便携式单相机原位三维变形测量系统及其应用研究

摘要

数字图像相关（Digital Image Correlation,DIC）测量技术是20世纪80年代初出现的一种用于测量全场形貌、位移和变形的非干涉光学测量方法。相比于全息干涉、散斑干涉和云纹干涉等基于相干光的光学干涉技术，DIC方法除具有非接触、高分辨率等特点外，还具有对实验环境要求低、试件准备相对容易等诸多显著优势。然而，一个典型的三维数字图像相关（3D-DIC）系统通常都需要两个或两个以上的相机多角度观测目标，使用过程中3D-DIC测量系统的标定过程相对比较繁琐，在许多情况下应用受到限制。因此，需要研制一种结构紧凑，标定方便的三维变形测量装置。 运用单相机系统的数字图像相关技术实现三维形貌和变形测量是本文研究的重点内容。为实现这一目标，研制了一台便于携带，易于安装的单相机三维变形测量系统（数字图像相关应变传感(DIC-SS)），该系统不仅可以直接测量物体表面的三维形貌，而且由于测量头小巧便携，对于大型结构测量可直接安装在被测结构表面，很好地消除结构的刚体位移，获得高精度的应变测量结果。 为了保证长时间高精度的应变测量，本文提出了基于试件表面散斑图案的单相机系统自标定方法，实现了单相机3D-DIC系统的实时标定，降低环境温度等因素对测量精度的影响，大大提高了表面应变测量的稳定性。使用自标定功能的单相机3D-DIC系统已成功用做高精度的视频引伸计。 本文所研制的测量系统主要由一个相机、一个三棱镜和两个反射镜组成。反射镜和三棱镜的作用在于将一个单相机系统转换成一个双目立体视觉系统，进而利用一分为二的相机传感器从两个不同方向观测被测物体并记录图像，以此实现三维测量。论文不仅对测量头的光学设计以及运用该系统进行三维变形测量的具体步骤进行了详细论述，还通过测量中心受力的铝质圆盘的面内和离面位移验证了光学系统的有效性和测量精度，并通过三点弯曲试验获得了弯曲梁的表面位移和应变场。试验结果表明本文研制的测量系统可以有效地测得全场三维变形，其测量精度可以达到与多相机测量系统相同的水平。 由于所研制的测量头具有体积小、重量轻、便于安装等特点，加上自标定功能，使得本文提出的光学测量系统在三维变形测量方面有着巨大的潜在应用价值。同时，无论是在实验室还是工程实际测量，该系统都方便实用，因而，该系统将会在工业和工程实际测量中得到广泛运用。