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有关三维光学测试系统应用的分析
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。
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1、概述
近些年来，采用数字图像相关方法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1000με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1556με，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。
表1试验件参数
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800με以下误差超过10%，在1500με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、绿+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.边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5msFalseColor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。
表4白底12改变相机角度加载测试数据
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：
[1]胡雪兵.风电叶片单/双轴测试及其全场三维变形分析[J].玻璃钢/复合材料,2015(9):39-46.
[2]王世斌.一种新的全场应变光学测量方法[J].实验力学,1997,12(1):56-62.
[3]潘兵，谢惠民.数字图像相关中基于位移场局部最小二乘拟合的全场应变测量[J].光学学报,2007,27(11):1980-1986.
陆江.三维光学测试系统应用技术研究[J].科技创新与应用,2020(14):163-164.
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2020-08-10我要评论
期刊名称：应用光学
期刊人气：3788
主管单位：中国兵器工业集团公司
主办单位：中国兵工学会,中国兵器工业第二〇五研究所
出版地方：陕西
专业分类：科学
国际刊号：1002-2082
国内刊号：61-1171/O4
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创刊时间：1980年
发行周期：双月刊
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2020-05-17
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