也逐漸應用于壓力容器在線變形的測量。文獻[8]最早在1998年采用激光全息法進行了圓柱形壓力容器的無損檢測，然而激光全息法進行無損檢測時要求暗室和隔振環境，而且干版記錄費時費力，給其在實際應用中的推廣帶來困難。而后在2005年，中國工程物理研究院的黃鵬首次嘗試用電子散斑干涉技術測試了含有內部缺陷的球形薄壁壓力容器表面的位移場，分析了應變和應力場，可以判斷出內部缺陷的位置和形狀，實現了容器內部缺陷的快速檢測。

之后在電子散斑干涉法的基礎上，發展出了數字散斑法。數字散斑法光路簡單，對測量環境要求低，光源范圍廣（激光、自然白光或者普通照明均可），可以任意制定測量范圍。在2006年，清華大學的孟利波首次采用基于灰度梯度迭代的數字散斑圖像法研究了復合材料壓力容器在水壓條件下局部區域的變形，測量出了高精度的位移場并進一步得到了應變場。這是一種適宜于現場測量的無損檢測方法，有廣闊的應用前景。endprint

2011年蘭州交通大學的杜三山利用激光散斑場作為待測表面的信息載體，動態實時在線測量了壓力容器的微小形變。這種方法可以精確測量出形變大小及其存在區域，為結構微小形變的檢測提供依據，擴展了數字散斑干涉法的現場應用。進一步定量研究形變的影響因素將為預知形變的尺寸、位置，以及結構的安全和檢測提供幫助，可以為結構無損檢測提供依據。

3 結語

數字散斑相關方法作為一種有效的物體表面全場測量技術，已經成為實驗力學領域一種有效的光學測量工具。具備了非接觸、精度高、在線實時測量等特點可以精確測量壓力容器在內壓作用下的位移和變形。隨著激光器技術、CCD技術、高速數據采集技術以及計算機技術的飛速發展，數字散斑干涉法在測量壓力容器變形方面會有一些新的進展。

（1）通過進一步改進光學系統與加載方式，可以測量大面積的變形場。（2）與掃描電鏡、掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡以及一些高分辨率、高放大倍數的設備相結合，進行結構微小形變的檢測。（3）從常規環境向惡劣環境（如高溫、高壓）方向發展發展高溫環境下全場高溫變形測量的技術。

參考文獻

[1] 黃鵬，莫軍，符春渝，等.基于電子散斑干涉技術的壓力容器無損檢測[J].無損檢測，2005（1）：2-5.

[2] Peters WH，Ranson W F. Digital image techniques in experimental stress analysis[J].Optical Engineering，1982 （21）：427-432.

[3] 白曉虹.數字圖像相關（DIC）測量放在在材料變形研究中的應用[D].沈陽：東北大學，2011.

[4] 楊吟飛.基于電子散斑干涉技術的微變形場測量機殘余應力分析[J].機械制造與自動化，2014，43（2）：144-146.

[5] Rui Jiabai，Jin Guanchang， Xu Bingye. Anew digital speckle correlation method and its application[J].ACTA MECHANICA SINI-CA，1994，26（5）：599-607.

[6] 王懷文，亢一瀾，謝和平.數字散斑相關方法與應用研究進展[J].力學進展，2005，35（2）：195-203.

[7] 陳華.基于數字散斑相關方法的視覺變形測量技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.

[8] 李德昌，張早校.應用激光全息照相對壓力容器無損探傷的實驗研究[J].西安交通大學學報，1998，32（1）：107-110.

[9] 孟利波.數字散斑相關方法及其在碳纖維復合材料壓力容器變形測量中的應用[J].光學技術，2006，32（2）：163-169.

[10] 杜三山.應用數字散斑法測量受載壓力容器壁形變的研究[J].自動化與儀器儀表，2012（2）：186-187.endprint