非接触测量

光学应变测量系统的研究现状与展望

李娜1,金霞2

南京航空航天大学机电学院（南京） 210016

fengtingyuexie@

摘要: 随着科学技术的发展,应变测量技术已为公众所瞩目,而光学测量技术应用到应变测量中则成为国内外学者关注的重心。文中分析了目前国内外光学测量技术在应变测量方面的研究现状及研究动态。并结合作者在应变测量计算方面的实践经验以及对金属塑性加工领域的了解,提出了光学测量技术在力学测量方面进一步的研究方向。

关键词: 光学测量技术应变测量塑性加工

中图分类号: TH823

1.引言

测量是将一个预定的标准与一个未知量进行定量比较的过程或结果。为使该结果具有一定的意义，在测量过程中必须符合两个条件：（a）标准必须是精确的已知量，并为国际上所公认；（b）用来进行这种比较的设备和程序必须能被证明为正确的。为了能够进行统一的定量比较，已建立长度、质量、时间的标准以及由这些基本单位导出的标准。测量通常有两种方法：（a）与基准或标准进行直接比对；（b）通过一个标定系统与标准进行间接比对[1]。

在金属板材塑性加工中,确定在变形中的实际应力分布是必须的。对应力分布进行评估就称之为应力分析,它包括应力的大小和方向。就应力分析而言,应力不能直接进行测量,但可以间接地通过对变形或应变的测量而获得数据[2]。故测量技术成为影响板材应力分布准确性的一个重要因素。

随着科学技术的不断发展，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。将光学测量技术应用到金属塑性加工中应变测量方面具有重大意义.

2.工具显微镜法[3]

通常,金属板材在经过单拉、双拉等冲压工艺后,将会发生塑性变形,为了研究板材在变形中的实际应力分布,就采用网格分析法,即通过研究网格(通常是圆形网格或者方形网格)在变形前后几何量的变化,来确定板材变形后的应变,进而确定板料的实际应力分布,从而进行工艺分析、对有限元仿真模拟进行验证等.实验室最常用的做法就是通过工具显微镜,测量圆形网格变形前后直径的变化,来计算主应变。

如图1所示，在使用读数显微镜对试件上选定的椭圆网格进行测量时，要将试件位置调整到网格线最清晰为止，并要求视线垂直于被测椭圆的长轴或短轴，同时显微镜上的刻线也要垂直于被测椭圆的长轴或短轴并与被测椭圆的外边缘相切（注意每次相切的状况要一致）。但是被测椭圆的长轴和短轴实际上是个弧形，光学仪器所测数据是其投影长度。因两者相差甚微,故以投影长度代替真实长度。

图1 工具显微镜测量原理

由此可见，使用工具显微镜进行测量计算应变,需要一定的工作环境,速度慢,效率低。

3.二维的光学测量软件

目前国内已研究开发出了二维的光学应变测量系统软件。该软件通过测量板材上印制的圆形网格几何量的变化,进而计算应变值,绘制出成形极限曲线。这在一定程度上简化了计算分析的过程,提高了精度.与此同时因该软件是采用一个CCD进行图像的捕捉,此过程中单目CCD将在零件表面移动,以找到最清晰的网格进行测量；每个测量过程只能选定一个网格,并且在捕捉图像的过程中由于光线的缘故,捕捉图像的时间可能会比较长，因此这就降低了测量的效率。

国外也有此类软件，比如美国的ASAME系统就可以对平面零件进行测量.与之不同的是,ASAME软件可以测量多种网格,且每次可测量多个网格,并能够以色温图的形式显示出应变的不同。另外,可以对板材的性能进行分析[4]。

但是仅有二维零件的光学测量系统是不够的,通常板材经过塑性加工后,很大程度是要变为三维零件的,故我们要将其还原为立体状态再对其进行测量分析。因此就有了三维的光学应变测量系统.

4.三维的离线光学应变测量系统

所谓离线测量, 是针对在线测量来说的,指待零件加工完之后对零件的测量分析过程。离线测量是在已知材料性能的前提下，对变形工艺进行验证。可见，之所以进行离线测量是为了验证冲压工艺中模具的性能等,因此不需测量中间过程的应变,只需测量变形后的应变。

目前的三维离线光学应变测量系统主要是根据印制在板材上的网格在变形前后几何量的变化来测量计算的。印制的网格形状一般是规则的方形网格或者是圆形网格.这些网格因板材的变形而变形,不会因为压力或者摩擦力的作用而擦除。变形后,从不同角度进行拍摄照片,利用两张照片上的相同的点拼接成一幅照片（定义的网格如图2所示），然后根据网格图案在照片上的位置,以及拍摄时的相机的位置确定网格的三维坐标值,进而计算出网格变形前后几何量的差值[4]。

图2定义的网格

鉴于此方法,在板材变形前,利用电化学蚀刻的方法在板材表面蚀刻规则的模板规则圆点图案,在成形过程中,这些由小圆点构成的图案也会随板材的变形而发生变形。计算机根据这些圆点图案对板材定义虚拟网格（即将相邻四个圆点的圆心连成方形网格，如图3所示）,那么通过虚拟网格在变形前后几何量的变化就可以计算出应变值,并测量出网格的三维坐标等。同时可以进一步的优化冲压工艺,对有限元仿真进行验证和优化、检验冲压模具、侦测临界变形的部位、解决复杂成形问题等[5]。

图3 虚拟网格计算及编辑

之后开发出一套精度相对较高的测量系统。该系统利用计算机对板材上随机的或者规则的喷涂物（通常是喷粉或喷漆，以简化样件的准备工作）定义许多小面片,根据小面片变形前后的几何量的变化来计算板材的应变。相对前两种方法,其测量范围较大, 并且该系统携带方便。其组成设备包括:立体数码相机、图像处理系统、触发器、采集触发信号，如图4所示。

图4 三维光学离线测量系统的组成

综上，可以看出三维离线光学应变测量系统的基本原理是一致的，都是根据网格变形前后几何量的变化确定其应变的。同时也可以看到，三维离线光学应变测量系统已获得了长足的发展，正趋于成熟。但是，该系统也存在一定的不足之处，如由于是离线测量故存在特征点的精确匹配问题，因此这将影响到测量的最终精度。

5.三维在线光学应变测量系统[5]

与离线测量相对的即是在线测量。在线测量是指在板材变形过程中就对其进行测量分析的过程。可见，之所以对其进行在线测量,是为了测量其变形过程中的拉伸、疲劳等物理量，因此需要对板材的变形过程进行跟踪。同时为了提高精度,样件表面图案通常是采用随机的喷涂物,该喷涂物一般采用喷漆或者是喷粉,以便于跟踪测量。其原理如图5所示。

图5在线光学应变测量系统原理

三维在线光学应变测量系统是一种非常适合测量实际零件在静载或动载下的三维变形和应变分布的应变测量系统。该系统采用了非接触式测量，并且可以测量各种材料的变形和应变，适用于测量零件的尺寸、确定材料的成形极限曲线、强度评估、考察材料的非线性行为,描述蠕变和时效过程等。

运用此方法,就需采用一个或多个CCD相机对负载状态下的样件进行测量。首先，将样件的表面处理成随机的或规则的图案，这些图案会与样件一起变形。在不同加载情况下，采用CCD相机记录变形。图像处理的第一步是在初始状态的图像中定义许多宏观小面片（如图6所示）。