数字图像相关测量中若干关键问题研究

Digital image correlation (DIC) has become the most active measurement method in the field of photomechanics due to its simple equipment, low environmental vulnerability and other advantages. However, the consistency of measurement is easily affected by various factors, such as speckle preparation qualities, calculation methods, parameters selection and so on. In this case, for high-precision measurement, it’s difficult to verify and quantify the correctness of the results. These causes really restrict the wider industrial applications of DIC and have become the bottleneck to the process of DIC industrialization. To solve these problems, this project aims to undertake the following researches: optimization design and standardization manufacture of the speckle fields, optimal algorithms and preferred parameters selection, establishment and verification of surface deformation field measurement standard. Through standardization of speckle image and physical parameters of the system, fixing the calculation methods, the consistency of measurement is achieved consequently. Under the premise of consistency, interferometry technique in laser wavelength traceability can be used to calibrate the metering and to establish a complete verification program of calibration, so that reliability and validity of the measurement results can be assured. Therefore, making this method verified and certified by metrology will have significant importance to speed up the industrialization of DIC if the measuring equipment met the demand of the whole field deformation measurement.

数字图像相关测量方法以其设备简单、使用环境要求低等优势，已成为光测力学研究领域最为活跃的测量方法。然而，对于高精度测量，由于受散斑质量、硬件条件、计算方法、参数选取等诸多因素影响，测量结果的一致性难以保证，因此导致无法对其测量结果的正确性进行计量检定。这就使得该方法在更加广泛的工业应用方面受到了极大的制约，成为该方法在工业化进程中的瓶颈。针对这些问题，本项目将开展散斑场优化设计与规范制作、算法与参数优选、表面变形场计量标准及检定方法等研究。通过规范化散斑图样和系统物理参数，固定计算方法，实现测量结果一致性。在一致性得以保证的前提下，进一步利用溯源于激光波长的干涉计量术进行定标，建立起一套完整的表面变形计量检定方案，确保测量结果的可靠性和正确性。使数字图像测量方法真正成为一种可以被计量检定认证，能满足全场变形测量需要的计量测试手段，这对加快数字图像相关测量技术的工业化应用有着极其重要的意义。

数字图像相关测量方法以其设备简单、使用环境要求低等优势,是近20年来光测力学研究领域最为活跃的全场变形测量方法。随着微电子技术的不断进步，数字图像测量技术必将具有更为广阔的研究和应用前景。然而，对于高精度测量而言,由于受散斑质量、硬件条件、计算方法、参数选取等因素影响，测量结果的一致性难以保证，因此，导致测量结果的正确性无法进行计量检定，这就使得该方法在更加广泛的工业应用方面受到了极大的制约。.针对以上问题，本项目提出了量化的散斑场最优参数设计方案，并研究了水转印、UV平板打印以及薄膜印刷等多种具有优越光学效应，且方便快捷的散斑图案制作方法，实现了标准化优化散斑的实物制作。通过对3个正交方向上位移测量精度的优化，规定了相机内外参数的设计范围和光源照度、曝光时间等参数的设定规则，保证了高质量散斑图像采集。根据实际使用环境规定了相应的软硬件操作规程，藉以固定的数字图像相关计算参数和搜索迭代方法，保证了结果的一致性。采用溯源于激光波长（532nm）的干涉计量技术，对全场测量结果进行校验，验证了系统标定的正确性。经江苏省计量科学研究院检定，按上述方法建立的测量系统，3个正交方向的位移测量示值误差校准结果的扩展不确定度分别为1.2、1.2和1.4微米（对应60mm视场，10mm量程，K=2）。以此为基础建立的测试标准《聚合物基复合材料拉伸性能数字图像相关试验方法》已由浙江省计量测试学会颁布。.本项目的研究成果已经在重型运载火箭箭体结构荷载试验、混凝土结构足尺模型试验等大型结构变形测量中得到了成功应用。采用薄膜印刷技术制作的优化数字散斑，在箭体舱段荷载试验全周测量中实现了90平方米等精度全场（近5000万点）变形同时测量（位移静态噪声标准差不超过0.01mm）。并且采用固定的计算参数和优化算法，实现了全场变形的实时显示。该技术的应用对于研究大型薄壁结构屈曲失稳和大型混凝土结构破坏行为都将具有重要的科学意义。

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