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数字散斑相关方法在动态变形测量中的应用研究

西安交通大学研究生论文摘录


 
 
1、 选题背景

随着科学技术的不断进步,测量技术也随着新的物理原理、新的技术成就的不断引入而获得长足发展,对机械量的测量也由过去的机械式测量发展为光学式测量。目前,科学测量技术中变形测量技术已为公众所瞩目。变形测量不仅是固体力学、材料等科学研究中的重要环节,也日益成为工程测量的重要内容。

光学测量方法应用到变形测量中已成为现在国内外学者关注的焦点。而数字散斑相关方法(Digital Speckle Correlation Method,DSCM)就是起源于20世纪80年代的一种光学测量方法,该方法的基本原理是通过图像匹配的方法分析试件表面变形前后的散斑图像,来跟踪试件表面上几何点的运动得到位移场,在此基础上计算得到应变场。它具备目前其它传统光测方法所缺乏的应用于工程测量的诸多有利条件,如可用白光光源,光路简单,无需隔振,测量范围大,图像分辨率高,易于实现等等。该方法所具有的独特优势,可以弥补当前变形测量方法的不足,特别适合于移动或变形物体的运动或变形信息的测量,并且已经成功应用于力学研究的很多方面。此外,随着图像处理技术、计算机技术、信号处理技术以及图像采集设备的发展,DSCM可应用于更广阔的领域。

DSCM尽管具有很多优点,但由于种种原因在测量精度,尤其在应变测量精度,以及测量速度方面仍不能满足当今高速高效工程测量的要求,需要不断的完善和进行更加深入的应用研究。

因此,本课题的研究重点一方面是进一步完善和发展数字散斑相关方法,以提高其测量的精度和速度,另一方面是完成实用的基于数字散斑的变形测量系统,使其能方便应用于各种复杂环境的科学研究和工程测量中。

2、 理论意义和应用价值
DSCM是一种基于物体表面散斑图像灰度分析,从而获得物体运动和变形信息的新型光测方法。传统的光测方法(包括光弹片法、全息干涉、散斑照相术、电子散斑干涉法、密栅云纹方法等),一般都要求使用激光作为光源,光路复杂,测量结果易受外界振动的影响,这些条件的限制使得传统光测方法只能应用于具备隔振台的实验室内进行科学研究测量,而难以在无隔振实验条件以及野外工程现场进行测量。与传统的光测方法相比,数字散斑相关方法具有一些特殊的优势,这些优势包括:光路简单,可用白光为光源;受外界影响小,对隔振条件要求不高;测量范围和测量精度可以根据测量的需要进行调整;数据处理自动化程度高,可以全自动进行。
与传统的电阻应变片测量方法相比,DSCM也有其优势。电阻应变片测量方法,是目前常用的测量应变的方法,具有精度高,测量结果稳定等优点,但是,电测方法是接触测量、对被测试件要求一定刚度,只能点测量,不能得到全场数据,且测量范围有限,不能测量大应变;DSCM则是一种非接触全场测量方法,可以从整体上对物体变形规律进行分析,可以测量大变形。

DSCM的直接处理对象是数字化图像。在一定条件下,各种数字化图像采集设备所获取的图像都可视为数字散斑相关方法的处理对象。随着科学技术的发展,数字化图像采集设备的分辨率和清晰度不断提高,从而直接提高了数字散斑相关方法的测量精度,扩大了其应用的领域。

散斑图像是指一类含随机斑点分布结构的图像,散斑指图像中的随机斑点结构。散斑可以由激光照在漫反射表面干涉产生(激光散斑);也可由特殊涂料(如玻璃微珠漆或喷漆等)喷涂在试件表面形成(人工散斑);甚至某些材料表面的花纹(如花岗岩等)也能直接构成散斑(天然散斑)。后两种散斑是DSCM测量中最常见的。因此,DSCM测量中散斑图像的获取可直接用白光照明。这一点克服了前面提到的以干涉为基础的其它光测方法的缺点,具有更好的环境适应性。其次,DSCM归根结底是一种数字图像分析方法。此类方法的测量分辨率以成像系统的物面分辨率(指数字图像上1个像素代表的实际长度)表征,物面分辨率高则本身测量分辨率高;DSCM的测量范围直接取决于成像系统的拍摄范围。因此,DSCM测量分辨率和测量范围可以方便地调整,对复杂测量环境和测量问题适应性更好。此外,DSCM设备简单、实验准备快、数据处理自动化程度高,这些都使DSCM的应用更方便,适应性更好。

DSCM提出二十多年来,其理论和应用的发展非常迅速。正由于DSCM上述的特点,目前,在超大和超小试件变形场测量、复杂材料变形测量和复杂环境变形测量方面,DSCM具有很大的优势。随着计算机技术、图像采集设备和数字信号处理技术的发展,DSCM的测量分辨率和精度大大提高,应用领域大大扩展;借助各种显微镜设备,DSCM可实现细观及微观变形测量;利用高速动态摄影,DSCM还可用于动态变形测量。

因此,对于DSCM的研究,具有重要的理论和实际意义。首先,该方法具有许多独特的优势,可以弥补当前变形测量方法的一些不足;其次,随着图像采集设备的发展,该方法可将测量手段应用于新的领域。

测量界面-XJTUDIC数字散斑动态变形测量分析系统

 

 

(a) 软件界面——采集计算模式

 
(b) 软件界面——分析模式
图 2散斑系统软件界面

3、 数字散斑相关方法的国内外现状及发展
DSCM是在上个世纪80年代初由日本IYamaguchi和美国南卡大学的Peters、Ranson等人同时独立提出的。自DSCM方法提出以来,国内外许多学者在这一方法的研究上做了大量的土作。

在国外,1983年Peters首先应用DSCM进行了刚体位移测量方而的研究。同年M.A.Sutton又对相关搜索的方法进行了改进,利用粗相关与细相关相结合的方法提高了计算的速度,但这时的结果只有位移分量。T.C.Chu和Ranson等对DSCM的精度进行了研究,完善了这种测试方法的理论。M.A. Sutton等人又从理论上分析了亚象素恢复过程所带来的测量误差,提出了亚象素恢复等合理方法。1989年Russell等把DSCM用在复合材料的应变测试上,测出裂纹的二维应变场。同年Bruck等采用基于二元三次样条插值亚象素重构的Newton-Raphson迭代算法求解数字相关问题,使DSCM有了重大改进,提高了搜索速度和精度,使DSCM的理论更加完善。1993年加拿大Ryerson大学的陆华教授从统计学原理出发,对DSCM的随机误差进行了分析,并提出了减少误差的措施。1998年Vendroux、Smith等分别对影响相关精度的各种因素及改讲方法讲行了研究。2001年,G.B orgefors提出分级搜索的方法,将要匹配的两幅图像分解成尺寸逐渐减小、分辨率逐渐降低的一系列图像,图像的匹配从分辨率最低的一级开始,然后将结果逐渐回溯,这样提高了计算的速度和方法的实用性。2003年S.Yoneyama和Y.Morimoto将数字散斑相关技术中所采用的灰度散斑图换作彩色散斑图,提高了位移和应变的测量精度。

DSCM在国内也有较为广泛的研究和应用。1989年,高建新等首先在我国开始了DSCM的研究工作,从理论上对DSCM进行了系统分析,提出了相关搜索法并把它应用到刚体位移测量,流场流速测量和电镜照片分析等领域,但当时的实验精度和灵敏度都较低。1993年,刘宝深教授对韧性金属裂纹尖端损伤区内应变场进行了测量,开始用此方法进行细观测量研究,使这一方法在细观测量中得到了满意结果。1994年,丙嘉白、金观昌等对相关搜索方法进行了改进,提出了更一般形式的相关过程及十字搜索方法,大大地节约了计算时间,提高了处理速度,并从方法本身保证了测量的精度。1995年,高建新等总结了相关搜索方法,并提出了多用途数字相关测量系统,并在生物力学研究中开始应用。1996年,金观昌等将DSCM成功的应用于火箭发动剂固体燃料。1998年,姜锦虎等对数字散斑相关测量系统抗干扰能力进行了研究。杨国彪等对投影散斑相关法在物体三维形状测量中的原理及应用进行了研究。2001年,王志、李鸿琦等提出了最速下降法,并将该方法应用于铝试件的断裂测试。随后,邢冬梅、李鸿琦等提出了十二变量梯度迭代法,在求解量中考虑了应变梯度的影响,并成功地将这种方法应用于梯度功能材料温度场热应力的测试。杨楠、修景伟等将DSCM应用于各向异性核功能材料的测试。计宏伟、秦玉文等进一步发展了相关迭代法,提高了应变测量的灵敏度,并将DSCM用于电子分装、复合材料以及高聚物的力学行为检测中。王怀文等将DSCM应用于薄膜材料断裂问题的研究。2004年,樊雪松、李鸿琦等将DSCM应用于正交各向异性材料木材的裂纹尖端应力应变的研究。代红军等提出了时间序列的数字散斑相关法减少了测量误差,提高了测量精度;李善祥等用时间序列动态散斑的跟踪测量方法扩大了散斑相关法的应用范围;马少鹏等将DSCM运用于岩石的观察测量中并取得了很好的分析结果,一些学者还对DSCM的模型及方法做了研究和改进。

上述数字散斑相关运算都是在空间域用模板匹配法进行相关运算,利用相关系数来获取物体变形位移信息。当然也有在频域中用傅立叶变换来实现变形测量。2000年,山东师范大学的开东平等提出了一种利用二维快速傅立叶变换经频率域滤波以实现相关运算的方法,称为频率域数字散斑相关方法。周灿林将该方法与显微放大技术相结合,对铜、钢双材料界面裂纹试件进行研究;在这种方法的基础上,2005年,赵玮等提出用数字散斑联合变换相关法测量微小位移,并进一步提出了用分数傅立叶变换来锐化相关峰,提高测量精度。
另外,在固体实验力学观测中最需要测量的往往不是位移而是应变,DSCM中应变一般由位移场数值微分得到。由于DSCM得到的位移场均含有噪声(测量误差),如果直接计算应变会带来较大的误差。目前已有研究采用小波分析方法来降低位移场降噪信号。此外,采用最小二乘法拟合数据是一种行之有效的降噪方法,但该数据平滑方法不能很好地适应非均匀变形场测量。为了从受噪声污染数据中恢复良好数据,Sutton等发展了一种基于有限元和广义交互验证(Generalized cross validation,GCV)方法的数据光滑技术,该方法可有效降低位移数据中的噪声,改善位移场的分布规律。孟利波基于有限元技术提出了光滑参数的求解方法。陈俊达采用光滑样条函数理论,发展了一种用于DSCM应变场计算的光滑样条位移场平滑方法。

近年来,随着计算机硬件和软件技术的飞速发展以及一些更为有效的算法的提出,DSCM有了进一步发展,并在实际应用中取得了很好的效果。1989年,Agrawal等将DSCM应用于木材的力学性质研究。1995年Chan利用该技术实现了陶瓷电容器的无损探测。1997年Zink等用DSCM研究了复合材料的力学性质。1998年,Y J. Chao等人利用这种方法结合高速图像采集设备测试了冲击载荷下裂纹扩展情况。同年,Luo等人用三维DSCM测量了圆柱体的形貌和拉伸载荷下的三维变形。Rand James L等研究了聚合物薄膜的双轴拉伸力学行为,首先在聚合物薄膜上喷漆作斑点,然后在一定载荷下对聚合物薄膜进行双轴拉伸实验,运用DSCM分析散斑斑点的运动,并从图像中获得的位移量来确定薄膜的应变,得到了应力一应变曲线,得到材料的弹性模量、屈服应力等各项拉伸性能指标。2001年,Chevalier等利用DSCM对橡胶材料的单轴和双轴拉伸力学行为进行了研究,建⒘艘恢殖阅P湍D饬讼鸾翰牧系牧ρ形玫揭桓鼋频挠ασ挥Ρ涔叵怠?004年,Yamaguchi将DSCM应用于物体表而粗糙度的测量中。Xing Dai等利用小波包抑制DSP中的背景噪音,大大提高了测量精度,使得该技术能用来测量多层电容脱层等微观结构;B. Wattrise等用该技术对压力作用下的薄平铁片的应变进行测量;Hong jun Dai等用DSCM实现物体的三维形貌测量;Mikal Sjodahl等利用DSCM来测量纸张的微结构变形;Jin Guangchang等用DSCM对变形场进行了测量;Mashao Peng等用遗传算法对DSCM作了改进,减少了相关搜索的时间,提高了相关搜索效率;Tomas Frike-Begemann用该方法来实现三维变形场的测量;Canlin Zhou等用混合(Hybrid)方法对DSCM做了改进以提高相关搜索效率。

经过二十多年的研究和发展,DSCM形成许多独特的优势,具有很重要的理论和实际意义。目前,DSCM在实验室中的应用已经比较成熟,但是若只限于在实验室中应用的话,还不能完全体现DSCM的优势,因此应大力推进DSCM的工程应用。此外,由于种种原因DSCM在测量精度,尤其在应变测量精度,以及测量速度方面仍不能满足当今高速高效工程测量的要求,在快速形成高质量的散斑场、提高测量系统使用方便性和数据处理能力、进一步提高提高位移场的测量精度,更有效地抑制噪声等方面还有许多工作要做。其次,DSCM在动态测量方面的优势也很明显,高速摄像机的发展为动态测量提供了很好硬件基础,而这方面的研究工作还刚起步,因此可以在这方面进行必要的研究。

 

 
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西安交通大学 机械工程学院 模具与先进成形技术研究所 信息机电研究所
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