一种基于光学剪切的二维光学应变花测量方法

摘要

一种基于光学剪切的二维光学应变花测量方法，该测量方法首先采用热压印方法在被测物体表面制作矩形光学应变花标记，在测量光路中放置四棱镜，引入光学剪切量，形成具有剪切量的图像，根据数字相关方法计算具有剪切量的图像中光学应变花的4个标记点的位移，根据有限元方法计算应变花区域的应变。本发明有效提高了图像质量，改善了数字相关方法的应变求解区域不大的问题，可以实现操作简单方便，在复杂工作环境下进行现场实时的高精度大区域的无损测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光学剪切的二维光学应变花测量方法。

背景技术

随着材料科学技术的发展，精确的测量材料的力学性能成为了新型材料应用的必要条件，如何无损的定量测量材料的变形场成为了研究的重点。由于光学测量方法的非接触无损测量等特性，各种光学方法已经被广泛应用于材料变形场的测量。

光学方法中主要有干涉方法和非干涉方法。其中：干涉方法包括全息干涉法、云纹干涉法、散斑干涉法等，非干涉方法主要是数字相关方法，这些方法中，干涉方法主要是利用激光干涉技术，通过分析变形引起的干涉条纹得到试件表面的变形场信息，而数字相关方法主要是通过对变形前后的图像进行相关处理分析变形场信息。对于干涉方法，由于其采用干涉原理，因此需要在隔振台上进行实验，受周围环境影响比较大，无法进行复杂工况下的现场测量。而数字相关方法虽然受环境影响小，但是此方法位移求解精度同图像放大倍数相关，随着图像放大倍数提高，位移求解精度提高，但是相应的应变计算的区域会减小。

本发明人曾在2007年4月申请了名为一种基于错位相关原理的物体应变测量方法及装置的发明专利，在该专利中，利用一块楔形镜改变物体成像位置从而改变应变计算标距，提高了应变的计算精度。但是该方法主要解决的是光学方法中应变求解精度问题，且只能进行一点的应变计算，而我们对材料进行分析的时候常常需要知道某个区域的力学性能，因此需要发展一种大区域应变测量方法

上述各种方法，在实际应用中都存在着一定的问题，无法实现操作简单方便，在复杂工作环境下的现场实时的高精度大区域的无损测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光学剪切的二维光学应变花测量方法，可以实现操作简单方便，在复杂工作环境下进行现场实时的高精度大区域的无损测量。

本发明所采用的技术方案如下：一种基于光学剪切的二维光学应变花测量方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：

1)首先在被测物体表面制作正方形光学应变花标记(a，b，c，d)，边长为2l；然后在成像光路中放置一块四棱镜，引入光学剪切量Δ，使物体所成的像变为四个完全相同且中心对称的像，分别选取该四个像中的正方形光学应变花标记的一个点，组成新的正方形光学应变花标记，最后使用数字成像设备分别记录变形前后该新的光学应变花标记像；

2)在所纪录的图像中，沿着新的正方形光学应变花标记点建立直角坐标系，得到变形前该四个标记点的坐标分别为A点(x_A，y_A)，B点(x_B，y_B)，C点(x_C，y_C)，D点(x_D，y_D)，通过数字相关方法可以得到变形后该四个标记点的坐标分别为A点(x_A^*，y_A^*)，B点(x_B^*，y_B^*)，C点(x_C^*，y_C^*)，D点(x_D^*，y_D^*)；

3)此四个标记点的x，y方向的位移分别为A点$(u_A=x_A^{*}-x_A,v_A=y_A^{*}-y_A),$B点$(u_B=x_B^{*}-x_B,v_B=y_B^{*}-y_B),$C点$(u_C=x_C^{*}-x_C,v_C=y_C^{*}-y_C),$D点$(u_D=x_D^{*}-x_D,v_D=y_D^{*}-y_D);$其中：u_A，u_B，u_C，u_D为x方向位移，v_A，v_B，v_C，v_D为y方向位移；

4)根据有限单元方法中四节点矩形单元的应变计算公式即可得到正方形光学应变花区域中任意一点(x，y)处的应变分布：

x方向应变为${ϵ}_x=\frac{1}{{4l}^2}[u_A(l+y)-u_B(l+y)-u_C(l-y)+u_D(l-y)]$

y方向应变为${ϵ}_y=\frac{1}{4l^2}[v_A(l+x)+v_B(l-x)-v_C(l-x)-v_D(l+x)]$

xy夹角方向应变为

${ϵ}_{\mathrm{xy}}=\frac{1}{4l^2}[u_A(l+x)+v_A(l+y)+u_B(l-x)-v_B(l+y)-u_C(l-x)-v_C(l-y)-u_D(l+x)+v_D(l-y)].$

上述测量方法中：光学剪切量Δ同四棱镜的棱角α成正比，且同四棱镜距成像透镜的距离l_b成正比。

上述测量方法中：所用正方形光学应变花标记采用热压印方法制作。

本发明同现有方法和装置相比，具有如下优点及突出性效果：采用热压印方法制作正方形光学应变花标记，制作方便省时省力；在测量光路中放置四棱镜引入光学剪切量，形成具有剪切量的图像，增大应变求解区域；根据数字相关方法计算具有剪切量的图像中光学应变花的四个标记点的位移，根据有限元方法计算应变花区域的应变，可以实现操作简单方便，在复杂工作环境下进行现场实时的高精度大区域的无损测量。

附图说明

图1在被测物体表面制作的光学应变花标记的示意图。

图2无四棱镜成像光路示意图。

图3有四棱镜成像光路示意图。

图4四棱镜立体结构示意图。

图5位移计算示意图。

图6应变花标记点对应关系示意图

1-成像透镜；2-四棱镜；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理和具体实施方法作进一步的说明。

图1为本发明使用的正方形光学应变花标记示意图，本发明采用热压印工艺在试件表面制作标记，该方法首先使用机械加工或者光学刻蚀等方法制作出应变花标记模板，然后将试件清洗干净，烘干后均匀涂抹光刻胶，接着将涂有光刻胶的试件放置在热压印仪上，将加工好的应变花标记模板放置在试件需要制作标记的位置，最后用热压印仪升温加压即可在试件表面复制出应变花标记(a，b，c，d)。

图2为无四棱镜成像系统的光路示意图，试件表面的正方形光学应变花标记(a，b，c，d)经过成像透镜1，成像在成像面上，原始标记间距为2l，成像面的正方形光学应变花标记的像(a^*，b^*，c^*，d^*)的间距为2k，若假设采用的数字成像设备的靶面大小为t，则成像要求2k＜t，成像系统放大倍数为m₁＝l/k。对于有四棱镜的成像系统，其成像光路如图3所示，试件表面的正方形光学应变花标记(a，b，c，d)首先经过四棱镜，引入光学剪切，然后再通过成像透镜成像在成像面上，由于四棱镜引入的光学剪切，使得正方形光学应变花在成像面上的像变为了具有剪切量的4个像，而本发明所采用的四棱镜如图4所示，为对称结构的四棱镜，所以成像面上的像为完全对称的剪切量相同的4个像。如图5示，由四棱镜产生具有剪切量的像后，分别从4个对称的像中选择1个标记点，这4个新的标记点A、B、C、D组成一个新的正方形应变花标记，该正方形的边长等于剪切量Δ，其值同四棱镜的棱角α以及四棱镜距成像透镜的距离l_b成正比。因此通过更换不同角度的四棱镜或者调整四棱镜和成像透镜之间的距离就可以改变剪切量的大小。同样假设用的数字成像设备的靶面大小为t，则成像要求Δ＜t，成像系统放大倍数为m₂＝2l/Δ，由于Δ的值可以通过棱角α和距离l_b调整，因此可以使Δ＜2k，即对于有四棱镜的成像系统，我们所能采用的成像系统的放大倍数m₁＜m₂，采用数字相关方法计算应变花标记点的位移时，其精度也会比无四棱镜的成像系统高；另一方面，若两套系统的放大倍数相同，由于Δ＜2k，则有四棱镜的成像系统的正方形光学应变花的间距将会大于无四棱镜的成像系统的正方形光学应变花的间距，即有四棱镜的成像系统所能测量的应变的区域将会大于无四棱镜的成像系统所能测量的应变的区域。

这个新的应变花标记的4个标记点和原始标记的4个标记点之间存在一个对应关系(图6)，即A点对应a点，B点对应b点，C点对应c点，D点对应d点。沿着新的正方形应变花标记的边建立直角坐标系，则可以得到变形前A、B、C、D这4个点的坐标值(x_A，y_A)，(x_B，y_B)，(x_C，y_C)，(x_D，y_D)，采用数字相关方法计算变形后A、B、C、D这4个点的坐标值(x_A^*，y_A^*)，(x_B^*，y_B^*)，(x_C^*，y_C^*)，(x_D^*，y_D^*)。此四个标记点的x，y方向的位移分别为A点$u_A=x_A^{*}-x_A,v_A=y_A^{*}-y_A,$B点$u_B=x_B^{*}-x_B,v_B=y_B^{*}-y_B,$C点$u_C=x_C^{*}-x_C,v_C=y_C^{*}-y_C,$D点$u_D=x_D^{*}-x_D,v_D=y_D^{*}-y_D.$根据有限单元方法中四节点矩形单元的应变计算公式即可得到光学应变花区域中任意一点(x，y)处的应变分布：

${ϵ}_x=\frac{1}{{4l}^2}[u_A(l+y)-u_B(l+y)-u_C(l-y)+u_D(l-y)]$

${ϵ}_y=\frac{1}{4l^2}[v_A(l+x)+v_B(l-x)-v_C(l-x)-v_D(l+x)]$

${ϵ}_{\mathrm{xy}}=\frac{1}{4l^2}[u_A(l+x)+v_A(l+y)+u_B(l-x)-v_B(l+y)-u_C(l-x)-v_C(l-y)-u_D(l+x)+v_D(l-y)]$

有上述分析可以知道，在有四棱镜的成像系统中通过调整棱角α和四棱镜距成像透镜的距离l_b，可以实现高放大倍数大区域的应变测量。

本发明的具体测量过程为，首先在试件表面需要测试区域，用热压印方法制作光学应变花标记，然后将试件放入带有四棱镜的光学成像光路，由于四棱镜产生光学剪切，形成新的应变花标记区域，接着使用数字成像设备分别记录变形前后该区域的图像，在变形前的区域中建立坐标系得到变形前应变花标记点的坐标，利用数字图像相关方法计算变形后光学应变花各个标记的坐标，根据变形前后的坐标可以得到应变花标记点的位移值，最后根据有限单元方法中四节点矩形单元的应变计算公式计算出该区域的应变值。