高精度二维数字图像相关测量系统应变测量精度的实验研究_俞立平
使用拍照手机的数字图像相关测量系统在实验力学教学中的应用
第43卷第2期力学与实践2021年4月使用拍照手机的数字图像相关测量系统在实验力学教学中的应用'俞立平潘兵4(北京航空航天大学航空科学与工程学院固体力学所，北京100191)摘要为了加深对力学知识的理解以及激发学生对实验力学的兴趣，本文介绍了基于拍照手机和二维及三维数字图像相关方法相结合的变形测试方法。
首先以经典的单向拉伸实验为例，应用拍照手机和二维数字图像相关法测量了铝合金试样的载荷-应变曲线，并引入“补偿法”思想消除手机成像系统的成像误差以实现高精度的应变测量。
随后，利用基于单个拍照手机和伪立体视觉成像的三维数字图像相关系统测量了规则圆柱面和非规则曲面的三维形貌，并测量了充气球体在放气过程中形貌变化和三维全场变形。
实验结果直观地显示了充气球体表面在放气过程中的变化规律。
这种易于获取、低成本且便携性好的数字图像相关测量系统不仅大大减少了系统搭建的硬件投入，更提高了实际测量的便利性和效率，因此有助于在条件有限的高等院校和研究机构中幵展实验力学教学。
关键词数字图像相关法，智能手机，变形测量，实验教学中图分类号：0348.1 文献标识码：A doi: 10.6052/1000-0879-20-211APPLICATIONS OF CAM ERA PHONE-BASED DIGITAL IMAGECORRELATION SYSTEM IN THE TEACHINGOF EXPERIMENTAL M ECHANICS*1)YU Liping PAN Bing2 *)(In stitu te of Solid M echanics, School of A eronautic Science and Engineering, B eihang University, Beijing 100191, C hina)Abstract To help students better understand mechanics and to stimulate students5interest in experimental mechanics, this paper proposes experimental methods based on the camera phone imaging and the digital image correlation for two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) deformations measurement. Taking the typical tensile test as an example, we first determine the load-strain curve of an aluminum specimen using a camera phone and the two-dimensional digital image correlation (2D-DIC). To achieve the high-precision strain measurement, the idea of “compensation” is introduced to eliminate the errors associated with the camera phone image. Subsequently, the three-dimensional digital image correlation (3D-DIC) system based on a single camera phone is developed to determine the shape profiles of a cylinder and irregular surfaces, as well as the topography change and the 3D full-field deformation of the inflatable sphere during the deflation process. The experimental results intuitively show the change of the surface of the inflatable sphere during the entire deflation process. The cost-effective and ultra-portable camera phone-based DIC systems not only greatly decrease the hardware investment in the system construction, but also increase the convenience and the efficiency of 3D deformation2020-05-20收到第1稿，2020-06-16收到修改稿。
基于数字图像相关性分析的局部应变测量
字图像，利用本文方法计算简支梁局部应变，并与理论计算进行对比，进行了误差分析 ，验证
了其 结果 的准 确性 。 关键 词 ：数字 图像 处理 ；应 变 ；特征像 素 ；相 关性 分析 中图分 类号 ：ＴＰ ３ 文献标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１ ６ ７ １ — ７ ９ ８ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６ — ６ ４ — ０ ４
像 灰度 矩 阵互 相关 系数 ； ｉ ， Ｊ对应 于相 关性计算 遍 历地址 Ｙ（ ｉ ， ｊ ） ，表 示 Ｙ 矩阵 ｉ 行Ｊ 列 的元素位 置 ；
１ 、应 变 原 理
材料 的应变 可表述 为真 实应变 ：
￡ ：ｌ ｎ
”
ｃ ｏ ｖ （ Ｘ， ｙ １ 模板 图像灰度矩 阵与变形后 的 目
量方 式 。通常 成本较 高 ，并且 在不适 合接触 测量 的 情 况下 有先 天 不足 。 白 ８ ０年 代 由 Ｙ ａ ｍａ ｇ ｕ ｃ ｈ ｉ和 Ｐ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ Ｗ Ｈ独 立提 出应用 数字 图像相 关技术 于工 程
式 中： ｚ 研 究对象 变形 后 的长 度 ；
ｆ ｏ研 究对 象初始 长度 ； ￡ ６ 分别 为真实 应变 与工程应 变 ；
Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｄ ｉ ｇ ｉ ｔ ａ ｌ ｉ ｍａ ｇ ｅ ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｌ ｏ ｃ ａ ｌ ｓ ｔ ｒ ａ ｉ ｎ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ
Ｗａ ｎ ｇ Ｓ ｈｉ ｙ ｕ ， Ｘｉ Ｊ ｉ ａ ｈ ａ ｏ ， Ｓ ｏ ｎ ｇ Ｗｅ ｉ ｚ ｈ ｉ
科 学 已经 成 为工程 学 ，统计 学 、物理 、化学 医 学甚 至 社会科 学 等领域 中个 学科 之 间学 习研 究 的对 象 。
数字图像相关法变形测量系统的研究与应用
数字图像相关法变形测量系统的研究与应用孙轩; 王雅萍; 王博怀【期刊名称】《《机械设计与制造》》【年(卷),期】2019(000)003【总页数】5页(P149-152,157)【关键词】数字散斑; 变形测量; 数值模拟; 强度【作者】孙轩; 王雅萍; 王博怀【作者单位】西南科技大学制造过程测试技术教育部重点实验室四川绵阳621010【正文语种】中文【中图分类】TP399; TH161 引言数字散斑相关方法（Digital Speckle Correlation Method，DSCM），又称数字图像相关法，是一种非接触光学测量手段，结合了现代光测力学和计算机图像处理技术，可用于物件变形和应变的测量，由文献[1-2]在上世纪八十年代同时独立提出。
随着近几十年的不断深入研究发展，其应用范围也越来越广，从材料力学[3]、生物力学、断裂力学到实际的工程运用如土木、机械、医学等领域中。
应变及变形测量在如今的应用相当广泛。
传统测量方式，例如线性位移传感器LVDT和引伸计等，线路繁复，一般仅能用于单点单向测量且在获得完整结果前需做精准设置；测量应变常用的应变片，贴片工艺复杂，且测量的往往是一定面积内的平均应变，而且在某些非接触场合不适用。
现代光学测量技术的发展提供了许多测量方法，如数字散斑相关法、云纹法、全息干涉法、电子散斑干涉、光导纤维测试技术、射线测量、光谱分析等，而这些方法都各兼有优点和不足。
相比较而言，基于数字散斑相关的测量方法可以通过变形前后物体表面的两幅数字图像的比较直接获得位移和应变信息而显示出巨大的优势。
其优点有：（1）全场、非接触式测量；（2）实时测量。
可以根据需求测量变形过程中任意时刻的变形量；（3）实验设备简单，环境需求低。
试件表面的散斑图可以是物体表面自身随机分布的斑点或者是通过人工制斑技术获得的伪随机分布的散斑。
（4）针对微尺度变形、高速运动状态的物体变形，可以搭配特殊分析模块，完成分析测量任务[4-5]。
高精度二维数字图像相关测量系统应变测量精度的实验研究_俞立平
第 40 卷第 1 期
俞立平等
高精度二维数字图像相关测量系统应变测量精度的实验研究
37
measurement errors associated with lens distortion, out-of-plane motion of test objects and self-heating of a camera. To verify the accuracy of the strain measured by the established 2D-DIC system, uniaxial tensile tests of an aluminum specimen were performed. The axial and transversal strains measured by the proposed 2D-DIC system were carefully compared with those measured by strain gage rosettes. The perfect agreement between the two measurements further verifies the strain measurement accuracy of the established 2D-DIC system. Key words：strain measurement; digital image correlation; strain gauge; high-accuracy
图2
平面试件 应变仪 补偿块 直角应变花 加载系统
使用应变电测法测量加载方向及其垂向应变的测量系统示意图
济南试验机厂） ，其中图像采集系统所用的成像镜头为德国施耐德光学公司生产的双远心镜头， 图像传感器为 CMOS 相机 （型号 DH-HV1351， 分辨率 1280×1024 像素， 灰度 8bits， 大恒图像） 。 铝材试件尺寸如图 4 所示， 试件宽为 20mm，厚度为 4mm。事先在试件测试区 域用黑色和白色的哑光漆制作好散斑， 然 后在散斑区域正上方和正下方沿拉伸方 向粘贴了两个直角应变花（型号： BX120-2BB，浙江黄岩测试仪器厂） ，其 中每个应变片尺寸为 2×2 mm2。 2D-DIC 和应变片的测量区域已在图 4 中用虚线矩形框标出。将试件固定在实 验机上，并使镜头光轴与试件表面垂直。 实验时，实验机加载速度为 50N/s，预加 载 1KN 后采集一幅图像作为参考图像，同时将应变测量仪读数清零。随后每加载 0.5kN（相当 于施加约 90με） 后存储一幅图像作为变形图像并记录应变仪上应变数据， 当试验机加载到 8.5kN （约 1300με）暂停实验，共采集 16 幅图像，然后将载荷卸载到 1kN。由于最大载荷远小于该试 验件屈服时的载荷（约 26kN） ，该试件的拉伸变形为可恢复的弹性变形，因此同一试件可重复 实验多次。 此外， 从图 4 可以看出应变花粘贴区域和 DIC 的测试区域离端部的距离超过 90mm， 远离了试件加载端的圣维南区，所以该区域变形可以视为均匀变形。因此可以通过比较直角应 变花和 DIC 测得的平均应变来研究两种方法的应变测量精度。 2.2 2D-DIC 应变计算 相比于应变片只能测得一点的应变状态，通过数字图像相关分析软件处理上述实验采集图 像，可以获得计算区域内全场的位移和应变。如图 5 所示，在参考图像中间位置选择一个大小
基于散斑数字图像相关的平面全场应变测量方法及应用
摘要
近年来，基于数字图像相关的变形测量方法已经成为现代光测力学领域引人瞩目的 测试方法，其应用领域越来越广泛。自2007年以来，国际上基于数字图像相关法(Digital Image Correlation,DIC)测量全场应变技术，广泛应用于各个学科的研究，如材料力学、 生物力学、断裂力学、微观纳米应变测量、宏观大尺寸变形测量、各种新材料性能测试 等。
Based on the domestic and international researches in this area, this thesis analyzes the influence of various experimental factors and external interferences on the calculation accuracy of digital image correlation method in simulation and practical experiment in order to obtain the reliable basis to improve the accuracy. Finally this method is applied to the flexible hinge’s displacement measur关基本原理 .................................................................. 8 2.1.2 物体面内变形的表征 .............................................................................. 9 2.1.3 相关标准 ................................................................................................ 10 2.2 数字图像相关位移搜索方法........................................................................... 11 2.3 亚像素位移定位法 ........................................................................................... 15 2.3.1 灰度插值法 ............................................................................................ 15 2.3.2 相关系数拟合法 .................................................................................... 18 2.4 基于位移场的应变估计................................................................................... 19 2.5 本章小结 ........................................................................................................... 21 第三章 基于仿真数字散斑图像的变形测量分析 ........................................................ 23 3.1 模拟散斑图的生成原理................................................................................... 23 3.2 基于仿真散斑图的数字图像相关方法变形测量精度分析........................... 25 3.2.1 计算窗口大小对计算精度的影响 ........................................................ 25 3.2.2 散斑颗粒大小对计算精度的影响 ........................................................ 27 3.2.3 散斑颗粒数量对计算精度的影响 ........................................................ 28 3.2.4 相关函数对计算精度的影响 ................................................................ 29 3.3 本章小结 ........................................................................................................... 31
一种数字图像技术实现应变测量的设计与实验对比
一种数字图像技术实现应变测量的设计与实验对比王娟;卓伟;马绍惠【摘要】基于数字图像处理技术设计实现了其在应变测量领域应用,采用了位移场-牛顿迭代法、应变估计处理进行了理论设计分析;在铝合金材料的变形测量实验中通过铝合金材料拉伸应变仪记录与数字图像设计方法对比得出:采用数字图像应变测量与记录仪基本一致,可以实现应变测量;构件表面散斑颗粒大小对设计的数字图像应变测量会产生一定的影响;文中设计的方法不仅实现了应变测量精度的改进,还提供了一种易于实施、有效的技术手段.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2014(022)008【总页数】3页(P2635-2637)【关键词】数字图像处理;应变测量;散斑图;拉伸应变仪【作者】王娟;卓伟;马绍惠【作者单位】南阳理工学院,河南南阳453002;郑州大学软件学院,郑州450002;河南机电高等专科学校,河南新乡 453000【正文语种】中文【中图分类】U416.2170 引言数字图像处理是指将图像信号转换成数字信号，采用计算机对信号实现处理的一种过程。
在现代数字图像处理及领先的光测技术的条件下，数字图像测量学应运而生。
它是利用对变形前后物体表面的数字图像进行分析之后，得出被测物表面的变形信息［1－3］。
然而尽管在20世纪50年代数字图像处理的概念就被提出，研究人员利用计算机对图像进行处理以及获取信息的实现依然在测量领域没有得到普遍的商用［4］。
最近几年，随着CCD（电荷耦合元件）摄像机、图像处理等的技术方法的长足发展，使得数字图像测量在各个领域都有了一定的应用。
散斑（通常人们把散斑看成是噪声）作为全息图质量影响的关键元素之一［5－6］，其研究一直以来是图像领域的热点方向［7－8］。
与此同时散斑测试技术也有了突飞猛进的发展，其经历了4个阶段的发展：散斑照相法、散斑干涉技术、电子散斑干涉技术（ESPI）及数字散斑相关技术（DSPI）。
本文基于数字散斑技术应用位移场－牛顿迭代法、应变估计处理实现了应变测量的设计，通过实验验证了数字图像处理的优势与正确性，这一设计的方法不仅实现了应变测量精度的改进还提供了一种易于实施、有效的技术手段。
面内位移测量的基于梯度的数字图像相关方法
法在实际实验条件下的计算精度和稳定性 ,并在铝板试件的单向拉伸实验中 , 将该方法与 N- R 方法在有应变存在情况 下的计算结果作比较 ,结果表明该方法计算的位移和理论位移符合得很好 ,但其计算速度和效率要远优越于 N- R 方法 。 关 键 词 : 数字图像相关 ; 梯度算法 ; 亚像素 ; Newton- Rapshon ( N- R) 方法 中图分类号 : TU45 ; T G115. 2153 ; O348. 1 文献标识码 : A
Ξ 收稿日期 : 2004209209 E2mail : panb04 @mails. tsinghua. edu. cn
基金项目 : 高等学校博士学科点专项科研资金 ( 20020003025) ; 教育部回国人员科研启动基 金 的 自 然 科 学 基 金 群 体 项 目 资助 (101212020) ; 教育部优秀青年教师资助计划项目 作者简介 : 潘兵 (1978- ) ,男 ,安徽人 ,清华大学博士研究生 ,从事光测力学研究 。
第 3 1 卷第 5 期 光 学 技 术 Vol. 31 No. 5 2005年9月 OPTICAL TECHN IQU E Sep . 2005 文章编号 : 100221582 ( 2005) 0520643205
面内位移测量的基于梯度的数字图像相关方法
( 5)
( 6)
∑∑( g ) 2 ∑∑( g ・g ) ∑∑( g ・g ) ∑∑( g ) 2 [ ( f - g) g ) ] ∑∑ [ ( f - g) g ) ] ∑∑
x x y x y y x y
-1
・所求位移点 ( x , y ) 的整 像素位移 ;Δ x ,Δ y 分别为与 x , y 方向整像素位移对 应的亚像素位移 。 将 ( 2) 式对 Δ x ,Δ y 进行一阶泰勒 展开并舍去高阶小量 , 可得 g ( x + u +Δ x , y + v +Δ y ) = g ( x + u , y + v ) + Δ x ・g x ( x + u , y + v ) + Δ y ・gy ( x + u , y + v )
数字图像相关技术在应力应变测量中的发展与最新应用
种 图像测 量 方法 ， 将 现代 先 进光 电技 术 、 计 算 机
技 术 和 图像 处 理 与识 别技 术 进 行 结 合 ， 是 现 代 光 学’ 钡 ０ 量领域 的又一新 进 展 。它 从 物 体表 面 随 机 分 布 的斑 点或 伪 随机分 布 的人 工 散 斑 场 中直 接 提取 变 形信 息 ， 是 一 种对 材 料 或 结 构 表 面 在 受 力 或 外 载 荷 等 因素 作用 下进 行 全场 位 移 和应 变 分 析 的测
第 ３ ５卷
第 ２期
影 像 科 学 与 光 化 学
ｍａ ｇ ｉ ｎ ｇ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｐｈ ｏ ｔ ｏ ｃ ｈ ｅ ｍｉ ｓ ｔ ｒ ｙ
Ｖｏ １ ． ３ ５ Ｎｏ ． ２
Ｍａ ｒ ．， ２ ０１ ７
２ ０ １ ７年 ３ 月
＿ ＿｝ －
１ ９ ４
影
像
科
学
与
光
化
学
第３ ５ 卷
２ ０ ０ ０ 年， Ｓ ｃ ｈ ｒ ｅ ｉ ｅ ｒ 等＿ ６ ］ 证 明了图像重建在提 高匹配精度方面的重要性 ， 利用高 阶样条插值 函
数能 够有 效 减少 测 量 产 生 的偏 差 ， 更 精 确 的测 量 图像 的位 置 。王 琛 影 等 ［ ７ ］ 讨论 了曲面拟合法 ， 通
对 附近 的拟合 曲 面进 行 求 导 ， 可 以快 速 得 到 亚 像 素匹配 点， 速 度 相 比逐 步 搜 索 法 有 很 大 提 升。 ２ ０ ０ ５年 ， 潘 兵等 ｌ ８ 将 整 像 素 位 移搜 索 和 亚像 素 位
术＿ 】 、 云纹 法、 几何相 位法 、 数 字 图 像 相 关 方 法 等ｌ ＿ 】 。基 于激光 光 源 的散 斑 干 涉 法 、 云 纹 法 和 全 息干 涉法 等 ， 需 要 良好 的隔 震环 境 ， 且 光 路 布置 比 较复 杂 ， 一 般在 实验室 进 行测 量 ， 难 以应 用 于 实际 工 程 中 。数 字 图像 相 关 法 ， 光 源 可 以直 接 使 用 自
测量“精度”与仪器“精度”
测量“精度”与仪器“精度”陆洪波;陈琪【摘要】在测量时,我们经常会提到测量结果的“精度”、测量仪器的“精度”.实际上,许多时候我们常说的“精度”并不能准确的表达我们希望传递的信息,或者说我们没有真正分清“精度”的含义.本文尝试将这一问题进行分析,期望能在使用中进行准确的表述,对“精度”的表述规范化进行探讨.【期刊名称】《北京测绘》【年(卷),期】2013(000)005【总页数】4页(P8-11)【关键词】测量;精度;准确度等级【作者】陆洪波;陈琪【作者单位】北京市测绘设计研究院,北京 100038;北京市测绘设计研究院,北京100038【正文语种】中文【中图分类】P204在自然科学中，人们通过测量得到对事物的认识，没有测量就没有科学。
测量是人类认识自然和改造自然的重要手段。
由于误差的的存在，任何测量结果均含有误差，如何评价、衡量测量结果的质量，这就涉及到测量“精度”的问题。
1 精度的含义1.1 精度的一般含义精度是精确度、准确度的简称，精度表征了测量结果与真值相符合的程度。
测量结果均含有误差，精度的高低是用误差来衡量的，误差大，精度低；误差小，精度高。
显然，误差大就不准确。
准确一词已经使用的很普遍、很习惯了，例如钟表走时很准确，炮弹准确地命中目标，等等。
因此，精度的高低意味着准确的程度，即所谓准确度（精密度）。
1.2 精度的具体含义精度是用误差来衡量的，误差按性质可分为系统误差和随机误差。
因此，精度也相应做如下区分。
1.2.1 正确度正确度表示由系统误差引起的测得值与真值的偏离程度，偏离越小，正确度越高。
系统误差越小，测量结果越正确。
1.2.2 精密度精密度指在一定的测量条件下，对某一量的多次测量中，各测量值间的离散程度（GB／T14911－2008《测绘基本术语》［3］）。
表示由随机误差引起的测得值与真值的偏离程度，偏离越小，精密度越高。
随机误差越小，测量结果越精密。
1.2.3 准确度（精确度）定义1：准确度是指“测量结果与被测量真值之间的一致程度”（JJF1001－1998《通用计量术语及定义》［6］）；定义2：准确度是指在一定测量条件下，对某一量的多次测量中，测量值的估计值与其真值的偏离程度（GB／T14911－2008《测绘基本术语》）。
非常应变模式数字图象相关测量方法的精度分析和实验研究
２ 非 常 应 变模 式数 字 图象相 关测 量 方 法 基本 原 理
图 １ 出 了 变 形 前 后 子 区 中心 点 及 附 近 点 移 动 给 情 况 的 放 大 图 ， 在 研 究 Ｐ ‰ ， ） 的 位 移 和 变 形 现 （ 点 情 况 。 为 此 考 察 以 Ｐ（ Ｙ ） 中 心 ， Ｐ 点 及 其 … 为 由 周 围 象 素 所 组 成 的 子 区变 形 前 后 的 相 关 情 况 。 设 Ｐ 点 的 位 移 为 ： ， 叉 设 Ｑ（ ， ） 为 变 形 前 子 区 中 ｎ ｙ点 任 一 点 ， Ｐ： ・ ＋△ ・。 变 形 后 ， ，。 移 到 ｐ ｉ ｙ Ｐ（ Ｙ ） 了 Ｐ （ ， ） Ｑ（ ， ） 到 了 Ｑ ， ） ｖ ， 移 （ 。
来 源 于方 法 本 身 的 近 似 假 设 和 实 际 存 在 的 离 面 位 移
的 影 响 ， 机 误 差ห้องสมุดไป่ตู้主 要 来 源 干 Ｃ Ｄ 本 身 的 噪 声 和 实 随 Ｃ 验 环境 的噪声 影 响。
收 稿 日 期 ：１９ ９９一ｌ ３ ：修 回 日期 ： ０ Ｉ Ｉ ０ ２。 基 金 项 目 ：天 津市 自妻 科 学 基 盘 （ｌ６５ ｌ ｌ ０３０２
ｐｏｏ ｅ ｒｐｓｄ
ａｅ ｒ
Ｋｅ ｏ ｄ ｙｗ ｒ ｓ：Ｄｇ ａ ｉ ｇ ｏ ｅ ｔ ｎｍ ｔ ｄ（ Ｉ Ｍ） Ｓ ｂｅ ｄ ｐ ｃｍ ｎ ｎ ｌ；Ｅ ｒ ｎ ｌ ｉ ｉｔ— ｉ ｌｍａｅ ｒ ｌ ｉ ｅ ｏ Ｄ Ｃ ： ｕ ｓｔ ｉ ｌ ｅ ｅ ｔ ｍ ｄ ｍ ａ ｓ ｃ ｒ ａｏ ｈ ｓａ ａ ｙｓ
ｌ 引 言
数 字 图 象 相 关 测 量方 法 首 先 由 Ｂ ａｋ” 出 ， ｒｃ 提 该 方法 直接 利用 数字 图象 的灰度场 变 化（ 形 前后 ） 变 来 测 量 位 移 、 变 等 力 学 参 量 ， 种 方 法 的测 量 结 果 很 应 这 大 程 度 上 取 决 于 所 用 硬 件 的 质 量 和 特 征 参 数 以 及 环 境 噪 声 的 影 响 。测 量 误 差 从 总 体 上 可 划 分 为 主要 包
利用数字图像相关法测定微区的应变场
利用数字图像相关法测定微区的应变场
罗淼;张东升
【期刊名称】《图象识别与自动化》
【年(卷),期】2006(000)001
【摘要】本文采用数字图像相关法对微小区域的变形进行测定。
通过比较变形前后的图像，获得全场的位移信息，再借助线性最小二乘法原理，对图像中各子区域的位移进行曲面拟合，应变场则由其一阶导数获得。
数值模拟结果显示，该方法可以大大提高应变场的连续性。
最后，采用自行研制的微型材料测试系统，对带孔的铜质薄膜在拉伸情况下孔边的变形场和不锈钢片的滑移变形场进行了测试。
【总页数】6页(P33-38)
【作者】罗淼;张东升
【作者单位】上海大学力学系;上海市应用数学与力学研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.41
【相关文献】
1.三维数字图像相关法的匹配策略和应变场计算 [J], 夏瀚笙;沈峘;王莹;刘敦强
2.三维数字图像相关法的匹配策略和应变场计算 [J], 夏瀚笙;沈峘;王莹;刘敦强;
3.数字图像相关法观测剪切应变场教学实验 [J], 吴凤琳;张东升
4.基于数字图像相关和有限元法分析45#钢悬臂梁在微小外力下的应变场 [J], 李义之;张元元;夏杰;
5.基于数字图像相关方法的裂隙砂岩应变场演化规律及前兆识别 [J], 张科;李娜
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
改进的数字图像应变测量方法
改进的数字图像应变测量方法张樟;徐飞鸿【摘要】为了抑制噪声的干扰,从位移场中计算得到更为精确的应变场,文章提出了一种基于三次样条函数平滑技术的最小二乘拟合法.即先通过数字图像相关方法计算得到位移场,然后对位移场x和y两个方向分别进行三次样条拟合,通过拟合的方式,以达到抑制噪声的目的.将拟合之后的位移场最终通过最小二乘法计算得到应变场.最后通过模拟散斑图进行验证,表明该方法可以解决小变形的应变场测量.【期刊名称】《北华航天工业学院学报》【年(卷),期】2017(027)004【总页数】5页(P31-35)【关键词】数字图像相关;最小二乘拟合;三次样条函数;应变【作者】张樟;徐飞鸿【作者单位】长沙理工大学土木与建筑学院 ,湖南长沙 410114;长沙理工大学土木与建筑学院 ,湖南长沙 410114【正文语种】中文【中图分类】TN911.74结构变形是直接反映结构工作特性的重要指标，是结构分析必须的参数。
无论是关于结构的计算还是针对结构的试验研究，获取工程结构的位移或应变等信息，对于引导结构分析的方向和指导工程实践都具有至关重要的意义[1]。
数字图像相关方法(Digital Image Correlation Method, DICM)是上个世纪80年代初由美国南卡罗来纳州大学的Peter和Ranson[2]最先提出。
在过去的30多年中，DICM领域中的众多学者大多将研究重点集中在如何提高其位移测量的精度上，并提出了多种亚像素位移测量算法[3,4,11]。
在实际的工程应用中，人们不仅关注结构的位移测量问题，同时关注更有实际意义的应变信息。
从数学角度看，位移与应变是一种数值差分的过程，而差分操作会将位移场中的噪声恶性放大。
此外，其他学者还提出采用薄板样条平滑[5]或者有限元平滑[6]的手段去除位移场噪声，遗憾的是这些手段数学形式与编程都异常复杂，限制了他们的推广与应用。
目前应用最为广泛的是潘兵[7]提出来的基于位移场局部最小二乘拟合的全场应变求解方法。
新型光学二维图形圆度测量装置
新型光学二维图形圆度测量装置
佚名
【期刊名称】《《军民两用技术与产品》》
【年(卷),期】2012(000)012
【摘要】中国计量科学研究院成功研制出一种高精度的新型光学二维图形圆度测量装置并通过专家验收。
该装置可用于光学影像测量设备标准器的溯源，为集成电路、印刷电路和机械零件等加工制造行业的光学制版设备和光学成像加工设备的准确度验收提供了新的可能。
【总页数】1页(P30-30)
【正文语种】中文
【中图分类】TP334.2
【相关文献】
1.圆度测量装置的控制系统设计 [J], 倪厚强;朱兴龙;高龙琴;周骥平
2.一种新型光电位移传感器在Y-200圆度测量仪中的应用 [J], 李国斌;李利歌
3.新型光学对中自动测量装置的设计 [J], 张永超;赵录怀;谭仕强
4.智能圆度测量装置的推理机制的研制 [J], 谈理;刘有毅;冯淑敏;常亮
5.发动机气缸套椭圆度测量装置 [J], 谢诚
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Experimental study of a high-accuracy two-dimensional digital image correlation system for in-plane strain measurement
YU Liping 1 PAN Bing 1 WU Dafang 1 YAN Chao 2 LIU Chengxiang 2
38
强 度 与 环 境
2013 年
针对传统 2D-DIC 测量系统客观存在的缺陷， 本文建立了使用高质量双远心镜头的高精度二 维数字图像相关测量系统，该系统用双远心镜头代替了普通的工业镜头，从而极大地抑制了上 述不利因素的影响，使 2D-DIC 方法能够获得更高的测量精度。因此，客观地比较该 2D-DIC 系 统和应变电测法的应变测量精度对推广 2D-DIC 在工程中的应用是十分有意义的。 另外， 现有文 献中已有介绍使用数字图像相关方法和电测方法同时测量材料在大变形下的应变[5-6]，少有研究 在材料的小变形阶段将 2D-DIC 方法与电测法进行仔细对比。 基于此， 本文通过实际实验仔细对 比研究了铝材试件在小变形阶段使用高精度的 2D-DIC 和电测法的测量精度。 实验结果显示本文 建立的高精度 2D-DIC 系统与修正横向效应后的直角应变花测量结果误差的均值小于 10με。并 且，由 2D-DIC 测得的弹性模量和泊松比与应变片测量结果也基本一致。
加载系统 照明光源 散斑图 数字相机
90°
双远心镜头 平面试件
计算机 图1 高精度的二维数字图像相关测量系统示意图
1.2
应变电测法 图 2 是应变电测法测量系统示意图。将电阻应变片贴于被测物体表面，实验时构件受力而
变形时，电阻应变片的敏感栅随之产生相同的应变，其电阻值发生变化。最后用应变仪测量此 电阻变化量即可测得构件表面沿敏感栅方向的应变。图 2 所粘贴的直角应变花由横向片和纵向 片组成，可同时测得构件表面沿加载方向和其垂向的应变。
（1 Institute of Solid Mechanics, Beijing University, Beijing 100191, China；2 Beijing Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing 100074, China） Abstract：As a simple yet effective optical technique, two-dimensional digital image correlation (2D-DIC) has been widely used in various fields for in-plane displacement and strain measurement of planar objects. In this paper, a high-accuracy 2D-DIC system using a high-quality telecentric lens is established to avoid the
11Leabharlann 1高精度二维数字图像相关法和应变电测法简介
使用双远心镜头的高精度二维数字图像相关测量系统 图1为高精度二维数字图像相关方法测量系统示意图， 与普通二维数字图像相关测量系统不
同，该系统采用了一个高质量的双远心镜头代替了普通的工业镜头。最近研究显示，畸变极小 且对物面和像面离面位移不敏感的高质量双远心镜头是高精度二维数字图像相关测量中必不可 少的关键光学部件。被测平面物体表面需具有随机的灰度分布（通常称为散斑场） ，该散斑场可 以通过简单的制作方法获得，然后作为变形信息载体随试样表面一起变形。实验过程中，不同 加载条件下被测物体表面的散斑图由放置在被测物体正前方的数字相机采集并存入计算机，随 后用数字图像相关方法分析可提取像面位移和应变信息，所获得的像面变形可进一步转换为物 体表面的真实变形。
第 40 卷第 1 期
俞立平等
高精度二维数字图像相关测量系统应变测量精度的实验研究
39
2 实验验证
2.1 实验 为了定量地比较高精度的 2D-DIC 系统和应变电测法的应变测量精度。 本文对 LY12 铝合金 材料在弹性小变形范 围内进行了单向拉伸 实验，并使用本文建 立的高精度二维数字 图像相关测量系统和 两个直角应变花同时 测量每级载荷下的平 均应变。实验装置如 图 3 所示，加载装置 是一台普通万能试验 机 （型号 WDW- 100A，
2013 年 2 月 第 40 卷第 1 期
强 度 与 环 境 STRUCTURE & ENVIRONMENT ENGINEERING
Feb.2013 Vol.40, No.1
高精度二维数字图像相关测量系统应变测量 精度的实验研究
俞立平 1 潘兵 1 吴大方 1 严超 2 刘成翔 2
（1 北京航空航天大学航空科学与工程学院固体力学所，北京 100191； 2 北京机电工程研究所，北京 100074） 摘要：作为一种简单有效的非接触、全场光学测试方法，二维数字图像相关法（2D-DIC）已在不同 领域广泛用于平面物体表面的面内位移和应变测量。为避免实际成像系统固有的（如镜头畸变）以及 测量过程中不可避免出现的各种不利因素（如物面离面位移、相机自热）带来的变形测量误差，建立 了使用高质量双远心镜头的高精度 2D-DIC 测量系统。为验证该系统的应变测量精度，对铝合金进行 了弹性小变形范围内拉伸实验， 并用所建立的 2D-DIC 测量系统和使用直角应变花的电测法同时测量 每级载荷下的横向和纵向应变。 实验结果显示建立的 2D-DIC 测量系统与修正横向效应后的应变电测 结果的平均绝对偏差小于 10με，由 2D-DIC 测得的弹性模量和泊松比也与应变片测量结果吻合良好。 实验结果表明建立的高精度 2D-DIC 测量系统可用于工程中材料或结构表面面内小应变的准确测量。 关键词：应变测量；二维数字图像相关法；应变片；高精度 中图分类号：TB96 文献标识码：A 文章编号：1006-3919(2013)01-0036-08
0
引言
应变测量始终是实验力学的重要任务之一。在材料科学与结构工程领域，面内变形场的高
精度测量对于材料力学性能评价及结构安全设计具有重要意义，而准确测量材料或结构在弹性 范围内的小应变往往是衡量一种测量方法测量准确度和精确度的标准。实验力学中的应变测量 方法种类丰富，常见的主要有电测法和光测法。在实际的应变测量中，由于应变电测法具有灵 敏度高，测量结果稳定等优点，使用应变片测量应变已经被广泛采用和认可。然而，应变电测 法也存在一些不足。首先，应变片只能测量一点沿一个方向上的应变（实际上是敏感栅覆盖区 域内沿栅线方向上的平均应变） ，这意味着需要粘贴大量的应变片才能获得一定区域内应变分布； 其次，应变片属于接触式测量，应变片的粘贴过程较为繁琐，且粘贴质量对测量结果也有重要 影响；此外，应变电测法的测量结果容易受测量环境的影响，通常情况下可采用温度补偿片来 减小环境温度变化的影响，但在极端高温环境下使用应变片测量应变不仅成本昂贵，而且测量 结果可信度也较低。 相比于应变电测法，使用单个镜头的二维数字图像相关法（2D-DIC）[1,2]是一种基于计算机 视觉和图像识别原理的非干涉、非接触、全场光测技术。自该方法提出以来，由于其具有光路 简单、对环境要求较低、非接触和全场测量等优点，该方法受到普遍欢迎。在 2D-DIC 的测量过 程中，首先保存初始状态下的被测物体表面的散斑图像作为参考图像，然后记录下加载后的散 斑图像作为目标图像。由于图像中每一个像素点都记录了相应物点的灰度信息，通过基于区域 的灰度匹配算法可以计算出所选定的感兴趣区域内所有点的位移和应变。 尽管 2D-DIC 具有显著优点，但在实际测量中，已有使用普通成像镜头的 2D-DIC 测量系统 本身和加载系统的不完美、不稳定会带来几百甚至上千个微应变的测量误差。首先，由于实际 被测物平面与相机传感器平面（像面）之间不会严格的平行、加载方向也会与像平面存在一定 偏差、被测材料的泊松效应以及颈缩现象等各种因素的存在，试样加载过程中其表面各点将不 可避免地出现或多或少的离面位移[3]。 离面位移会改变针孔成像模型的物距， 导致像面图像放大 倍数的改变，从而引起额外的压缩或拉伸虚应变。其次，相机通电后产生的自热或环境温度的 变化会使其内部机械支撑部件产生热变形，从而使相机传感器的位置发生微小改变，使针孔成 像模型中的像距产生微小改变。近期研究显示一般商业相机自热会在记录图像中引起约 200με 左右的虚应变[4]。此外，由于光学透镜固有的像差，加工误差和镜片装配误差等原因，任何镜头 都或多或少地存在畸变。镜头畸变会使实际像点偏离其理想位置，并引起额外的、非均匀分布 的位移和应变测量误差[5]。这些不利因素使 2D-DIC 方法在小变形测试中失准，在一定程度上限 制了 2D-DIC 方法在工程实际测量中的应用。
第 40 卷第 1 期
俞立平等
高精度二维数字图像相关测量系统应变测量精度的实验研究
37
measurement errors associated with lens distortion, out-of-plane motion of test objects and self-heating of a camera. To verify the accuracy of the strain measured by the established 2D-DIC system, uniaxial tensile tests of an aluminum specimen were performed. The axial and transversal strains measured by the proposed 2D-DIC system were carefully compared with those measured by strain gage rosettes. The perfect agreement between the two measurements further verifies the strain measurement accuracy of the established 2D-DIC system. Key words：strain measurement; digital image correlation; strain gauge; high-accuracy