兰州非接触式三维光学应变测量系统

DIC 系统结合数字图像相关技术（DIC）、双目立体视觉技术(StereoVision)以及近景摄影测量技术(Photogrammetry)，通过追踪物体表面的散斑图像，实现变形过程中物体表面的三维坐标、位移及应变的测量，具有便携，速度快，精度高，易操作等特点。

系统主要由测量头、采集控制箱、移动支撑架、计算机、检测分析软件等组成。

DIC 三维数字散斑动态变形测量分析系统是实验力学领域中一种重要的测试方法，其主要应用有：

在材料力学性能测量方面：DIC已成功应用于各种复杂材料的力学性能测试中。如火箭发动剂固体燃料、橡胶、光纤、压电薄膜、复合材料以及木材、岩石、土方等天然材料的力学性能的检测中。值得注意的是，DIC被广泛应用于破坏力学研究中，包括裂纹尖端应变场测量、裂纹尖端张开位移测量以及高温下裂纹尖端应变场测量等。

在细观力学测量方面：借助于扫描电子显微镜(SEM)、扫描隧道电子显微镜(STEM)以及原子力显微镜(AFM)，DIC被越来越多地应用于细观力学测量。最近，数字散斑相关方法还被应用于物体表面粗糙度的测量中。

在损伤与破坏检测方面：DIC被应用于多种复杂材料，如岩石材料的破坏检测中。DIC还被应用于一些特殊器件，如陶瓷电容器、电子器件，电子封装的无损检测研究中。

在生物力学测量方面：DIC被应用于测量手术复位后肱骨头在内旋转及前屈运动下大小结节的相对位移量，以及颈椎内固定器对人体颈椎运动生物力学性能的影响等。

典型应用范围：

?  应变计算、强度评估、组件尺寸测量、非线性变化的检测

?  先进材料（CFRP、木材、 内含PE的纤维、金属泡沫、橡胶等）

?  零部件试验（测量位移、应变）

?  材料试验（ 杨氏模量、泊松比、弹塑性的参数性能）

?  断裂力学性能

?  有限元分析（FEA）验证

?  动力学测量（动态测量、瞬态测量）

?  三维全场振动分析

?  高速变形测量

?  动态应变测量，如疲劳试验

?  谐振、冲击和噪声激励

?  蠕变和老化过程的特性分析

?  各种各向同性和各向异性材料变形特性

1.1  系统特色

l  系统技术先进：国内自主研发的数字图像相关法三维变形测量系统；自主知识产权的核心算法，技术指标达到国外先进水平。

l  系统应用范围广：可用于机械、材料、力学、建筑、土木等多个学科的科学研究与工程测量中，适用于大部分材料，实时获得被测物全场三维坐标、位移、应变数据。

l  系统配置灵活：支持几毫米到几米的测量幅面；支持百万至千万像素相机，支持低速到高速相机，支持千兆网和Camera Link等多种相机接口；支持任意数目相机的同时标定，支持外部图像标定，。

l  系统兼容性强：同时兼容单相机二维测量和多相机三维测量；兼容32位、64位系统。

l  辅助功能强大：具备圆形标志点动态变形测量功能；具备刚体物体运动轨迹姿态测量功能。

l  扩展接口丰富：具备试验机接口，实时采集试验机的力、位移等信号；具备杯突实验机接口，可以测量材料的FLC曲线；具备体式显微镜接口，可以实现微小型物体的三维全场变形应变检测；支持多相机组同步测量，可以同步测量多个区域的变形应变；系统具备多路A/D输入、多路D/A输出、多路开关量输入和输出，并可灵活进行扩展。

1.2  系统功能

系统基于数字图像相关法、双目立体视觉及近景摄影测量技术，通过相机拍摄的被测物变形过程中的散斑图像，快速检测被测物的全场三维坐标、位移、应变数据，测量结果三维彩色显示。系统的主要功能包括基本测量功能、分析报告功能、采集控制功能、系统辅助功能以及系统扩展接口等，具体如下：

（1）基本测量功能：

※测量幅面：支持几毫米到几米的测量幅面，根据需求可定制更多测量幅面。

测量相机：支持百万至千万像素相机，支持低速到高速相机，支持千兆网和Camera Link等多种相机接口。

※相机标定：支持1-8个相机的同时标定，支持外部图像标定。

※测量模式：同时兼容单相机二维测量和多相机三维测量。

※实时测量：采集图像的同时，可以实时进行全场应变计算，而不是事后处理。

计算模式：具备自动计算和自定义计算两种模式。

测量结果：全场三维坐标、位移、应变数据等动态变形数据，应变模式有工程应变、格林应变、真实应变等三种。

多工程：系统软件支持多工程计算、显示及分析。

※支持系统：同时支持32位、64位系统，具备多线程加速计算功能。

（2）分析报告功能

18种变形应变计算功能：X、Y、Z、E三维位移；Z值投影；径向距离、径向距离差；径向角、径向角差；应变X、应变Y和应变XY；最大主应变；最小主应变；厚度减薄量；Mises应变；Tresca应变；剪切角。

※坐标转换功能：321转换、参考点拟合、全局点转换、矩阵转换等多种坐标转换功能。

※元素创建功能：可以创建三维点、线、面、圆、槽孔、矩形孔、球、圆柱、圆锥等多种三维元素。

※分析创建功能：可以创建点点距离、点线距离、点面距离、线线夹角、线面夹角、面面夹角等多种分析。

数据平滑功能：均值，中值，高斯滤波等多种平滑功能。

数据插值功能：自动和手动两种数据插值模式。

材料性能分析：自动计算材料的弹性模量和泊松比等参数。

三维截线功能：可对三维测量结果进行直线或圆形截线分析。

曲线绘制功能：所有测量结果均可以绘制成曲线图。

FLD分析功能：可绘制和编辑FLD成形极限曲线。

视频创建功能：可将测量过程二维图像或者三维测量结果制作成视频并输出保存。

数据输出功能：测量结果及分析结果输出成报表，支持TXT，XLS，DOC文件的输出。

 

（3）采集控制功能

系统控制触发和数据采集

A/D采集：三路模拟量输入采集，A/D采集的量程由软件控制，可选量程：±10V、±5V、±2.5V、0～10V。

多种外部触发信号类型选择：模拟信号、TTL电平、光电隔离、差分输入。模拟信号电平可选择：+10V、+5V、0V、-5V、-10V。

相机同步控制：多相机外同步触发信号。

LED灯控制：控制LED光源。

 

（4）扩展接口：

※试验机接口：实时采集试验机的力、位移等信号，并与三维全场应变测量数据实现同步。

※FLC曲线测量：配合杯突试验机，参考ISO 12004-2: 2008标准进行Nakazima试验可以测得材料的FLC成形极限曲线。

※多测头同步检测：支持多相机组同步测量，相机数目任意扩展，可以同步测量多个区域的变形应变，适用于大型物体或者回转型物体的变形应变测量。

※显微应变测量：配合双目体式显微镜，系统可以实现微小型物体的三维全场变形应变检测。

※标志点动态变形检测：具备圆形标志点动态变形测量功能。

※运动轨迹姿态检测：具备刚体物体运动轨迹姿态测量功能。

1.3  技术指标

1.4  系统型号

型号	DIC-SD(标配)	DIC-HR(高分辨率)	DIC-HS(高速)
相机像素	200万	600万	200万
相机帧率	20fps	13fps	340fps
应变测量精度	0.005%	0.005%	0.005%
应变测量范围	0.01%-1000%	0.01%-1000%	0.01%-1000%

1.5  典型配置

1.6  应用案例

（1）       材料性能测试

图：材料性能测试应用案例

（2）       动态应变测量

图：动态应变测量应用案例

（3）       零部件变形测量

图：零部件变形测量应用案例

（4）       高温变形测量

图：高温应变测量应用案例

（5）       有限元验证

图：有限元验证应用案例