三维光学测试系统应用技术研究

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　　摘  要：文章介绍了三维光学测试系统在全场应变测试应用中，影响测试结果准确性的一些关键因素（边界条件）;设计了相应的试验方法和试件，通过加载试验，同时采用仿真、应变片和光学三种方法，对这些影响因素进行了量化，为三维光学测试系统在全场应变测试中更复杂应用积累了经验。
　　关键词：三维光学;全场;应变测试
　　中图分类号：TP274         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）14-0163-02
　　Abstract： In this paper， some key factors （boundary conditions） that affect the accuracy of test results in the application of three-dimensional optical testing system in full-field strain testing are introduced， and the corresponding test methods and specimens are designed. At the same time， these influencing factors are quantified by three methods of simulation， strain gauge and optics， which accumulates experience for the more complex application of three-dimensional optical testing system in full-field strain testing.
　　Keywords： three-dimensional optics; full field; strain testing
　　1 概述
　　近些年来，采用数字图像相关方法（Digital Image Correlation，DIC）测量变形成为最新的非接触式测量方法，并且应用越来越广泛。DIC是一种基于计算机视觉原理（成像）、数字图像处理与数值计算（算法）的、非接触、非干涉、全场变形光学计算方法，是当前实验力学领域最重要、最受关注、应用范围最广泛的光测力学方法，被称为实验力学中的有限元方法。自2007年以来，国际上基于DIC技术的三维光学应变测试系统在材料力学、断裂力学等方面得到了广泛应用。
　　2016年本单位购进GOM三维光学测试系统后，为了掌握该系统在结构强度测试中性能和使用方法，开展了相关研究工作。
　　2 研究目的
　　（1）获取被试件散斑喷涂工艺、测量环境照度、测试距离、测试角度、相机参数等光学应变测试关键因素对测试结果的影响。
　　（2）获取光学应变测试系统全场应变测试精度指标。
　　3 研究方案
　　利用加载装置对标准试验件进行拉伸加载，获得准确的、可重复的应变场，利用仿真计算和应变片测试结果，对三维光学应变系统进行全场应变测试技术研究。
　　3.1 试验件设计
　　根据三维光学应变测试系统量程和精度要求，试验件加载后输出应变在1000？滋ε以上比较合适。经过计算试验件中间应变均匀区应变大小、试件宽度、厚度和加载载荷关系见表1，综合考论加载装置和试件成本，试验件根据主要参数：材料为Q345。加载载荷39.4kN，试验件中间区域应变1556？滋ε，满足三维光学变形和应变测量分析系统测量范围要求，可以达到最佳测试精度。
　　3.2 加载方案
　　试件加载采用万能试验机。
　　3.3 测试方案
　　测试方案采用光学和应变片两种，在每种试件一面喷涂散斑，另一面粘贴应变片。
　　4 研究结果
　　4.1 光学应变测试数据分析区域设置
　　所有样本选择分析区域相同，数据标注点采用软件自动分布共95个，其中1-44为试件处理范围边缘一圈测点（简称边缘测点），45-95为处理范围内部测点（简称内部测点），63～74为试件中间区域测点（简称中间测点）。
　　4.2 光学应变测试系统静态测试精度研究
　　通过对白底样本12进行加载试验，获取测试数据，进行光学应变测试系统静态测试精度研究。
　　4.2.1 测试数据重复性
　　白底样本12三次加载测试数据见表2。
　　结论：测试数据有很好的重复性。
　　4.2.2 中间测点精度分析（标注点63～74）
　　取试件中间区域（标注点63～74）光学应变第一次加载测试数据、应变片测试数据进行对比，对比结论为：光学应变测试数据在800？滋ε以下误差超过10%，在1500？滋ε以上误差小于6%。
　　4.3 关键因素对光学应变测试结果的影响
　　等应变试件：
　　（1）散斑喷涂效果
　　白底01为白色底漆（直接在试件表面喷涂）+黑色散斑第1个试件，黑底01为黑色底漆（直接在试件表面喷涂）+白色散斑第1个试件;灰+黑+白01为先在试件表面喷涂灰色漆、再喷涂黑色漆、最后喷白色散斑，绿+黑+白01、红+黑+白01和红+白+黑01类似。
　　通过对试件进行加载试验，获取不同颜色底漆、黑色和白色散斑、不同特征的散斑对测试精度的影响。通过对黑色底漆+白色散斑样本1～6加载测试数据，白色底漆+黑色散斑样本1～4、6和8加载测试数据，灰+黑+白样本1、綠+黑+白样本1、红+黑+白样本1和红+白+黑样本1加载测试数据进行分析后得出结论： 　　a.邊缘标注点数据有较大误差，应避免使用。b.在数据处理软件可以识别的区域内，底漆不同对测试结果没有明显影响，内部标注点测试结果有很好的一致性。c.大直径散斑颗粒效果没有小直径好。
　　（2）景深改变
　　通过前后移动镜头支架实现景深改变（±20mm），以白底样本12为例进行了加载试验，测试结论为：变换景深（在标定范围内）对测试结果没有影响。
　　（3）改变曝光时间和增加辅助光源
　　a.无辅助光源调整曝光时间
　　在无辅助光源情况下，调整曝光时间对试件进行加载，找出测试结果满足要求的曝光时间范围（7ms～85ms），加载测试数据;曝光时间下限7ms测试数据，曝光时间9、27、48和85ms False Color图1。
　　b.有辅助光源调整曝光时间
　　在有辅助光源（两个）情况下，调整曝光时间对试件进行加载，找出测试结果满足要求的曝光时间范围。加载测试数据表明：在曝光时间在6.5～53ms之间时测试数据满足要求，其他会出现无法识别区域，曝光时间6.5和53ms。
　　结论：
　　 辅助光源对测试结果没有影响，但可以降低曝光时间，提高测试数据采集频率;
　　 光学测试系统对曝光时间的适应性比较强，有比较宽的选择范围。
　　（4）改变相机角度
　　以白底样本12为例，开展了改变相机角度对测试结果影响研究，分别调整相机上下改变16°、左右改变22°，测试数据见表4。
　　结论：改变镜头角度（±15°）对测试结果没有影响。
　　5 结束语
　　 本文通过试验手段，开展三维光学应变测试系统应用技术研究，掌握了系统的测试精度和影响因素对测试结果的影响，为后续测试系统的应用积累了经验。
　　参考文献：
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