现代光测力学在工程应用中的几个关键问题研究

摘要

科学研究和工程技术的飞速发展对实验力学各种测试手段的要求越来越高。传统的测试手段，如应变片、引伸计、百分表等，常受制于测点单一、量程限制、干扰试件变形、耐疲劳性能差等因素，无法满足现代工程测试的需求。作为实验力学的分支学科，现代光测力学测试方法以其无损伤、非接触、全场测量、无附加质量、灵敏度高等优点在实际应用中具有独特的优势，已广泛应用于许多工业领域。其中，数字图像相关技术和剪切散斑干涉测量技术由于设备简单、精度高、对测量环境要求低，尤其适合于实际工程测量。然而，现代光测力学在应用和推广的过程中也面临着一些问题和挑战，本文针对其中的几个关键问题进行了深入研究，提出了进一步提高测量分辨率和可靠性的新方法。
　　1、提出一种基于光学引伸计原理的高分辨率应变测量方法，解决了工程应用中面内均匀应变测量分辨率低的问题。与普通成像设备不同的是，所提出光学引伸计利用两个相同的图像芯片和大像场镜头进行图像采集，客观上通过增大应变计算标距提高了应变测量分辨率。针对物体表面离面位移的影响而提出了修正片方法，对测量所得应变进行修正，消除了离面位移引入的虚假应变，使得面内应变测量的分辨率达到2～3με。并成功将此方法应用于竹胶合薄板弹性模量测量和基于环芯法的混凝土现存应变测量，均取得了很好的效果。
　　2、针对工程测试中面内非均匀变形测量分辨率低的问题，提出了一种超分辨率数字图像采集方法以获取高分辨率数字图像用于数字图像相关运算，提高了非均匀变形测量的分辨率。通过在远心镜头前放置平板玻璃并进行转动使被测光场和采集图像产生相应的亚像素平移，再将序列亚像素平移图合成为高分辨率的数字图像，增大了成像系统的分辨率。将合成的数字图像用于相关运算，获得更高的应变和位移测量分辨率。分别通过数值模拟和面内旋转实验进行验证，证实了该方法的有效性。
　　3、激光干涉测量技术测量离面位移由于需要隔震条件无法用于工程现场测试，因而本文提出了基于剪切散斑干涉的离面位移测量方法。剪切散斑干涉法拥有波长量级的灵敏度同时对隔震和测量环境要求不高，适用于工程应用中的精密测量。为了将剪切散斑干涉法应用于离面位移测量，提出了双剪切散斑干涉光路来测量两正交方向的离面位移梯度场，之后运用两步积分法从种子点开始积分两次获得全场的相对离面位移。数值模拟和实验均说明测量结果不受种子点位置和积分初始方向的影响，与电子散斑干涉测量结果的对比证实了本方法的高灵敏度和可靠性，为工程应用中离面位移的精密测量提供新的途径。
　　4、编写了基于剪切散斑干涉法的图像采集和相移控制软件，使用多线程技术实现了图像实时显示、改变输出电压进行相移控制、序列相移图采集等功能，避免它们之间的互相干扰。结合自主研发的便携式剪切散斑干涉仪，将剪切散斑干涉法应用于受均布载荷的真空平板玻璃实验，实现了其表面离面位移的高灵敏度测量。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 工程结构变形测量中的典型需求及研究现状

1．1．2 光测力学中的主要测试技术

1．2 工程实际测量中的两种光测力学测试技术

1．2．1 数字图像相关法

1．2．2 剪切散斑干涉法

1．3 本文主要研究内容

参考文献

第二章 高分辨率光学引伸计的原理及应用

2．1 引言

2．2 二维数字图像相关测量系统的组成及原理

2．2．1 二维数字图像相关测量系统的组成

2．2．2 二维数字图像相关的基本原理

2．2．3 相关函数

2．2．4 整像素位移的相关搜索

2．2．5 亚像素定位技术

2．3 应变计算方法

2．4 光学引伸计的原理及其构成

2．4．1 光学引伸计的原理

2．4．2 光学引伸计中的离面位移影响的消除

2．5 单轴拉伸试件的测量

2．5．1 铝片表面拉伸应变的测量

2．5．2 竹胶合薄板表面拉伸应变和弹性模量的测量

2．5．3 基于环芯法的混凝土现存应变测量

2．6 本章小结

参考文献

第三章 超分辨率数字图像采集技术用于提高面内非均匀变形测量分辨率

3．1 引言

3．2 基于远心镜头的图像超分辨率原理

3．2．1 远心镜头原理

3．2．2 基于远心镜头和平板玻璃的光场平移

3．2．3 图像超分辨率原理

3．3 图像超分辨率的数字图像模拟试验

3．4 数字图像相关方法位移和应变测量分辨率的提高

3．4．1 图像超分辨率设备

3．4．2 刚体面内旋转实验

3．5 本章小结

参考文献

第四章 基于剪切散斑干涉的离面位移测量方法

4．1 引言

4．2 剪切散斑干涉术测量原理

4．2．1 离面位移梯度测量原理

4．2．2 傅里叶变换法

4．2．3 时间相移法

4．2．4 相位解包裹

4．3 双剪切散斑干涉光路

4．4 两步积分法

4．5 实验验证

4．5．1 模拟试验

4．5．2 周边固支平板离面位移的测量

4．6 本章小结

参考文献

第五章 基于剪切散斑干涉的真空平板玻璃离面位移测量

5．1 引言

5．2 剪切散斑干涉测量系统

5．2．1 硬件系统

5．2．2 相移控制与图像采集软件

5．3 真空平板玻璃离面位移的测量

5．4 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6．1 全文工作总结

6．2 今后工作展望

攻读博士学位期间发表的论文

致谢