CN102012215B - 基于数字图像的非接触式光学应变测量方法及应变计 - Google Patents

Abstract

基于数字图像的非接触式光学应变测量方法，制备一应变计，应变计包括：公共镜头、焦距及光圈调节装置，在成像平面上设至少2个图像传感器；对准样品，使至少2个图像传感器能够感知到样品上的两个区域；分别确定两个图像子区域，其中心坐标分别为P（X ₁ ，Y ₁ ）和Q（X ₂ ， Y ₂ ）；记录品上的两个区域在样品变形后对应的两个新区域的图像；分别在两个新区域图像中寻找中两图像子区域的新位置，并确定新坐标P ′（X ₁ +△ X ₁ ，Y ₁ +△ Y ₁ ）和Q ′（X ₂ +△ X ₂ ，Y ₂ +△ Y ₂ ）；计算线应变ε，X方向、Y方向的距离。应变计，包括：1个公用的镜头、与镜头相连的焦距调节装置及光圈调节装置，在成像平面上设有至少2个图像传感器。

Description

基于数字图像的非接触式光学应变测量方法及应变计

技术领域

本发明涉及一种应变测量方法及传感器，尤其是一种利用数字摄像技术实现的基于数字图像的非接触式光学应变测量方法及应变计。

背景技术

长期以来，应变测量大多采用电阻应变计、光纤应变计、半导体应变计或机械引伸计等接触式的传感方式。这些测量方式不仅给被测试样以附加质量，而且其中有些由于粘接剂的使用在一定程度上也对试样起到了增强作用，使得这些测量方式在越来越多的生物材料、薄膜材料等试样的测量方面不能被接受。而目前已商品化的视频光学引伸计，虽然利用视频技术实现了非接触测量，但其所能达到的应变分辨率却远远不能满足测量的需要。其绝对变形的分辨力一般都在微米量级，相对变形的分辨率最高也只能达到视场的1/100000，即10个微应变(Instron公司的Advanced Video Extensometer)。

发明内容

本发明提供一种基于数字图像的非接触式光学应变测量方法及应变计，其具有分辨率高和操作方便的优点。

本发明采用如下技术方案：

一种基于数字图像的非接触式光学应变测量方法，

步骤1制备一应变计，所述应变计包括：1个公共镜头、与镜头相连的焦距调节装置及光圈调节装置，在成像平面上设置至少2个图像传感器；

步骤2将应变计的镜头对准样品，调节焦距和光圈，使至少2个图像传感器能够感知到样品上的两个区域；

步骤3分别在上述两个区域的图像上确定两个图像子区域，图像子区域的中心坐标分别为P(X₁，Y₁)和Q(X₂，Y₂)；

步骤4使样品发生变形，记录步骤2中所述样品上的两个区域在样品变形后对应的两个新区域的图像；

步骤5用数字图像相关分析技术分别在两个新区域图像中寻找步骤3中两图像子区域的新位置，并确定所对应的新的中心坐标P′(X1+ΔX₁，Y₁+ΔY₁)和Q′(X₂+ΔX₂，Y₂+ΔY₂)；

步骤6计算(X₁，Y₁)和(X₂，Y₂)之间的线应变ε，

X方向： ${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{\mathrm{\Δ}{X}_1-\mathrm{\Δ}{X}_2}{D_x(P,Q)}$

Y方向： ${\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{\mathrm{\Δ}{Y}_1-\mathrm{\Δ}{Y}_2}{D_y(P,Q)}$

其中，D_x(P，Q)为P(X₁，Y₁)和Q(X₂，Y₂)之间在X方向上的距离，D_y(P，Q)为P(X₁，Y₁)和Q(X₂，Y₂)之间在Y方向上的距离。

本发明所述的一种用于基于数字图像的非接触式光学应变测量方法的应变计，包括：1个公用的镜头、与镜头相连的焦距调节装置及光圈调节装置，在成像平面上设有至少2个图像传感器。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明采用一个公共的成像镜头，而在像平面上至少设置2个图像传感器的方法来实现高分辨率的应变测量。

本发明为了克服现有视频引伸计和应变计测量方式的不足，采用了大像场的测量镜头。2至4个相距一定距离的高分辨率图像传感器布置在1个共用镜头的像平面上，以实现一维、二维应变测量和平面应变(应变花)测量。

本发明包括测量镜头和与镜头相连的2至4个高分辨率CMOS(或CCD)图像传感器。通过选用不同的镜头可以把试样表面相距不同距离的2(3或4)个区域按同一放大倍数分别成像在2(3或4)个CMOS图像传感器上。若选用图像传感器的像素尺寸为2.2微米，而采用数字图象相关分析软件可以使图像的亚象素分辨力达到0.03像素，对应的物理分辨力为2.2×0.03微米，即0.066微米(66纳米)。因此，如果2个图像传感器之间的距离为66毫米，则与此距离对应的应变分辨率即为1个微应变(百万分之一)。

本发明与现有的采用1个镜头和1个图像传感器的方案相比有以下不可替代的特点，本发明的用于变形测量的空间分辨率有可能提高数倍甚至1个数量级。由于本发明使用1个镜头，虽然像面上图像传感器间的距离不能任意缩小，但通过增加镜头的放大倍数可以改变被测目标之间的距离到足够小。而多镜头方案，若采用平行布置，则2镜头光轴的间距即为被测目标间的最小距离；若采用非平行布置，则由于像平面与物平面不平行，将大大增加计算的复杂性；多镜头方案在使用时对于焦距和光圈的调节都很难保证不同镜头间的一致性，由此引起放大倍数的误差和图像亮度的差别将给测量结果带来较大的误差；本发明的***标定要比多镜头***简单得多。由于应变测量的是相对变形，因此，只要传感器之间的相对位置不发生改变，即使重新对焦，也无需重新标定。

总之，①由于本发明采用了多图像传感器的测量方案，使得应变测量的分辨力达到1个微应变；②由于本发明选用了大像场、低畸变的测量镜头使得测量的畸变校正更为方便可靠；③由于本发明采用了4图像传感器的测量方案，实现了光学应变花的测量功能；④由于本发明采用了数字图像相关技术进行图像分析，通常情况下无需在被测表面做任何标记。

附图说明

图1是本发明测量装置示意图。

图2是本发明测量方法的流程图。

图3是实施例4示意图。

图4是实施例5示意图。

图5是实施例6示意图。

图6是实施例7示意图。

具体实施方式

一种用于表面应变分析的光学应变花，包括1个大像场测量镜头1，和与镜头1相连的焦距调节装置2及光圈调节装置3，其作用是把被测表面4上的4个定标区域分别成像在4个图像传感器上。图像传感器5把光学图像转变为数字图像通过计算机接口送给计算机进行分析。当被测表面发生变形时，计算机不断获取被测表面定标区域的图像，通过目前常用的数字图象相关分析软件精确分析相邻2图像之间4个定标区域的相对变形即可得到被测表面的线应变和剪应变。

实施例1

一种基于数字图像的非接触式光学应变测量方法，

步骤1制备一应变计，所述应变计包括：1个公共镜头1、与镜头1相连的焦距调节装置2及光圈调节装置3，在成像平面上设置至少2个图像传感器5；

步骤2将应变计的镜头1对准样品，调节焦距和光圈，使至少2个图像传感器5能够感知到样品上的两个区域；

步骤3分别在上述两个区域的图像上确定两个图像子区域，图像子区域的中心坐标分别为P(X₁，Y₁)和Q(X₂，Y₂)；

步骤4使样品发生变形，记录步骤2中所述样品上的两个区域在样品变形后对应的两个新区域的图像；

步骤5用数字图像相关分析技术分别在两个新区域图像中寻找步骤3中两图像子区域的新位置，并确定所对应的新的中心坐标P′(X₁+ΔX₁，Y₁+ΔY₁)和Q′(X₂+ΔX₂，Y₂+ΔY₂)；

步骤6计算(X₁，Y₁)和(X₂，Y₂)之间的线应变ε，

X方向： ${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{\mathrm{\Δ}{X}_1-\mathrm{\Δ}{X}_2}{D_x(P,Q)}$

Y方向： ${\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{\mathrm{\Δ}{Y}_1-\mathrm{\Δ}{Y}_2}{D_y(P,Q)}$

其中，D_x(P，Q)为P(X₁，Y₁)和Q(X₂，Y₂)之间在X方向上的距离，D_y(P，Q)为P(X₁，Y₁)和Q(X₂，Y₂)之间在Y方向上的距离。

实施例2

一种用于基于数字图像的非接触式光学应变测量方法的应变计，包括：1个公用的镜头1、与镜头1相连的焦距调节装置2及光圈调节装置3，在成像平面上设有至少2个图像传感器5，图像传感器5可以选择2个、3个或4个，在本实施例中，在成像平面上设有3个图像传感器(5)，且每2个的连线相交。

实施例3

一种用于基于数字图像的非接触式光学应变测量方法的应变计，包括：1个公用的镜头1、与镜头1相连的焦距调节装置2及光圈调节装置3，在成像平面上设有至少2个图像传感器5，在本实施例中，在成像平面上设有4个图像传感器(5)，且4个图像传感器按照2×2阵列分布。

实施例4

用于拉升试验中的单向线应变测量(结合载荷测量数据，可以测量材料的弹性模量)

步骤1制备测量单向线应变(一维)的应变计，包括：1个公共镜头、与镜头相连的焦距调节装置及光圈调节装置和在成像平面上设置的2个图像传感器(5)(如图3)；

步骤2将应变计的镜头对准样品，调节焦距和光圈，使2个图像传感器(5)能够感知到样品上的两个区域；

步骤3分别在上述两个区域的图像上确定并记录两个图像子区域，图像子区域的中心坐标分别为P(X₁，Y₁)和Q(X₂，Y₂)；

步骤4拉伸样品，记录样品变形后步骤2中样品上的两个新区域的图像；

步骤5用数字图像相关分析技术分别在两个新区域图像中寻找步骤3中两图像子区域的新位置，并确定所对应的新的中心坐标P′(X₁+ΔX₁，Y₁+ΔY₁)和Q′(X₂+ΔX₂，Y₂+ΔY₂)；

步骤6计算P(X₁，Y₁)和Q(X₂，Y₂)之间的线应变ε_y

Y方向的线应变： ${\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{\mathrm{\Δ}{Y}_1-\mathrm{\Δ}{Y}_2}{D_y(P,Q)}$

其中，D_y(P，Q)为P(X₁，Y₁)和Q(X₂，Y₂)之间在Y方向上的距离。

实施例5

用于拉升试验中的双向线应变测量(可以直接测量材料的泊松比)

步骤1制备测量双向线应变(二维)的应变计，包括：1个公共镜头、与镜头相连的焦距调节装置及光圈调节装置和在成像平面上设置成“品”字形布置的3个图像传感器(5)(如图4)；

步骤2将应变计的镜头对准样品，调节焦距和光圈，使3个图像传感器(5)能够感知到样品上的3个区域；

步骤3分别在上述3个区域的图像上确定并记录3个图像子区域，图像子区域的中心坐标分别为P(X₁，Y₁)、Q(X₂，Y₂)和R(X₃，Y₃)；

步骤4拉伸样品，记录样品变形后步骤2中样品上的3个新区域的图像；

步骤5用数字图像相关分析技术分别在3个新区域图像中寻找步骤3中的3个图像子区域的新位置，并确定所对应的新的中心坐标P′(X₁+ΔX₁，Y₁+ΔY₁)、Q′(X₂+ΔX₂，Y₂+ΔY₂)和R′(X₃+ΔX₃，Y₃+ΔY₃)；

步骤6计算材料泊松比μ

X方向的线应变： ${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{\mathrm{\Δ}{X}_2-\mathrm{\Δ}{X}_3}{D_x(Q,R)}$

其中，D_x(Q，R)为Q(X₂，Y₂)和R(X₃，Y₃)之间在X方向上的距离。

Y方向的线应变： ${\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{\mathrm{\Δ}{Y}_1-\frac{1}{2}(\mathrm{\Δ}{Y}_2+\mathrm{\Δ}{Y}_3)}{D_y(P,\mathrm{QR})}$

其中，D_y(P，QR)为P(X₁，Y₁)到Q(X₂，Y₂)和R(X₃，Y₃)连线中点之间在Y方向上的距离。

泊松比： $\mathrm{\μ}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x}{{\mathrm{\ϵ}}_y}.$

实施例6

用于双向线应变和角应变(剪应变)测量

步骤1制备测量双向线应变和角应变的应变计，包括：1个公共镜头、与镜头相连的焦距调节装置及光圈调节装置和在成像平面上设置成直角布置的3个图像传感器(5)(如图5)；

步骤2将应变计的镜头对准样品，调节焦距和光圈，使3个图像传感器(5)能够感知到样品上的3个区域；

步骤3分别在上述3个区域的图像上确定并记录3个图像子区域，图像子区域的中心坐标分别为P(X₁，Y₁)、Q(X₂，Y₂)和R(X₃，Y₃)；

步骤4使样品变形，记录样品变形后步骤2中样品上的3个新区域的图像；

步骤5用数字图像相关分析技术分别在3个新区域图像中寻找步骤3中的3个图像子区域的新位置，并确定所对应的新的中心坐标P′(X₁+ΔX₁，Y₁+ΔY₁)、Q′(X₂+ΔX₂，Y₂+ΔY₂)和R′(X₃+ΔX₃，Y₃+ΔY₃)；

步骤6计算线应变和角应变

X方向的线应变： ${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{\mathrm{\Δ}{X}_2-\mathrm{\Δ}{X}_3}{D_x(P,Q)}$

Y方向的线应变： ${\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{\mathrm{\Δ}{Y}_1-\mathrm{\Δ}{Y}_2}{D_y(P,Q)}$

角应变： $\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{\Δ}{Y}_2-\mathrm{\Δ}{Y}_3}{D_x(Q,R)}+\frac{\mathrm{\Δ}{X}_1-{\mathrm{\ΔX}}_2}{D_y(P,Q)}$

其中，D_x(Q，R)为Q(X₂，Y₂)和R(X₃，Y₃)之间在X方向上的距离，D_y(P，Q)为P(X₁，Y₁)和Q(X₂，Y₂)之间在Y方向上的距离。

实施例7

用于3向线应变测量的光学应变花

步骤1制备测量3向线应变的光学应变花，包括：1个公共镜头、与镜头相连的焦距调节装置及光圈调节装置和在成像平面上布置成2×2阵列的4个图像传感器(5)(如图6)；

步骤2将应变计的镜头对准样品，调节焦距和光圈，使4个图像传感器(5)能够感知到样品上的4个区域；

步骤3分别在上述4个区域的图像上确定并记录4个图像子区域，图像子区域的中心坐标分别为P(X₁，Y₁)、Q(X₂，Y₂)、R(X₃，Y₃)和S(X₄，Y₄)；

步骤4使样品变形，记录样品变形后步骤2中样品上的4个新区域的图像；

步骤5用数字图像相关分析技术分别在4个新区域图像中寻找步骤3中的4个图像子区域的新位置，并确定所对应的新的中心坐标P′(X₁+ΔX₁，Y₁+ΔY₁)、Q′(X₂+ΔX₂，Y₂+ΔY₂)、R′(X₃+ΔX₃，Y₃+ΔY₃)和S′(X₄+ΔX₄，Y₄+ΔY₄)；

步骤6计算线应变

X方向的线应变： ${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{\mathrm{\Δ}{X}_2-\mathrm{\Δ}{X}_3}{D_x(Q,R)}$

Y方向的线应变： ${\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{\mathrm{\Δ}{Y}_1-\mathrm{\Δ}{Y}_2}{D_y(P,Q)}$

45°方向的线应变： ${\mathrm{\ϵ}}_{45}=\frac{({\mathrm{\ΔX}}_2\cos \frac{\mathrm{\π}}{4}+{\mathrm{\ΔY}}_2\cos \frac{\mathrm{\π}}{4})-({\mathrm{\ΔX}}_4\cos \frac{\mathrm{\π}}{4}+{\mathrm{\ΔY}}_4\cos \frac{\mathrm{\π}}{4})}{D_{45}(Q,S)}$

其中，D_x(Q，R)为Q(X₂，Y₂)和R(X₃，Y₃)之间在X方向上的距离，D_y(P，Q)为P(X₁，Y₁)和Q(X₂，Y₂)之间在Y方向上的距离，D₄(Q，S)为Q(X₂，Y₂)和S(X₄，Y₄)之间的距离。

Claims (1)

1. 一种基于数字图像的非接触式光学应变测量方法，其特征在于，

步骤1 制备一应变计，所述应变计包括：1个公共镜头（1）、与镜头（1）相连的焦距调节装置（2）及光圈调节装置（3），在成像平面上设置至少2个图像传感器（5）；

步骤2 将应变计的镜头（1）对准样品，调节焦距和光圈，使至少2个图像传感器（5）能够感知到样品上的两个区域；

步骤3 分别在上述两个区域的图像上确定两个图像子区域，图像子区域的中心坐标分别为P（X ₁ ，Y ₁ ）和Q（X ₂ ，Y ₂ ）；

步骤4 使样品发生变形，记录步骤2中所述样品上的两个区域在样品变形后对应的两个新区域的图像；

步骤5 用数字图像相关分析技术分别在两个新区域图像中寻找步骤3中两图像子区域的新位置，并确定所对应的新的中心坐标P′（X ₁ +△X ₁ ，Y ₁ +△Y ₁ ）和Q′（X ₂ +△X ₂ ，Y ₂ +△Y ₂ ）；

步骤6 计算P（X ₁ ，Y ₁ ）和Q（X ₂ ，Y ₂ ）之间的线应变ε，

X方向：                                               

Y方向：

其中，D _x (P，Q) 为P（X ₁ ，Y ₁ ）和Q（X ₂ ，Y ₂ ）之间在X方向上的距离，D _y (P，Q) 为P（X ₁ ，Y ₁ ）和Q（X ₂ ，Y ₂ ）之间在Y方向上的距离。

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