三維光學測試系統應用技術研究

陸江

摘? 要：文章介紹了三維光學測試系統在全場應變測試應用中，影響測試結果準確性的一些關鍵因素（邊界條件）;設計了相應的試驗方法和試件，通過加載試驗，同時采用仿真、應變片和光學三種方法，對這些影響因素進行了量化，為三維光學測試系統在全場應變測試中更復雜應用積累了經驗。

關鍵詞：三維光學;全場;應變測試

中圖分類號：TP274? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）14-0163-02

Abstract： In this paper， some key factors （boundary conditions） that affect the accuracy of test results in the application of three-dimensional optical testing system in full-field strain testing are introduced， and the corresponding test methods and specimens are designed. At the same time， these influencing factors are quantified by three methods of simulation， strain gauge and optics， which accumulates experience for the more complex application of three-dimensional optical testing system in full-field strain testing.

Keywords： three-dimensional optics; full field; strain testing

1 概述

近些年來，采用數字圖像相關方法（Digital Image Correlation，DIC）測量變形成為最新的非接觸式測量方法，并且應用越來越廣泛。DIC是一種基于計算機視覺原理（成像）、數字圖像處理與數值計算（算法）的、非接觸、非干涉、全場變形光學計算方法，是當前實驗力學領域最重要、最受關注、應用范圍最廣泛的光測力學方法，被稱為實驗力學中的有限元方法。自2007年以來，國際上基于DIC技術的三維光學應變測試系統在材料力學、斷裂力學等方面得到了廣泛應用。

2016年本單位購進GOM三維光學測試系統后，為了掌握該系統在結構強度測試中性能和使用方法，開展了相關研究工作。

2 研究目的

（1）獲取被試件散斑噴涂工藝、測量環境照度、測試距離、測試角度、相機參數等光學應變測試關鍵因素對測試結果的影響。

（2）獲取光學應變測試系統全場應變測試精度指標。

3 研究方案

利用加載裝置對標準試驗件進行拉伸加載，獲得準確的、可重復的應變場，利用仿真計算和應變片測試結果，對三維光學應變系統進行全場應變測試技術研究。

3.1 試驗件設計

根據三維光學應變測試系統量程和精度要求，試驗件加載后輸出應變在1000？滋ε以上比較合適。經過計算試驗件中間應變均勻區應變大小、試件寬度、厚度和加載載荷關系見表1，綜合考論加載裝置和試件成本，試驗件根據主要參數：材料為Q345。加載載荷39.4kN，試驗件中間區域應變1556？滋ε，滿足三維光學變形和應變測量分析系統測量范圍要求，可以達到最佳測試精度。

3.2 加載方案

試件加載采用萬能試驗機。

3.3 測試方案

測試方案采用光學和應變片兩種，在每種試件一面噴涂散斑，另一面粘貼應變片。

4 研究結果

4.1 光學應變測試數據分析區域設置

所有樣本選擇分析區域相同，數據標注點采用軟件自動分布共95個，其中1-44為試件處理范圍邊緣一圈測點（簡稱邊緣測點），45-95為處理范圍內部測點（簡稱內部測點），63～74為試件中間區域測點（簡稱中間測點）。

4.2 光學應變測試系統靜態測試精度研究

通過對白底樣本12進行加載試驗，獲取測試數據，進行光學應變測試系統靜態測試精度研究。

4.2.1 測試數據重復性

白底樣本12三次加載測試數據見表2。

結論：測試數據有很好的重復性。

4.2.2 中間測點精度分析（標注點63～74）

取試件中間區域（標注點63～74）光學應變第一次加載測試數據、應變片測試數據進行對比，對比結論為：光學應變測試數據在800？滋ε以下誤差超過10%，在1500？滋ε以上誤差小于6%。

4.3 關鍵因素對光學應變測試結果的影響

等應變試件：

（1）散斑噴涂效果

白底01為白色底漆（直接在試件表面噴涂）+黑色散斑第1個試件，黑底01為黑色底漆（直接在試件表面噴涂）+白色散斑第1個試件;灰+黑+白01為先在試件表面噴涂灰色漆、再噴涂黑色漆、最后噴白色散斑，綠+黑+白01、紅+黑+白01和紅+白+黑01類似。

通過對試件進行加載試驗，獲取不同顏色底漆、黑色和白色散斑、不同特征的散斑對測試精度的影響。通過對黑色底漆+白色散斑樣本1～6加載測試數據，白色底漆+黑色散斑樣本1～4、6和8加載測試數據，灰+黑+白樣本1、綠+黑+白樣本1、紅+黑+白樣本1和紅+白+黑樣本1加載測試數據進行分析后得出結論：

a.邊緣標注點數據有較大誤差，應避免使用。b.在數據處理軟件可以識別的區域內，底漆不同對測試結果沒有明顯影響，內部標注點測試結果有很好的一致性。c.大直徑散斑顆粒效果沒有小直徑好。

（2）景深改變

通過前后移動鏡頭支架實現景深改變（±20mm），以白底樣本12為例進行了加載試驗，測試結論為：變換景深（在標定范圍內）對測試結果沒有影響。

（3）改變曝光時間和增加輔助光源

a.無輔助光源調整曝光時間

在無輔助光源情況下，調整曝光時間對試件進行加載，找出測試結果滿足要求的曝光時間范圍（7ms～85ms），加載測試數據;曝光時間下限7ms測試數據，曝光時間9、27、48和85ms False Color圖1。

b.有輔助光源調整曝光時間

在有輔助光源（兩個）情況下，調整曝光時間對試件進行加載，找出測試結果滿足要求的曝光時間范圍。加載測試數據表明：在曝光時間在6.5～53ms之間時測試數據滿足要求，其他會出現無法識別區域，曝光時間6.5和53ms。

結論：

輔助光源對測試結果沒有影響，但可以降低曝光時間，提高測試數據采集頻率;

光學測試系統對曝光時間的適應性比較強，有比較寬的選擇范圍。

（4）改變相機角度

以白底樣本12為例，開展了改變相機角度對測試結果影響研究，分別調整相機上下改變16°、左右改變22°，測試數據見表4。

結論：改變鏡頭角度（±15°）對測試結果沒有影響。

5 結束語

本文通過試驗手段，開展三維光學應變測試系統應用技術研究，掌握了系統的測試精度和影響因素對測試結果的影響，為后續測試系統的應用積累了經驗。

參考文獻：

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