数字散斑-实验指导书

数字散斑相关法（DSCM ）测量物体面内位移

一． 实验目的

1．

了解和掌握DSCM 测量物体面内位移的方法和技术； 2．

学会用DSCM 方法测试试件的面内位移。

二． 实验器材和装置

实验试件为方形橡皮。试验器材有：光源、CCD 、图象卡、监视器、计算机及软件。光源为白光，由光纤灯产生。计算机及软件主要由图象采集、相关运算、数据处理等软件模块组成。实验装置和光路如图1所示。

图1 数字散斑相关方法测量示意图

三． DSCM 的基本原理

如图1所示，当白光照射到橡皮粗糙表面时，形成随机分布的散斑，用CCD 记录散斑图。物体表面的散斑随着物体的变形而运动，分析变形前后的散斑图，得到散斑沿U 和V 方向的相对位移，既物体沿横向和纵向的相对变形。变形前后的两幅散斑图存在相关性。在变形不大的情况下，物体表面的散斑场的灰度变化可以忽略不计。设（x ，y ）是变形前的一点，

（x*，y*）是变形后的相应点，两者的关系为：⎪⎪⎩

⎪⎪⎨⎧∂∂∆+∂∂∆++=∂∂∆+∂∂∆++=y v y x v x v y y y u y x u x u x x **

用函数F （x i ，y i ）表示变形前某一点（x i ，y i ）处的灰度值，G （x*I ，y*i ）表示变形后对应点（x*I ，y*i ）处的灰度值，由概率与数理统计理论可知，两者的相关系数为：

()[]()

[]

()[]()

[]

∑∑∑∑∑∑==**

====**----=

s s

s s s s

m i m j j i

m i m j j

i

m i m j j i j

i

g

y x

g f y x f g

y x

g f y x f C 11

2

11

2

11

,,,,

其中0≤C ≤1；C=1时两者完全相关；C=0时两者完全不相关。分母分别为两者的均方根，分子为两者的相关矩，f 和g 分别为()i i y x f ,和()**i i y x g ,的平均值。只要两者相关，则以位移为变量的相关函数C(u, v)曲面为一单峰曲面。当位移U, V 分别固定时，C 则为一正态分布曲线。

四． 实验内容

1． 光路A 。调整光路，将试件中间两倍高度以上的区域放入CCD 视场中，在三点弯曲试验过程中采集散斑图，分析三点弯曲过程的材料的变形规律。

2．

光路B 。调整光路，放大视场，仅取试件中部下方的微小区域（宏观上为可也认为是一点）。采集三点弯曲过程中的散斑图，计算V 场，此时V 场的平均值近似等于试件的弯曲挠度f ，则试件的弯曲弹性模量E f 为：

f

h b L P E f ∆⋅⋅⋅∆=3

3

4 式中： ΔP——载荷与挠度曲线上初始直线段的载荷增量，N ；

Δf——对应于ΔP 的试件跨度中点处的挠度增量，mm ；本实验用V 值代替。 L ——跨度，mm ； b ——试件宽度，mm ； h ——试件厚度，mm 。

五． 实验步骤

1． 把试件在加载装置上固定好。

2． 按图1摆好光路。调试光路要求成像清楚，可用带字的纸张成像来判断。 3． 用图象采集卡采集并存储不同载荷级次下的散斑图（*.bmp ）。

4． 把刻度尺贴近试件表面，刻度图片（scale.bmp ）。得到象素和毫米间的换算关系。 5． 打开DSCM 分析软件。

6． 打开需要计算的两幅散斑图，一幅为变形前的散斑图；另一幅为变形后的散斑图。 7．

用鼠标在变形后的散斑图上选定一个矩形计算区域，或者通过输入左上角和右下角两点的坐标（象素）来选定计算区域。选择X 、Y 方向的步距，一般为40，20，10等几种。

8．

点击计算。程序将对计算区域内以步距为大小的微小子集自动进行相关计算，计

算完成以后，在下面的状态栏可以看到计算的点数和计算的时间。保持数据*.txt

文件，其中五列数据（以象素表示），依次为坐标X、坐标Y、U值、V值、C

值。

六．实DSCM实验报告要求

1．采用数字散斑相关软件计算光路A的散斑图，得到U、V位移变形场。画出U 场、V场，说明三点弯曲过程的变形规律。

2．采用光路A得到的U、V位移变形场，分析、计算试件的三点弯曲应变场：εx、εy。

3．采用数字散斑相关软件计算光路B的散斑图，得到V位移变形场。计算V场的平均值，作为试件三点弯曲变形的挠度f值，求试件的弯曲弹性模量E f ，并从

材料手册上查找该材料的弯曲弹性模量，给出相对误差，分析误差来源。