專利名稱：一種基于光學(xué)剪切的二維光學(xué)應(yīng)變花測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于光學(xué)剪切的二維光學(xué)應(yīng)變花測量方法。
背景技術(shù)：
隨著材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，精確的測量材料的力學(xué)性能成為了新型材料應(yīng)用的必要條件， 如何無損的定量測量材料的變形場成為了研究的重點。由于光學(xué)測量方法的非接觸無損測量 等特性，各種光學(xué)方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于材料變形場的測量。
光學(xué)方法中主要有干涉方法和非干涉方法。其中干涉方法包括全息千涉法、云紋干涉
法、散斑干涉法等，非干涉方法主要是數(shù)字相關(guān)方法，這些方法中，干涉方法主要是利用激 光干涉技術(shù)，通過分析變形引起的干涉條紋得到試件表面的變形場信息，而數(shù)字相關(guān)方法主 要是通過對變形前后的圖像進行相關(guān)處理分析變形場信息。對于干涉方法，由于其采用千涉 原理，因此需要在隔振臺上進行實驗，受周圍環(huán)境影響比較大，無法進行復(fù)雜工況下的現(xiàn)場 測量。而數(shù)字相關(guān)方法雖然受環(huán)境影響小，但是此方法位移求解精度同圖像放大倍數(shù)相關(guān)， 隨著圖像放大倍數(shù)提高，位移求解精度提高，但是相應(yīng)的應(yīng)變計算的區(qū)域會減小。
本發(fā)明人曾在2007年4月申請了名為一種基于錯位相關(guān)原理的物體應(yīng)變測量方法及裝置 的發(fā)明專利，在該專利中，利用一塊楔形鏡改變物體成像位置從而改變應(yīng)變計算標距，提高 了應(yīng)變的計算精度。但是該方法主要解決的是光學(xué)方法中應(yīng)變求解精度問題，且只能進行一 點的應(yīng)變計算，而我們對材料進行分析的時候常常需要知道某個區(qū)域的力學(xué)性能，因此需要 發(fā)展一種大區(qū)域應(yīng)變測量方法
上述各種方法，在實際應(yīng)用中都存在著一定的問題，無法實現(xiàn)操作簡單方便，在復(fù)雜工 作環(huán)境下的現(xiàn)場實時的高精度大區(qū)域的無損測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于光學(xué)剪切的二維光學(xué)應(yīng)變花測量方法，可以實現(xiàn)操作簡單 方便，在復(fù)雜工作環(huán)境下進行現(xiàn)場實時的高精度大區(qū)域的無損測量。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下 一種基于光學(xué)剪切的二維光學(xué)應(yīng)變花測量方法，其特征在 于該方法按如下步驟進行
1) 首先在被測物體表面制作正方形光學(xué)應(yīng)變花標記(a，b,c,d)，邊長為2/;然后在成像 光路中放置一塊四棱鏡，引入光學(xué)剪切量A，使物體所成的像變?yōu)樗膫€完全相同且中心對稱
的像，分別選取該四個像中的正方形光學(xué)應(yīng)變花標記的一個點，組成新的正方形光學(xué)應(yīng)變花
標記，最后使用數(shù)字成像設(shè)備分別記錄變形前后該新的光學(xué)應(yīng)變花標記像；
2) 在所紀錄的圖像中，沿著新的正方形光學(xué)應(yīng)變花標記點建立直角坐標系，得到變形前 該四個標記點的坐標分別為A點(x^,h)， B點C點(xc,jc)， D點(xD,j;D)，通過數(shù)字相關(guān)方法可以得到變形后該四個標記點的坐標分別為A點(《，K)， B點(《，乂)， C點 (x:,《)，D點(x:,;;:);
3) 此四個標記點的x，y方向的位移分別為A點(^=《-力)，B點
(w5 =x:_xB,v￡ >"B )， C,點(wc =x;—xc,vc >>c )， D,點(Wd =x:—xD,vD );
其中^,MB,"C,MD為X方向^立移，^,V;j,Vc,Vd為y方向位移；
4) 根據(jù)有限單元方法中四節(jié)點矩形單元的應(yīng)變計算公式即可得到正方形光學(xué)應(yīng)變花區(qū)域 中任意一點(x，y)處的應(yīng)變分布
x方向應(yīng)變?yōu)閊 =^r[^(/ + >0 —&(/ + ;;)-&(/-力+ (/一;/)] y方向應(yīng)變?yōu)閪 = +(/+力+ vB (/— x) - vc (/— x)— (/+ x)] xy夾角方向應(yīng)變?yōu)?br> 、^"^T[ ("x) + ^G +力+ "s(Z-工)—vb(/ + >0 —wc" —x) —VcG —力一"z)G + x) + Vd(7-力]。
上述測量方法中光學(xué)剪切量A同四棱鏡的棱角"成正比，且同四棱鏡距成像透鏡的距
離4成正比。
上述測量方法中所用正方形光學(xué)應(yīng)變花標記采用熱壓印方法制作。
本發(fā)明同現(xiàn)有方法和裝置相比，具有如下優(yōu)點及突出性效果采用熱壓印方法制作正方 形光學(xué)應(yīng)變花標記，制作方便省吋省力；在測量光路中放置四棱鏡引入光學(xué)剪切量，形成具 有剪切量的圖像，增大應(yīng)變求解區(qū)域；根據(jù)數(shù)字相關(guān)方法計算具有剪切量的圖像中光學(xué)應(yīng)變 花的四個標記點的位移，根據(jù)有限兀方法計算應(yīng)變花區(qū)域的應(yīng)變，可以實現(xiàn)操作簡單方便， 在復(fù)雜工作環(huán)境下進行現(xiàn)場實時的高精度大區(qū)域的無損測量。


圖1在被測物體表面制作的光學(xué)應(yīng)變花標記的示意圖。 圖2無四棱鏡成像光路示意圖。 圖3有四棱鏡成像光路示意圖。 圖4四棱鏡立體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5位移計算示意圖。 圖6應(yīng)變花標記點對應(yīng)關(guān)系示意圖 l-成像透鏡；2-四棱鏡；
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的原理和具體實施方法作進一步的說明。
圖1為本發(fā)明使用的正方形光學(xué)應(yīng)變花標記示意圖，本發(fā)明采用熱壓印工藝在試件表面 制作標記，該方法首先使用機械加工或者光學(xué)刻蝕等方法制作出應(yīng)變花標記模板，然后將試件清洗干凈，烘干后均勻涂抹光刻膠，接著將涂有光刻膠的試件放置在熱壓印儀上，將加工
好的應(yīng)變花標記模板放置在試件需要制作標記的位置，最后用熱壓印儀升溫加壓即可在試件
表面復(fù)制出應(yīng)變花標記(a》，c,d)。
圖2為無四棱鏡成像系統(tǒng)的光路示意圖，試件表面的正方形光學(xué)應(yīng)變花標記(",6，c,d)
經(jīng)過成像透鏡1，成像在成像面上，原始標記間距為2/，成像面的正方形光學(xué)應(yīng)變花標記的
像(a)'，c',cT )的間距為若假設(shè)采用的數(shù)字成像設(shè)備的靶面大小為f，則成像要求2&<"
成像系統(tǒng)放大倍數(shù)為^-〃t。對于有四棱鏡的成像系統(tǒng)，其成像光路如圖3所示，試件表
面的正方形光學(xué)應(yīng)變花標記(",6,c^)首先經(jīng)過四棱鏡，引入光學(xué)剪切，然后再通過成像透
鏡成像在成像面匕由于四棱鏡引入的光學(xué)剪切，使得正方形光學(xué)應(yīng)變花在成像面上的像變
為了具有剪切量的4個像，而本發(fā)明所采用的四棱鏡如圖4所示，為對稱結(jié)構(gòu)的四棱鏡，所
以成像面上的像為完全對稱的剪切量相同的4個像。如圖5示，由四棱鏡產(chǎn)生具有剪切量的
像后，分別從4個對稱的像中選擇1個標記點，這4個新的標記點A、 B、 C、 D組成一個新的
正方形應(yīng)變花標記，該正方形的邊長等于剪切量A，其值同四棱鏡的棱角"以及四棱鏡距成
像透鏡的距離/6成正比。因此通過更換不同角度的四棱鏡或者調(diào)整四棱鏡和成像透鏡之間的
距離就可以改變剪切量的大小。同樣假設(shè)用的數(shù)字成像設(shè)備的耙面大小為"則成像要求A < "
成像系統(tǒng)放大倍數(shù)為附2=2〃厶，由于A的值可以通過棱角"和距離4調(diào)整，因此可以使
A<2L即對于有四棱鏡的成像系統(tǒng)，我們所能采用的成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)^<^，采用數(shù)
字相關(guān)方法計算應(yīng)變花標記點的位移時，其精度也會比無四棱鏡的成像系統(tǒng)高；另一方面，
若兩套系統(tǒng)的放大倍數(shù)相同，由于A〈2"則有四棱鏡的成像系統(tǒng)的正方形光學(xué)應(yīng)變花的間
距將會大于無四棱鏡的成像系統(tǒng)的正方形光學(xué)應(yīng)變花的間距，即有四棱鏡的成像系統(tǒng)所能測
量的應(yīng)變的區(qū)域?qū)笥跓o四棱鏡的成像系統(tǒng)所能測量的應(yīng)變的區(qū)域。
這個新的應(yīng)變花標記的4個標記點和原始標記的4個標記點之間存在一個對應(yīng)關(guān)系(圖6)，
即A點對應(yīng)a點，B點對應(yīng)b點，C點對應(yīng)c點，D點對應(yīng)d點。沿著新的正方形應(yīng)變花標記的邊建
立直角坐標系，則可以得到變形前A、 B、 C、 D這4個點的坐標值(A,h)， (xs，_ys)， (xc，;ve)，
采用數(shù)字相關(guān)方法計算變形后A、 B、 C、 D這4個點的坐標值(x二,K)， (x:,K)，
(xL,)。此四個標記點的x,y方向的位移分別為A點^ =《-=乂-力，B
點^ =《-xs,vfl &， C點Wc二《-xc，vc=;/:_;(;c， D點 =《--。根據(jù)
有限單元方法中四節(jié)點矩形單元的應(yīng)變計算公式即可得到光學(xué)應(yīng)變花區(qū)域中任意一點(x, y) 處的應(yīng)變分布
& =h (,") - "s(7 ") _ wc G _力+wd (7 _ >0]
~ =+[、 G + x)十vb (z—x)—vc <7—x)— "+力]
=;[^i(7+x)+^G+_y)+"s(7-^)—vfl(7+>0—"c(/—x)-vc(/—力-wD(/ + x)+vD(/—力]
5有上述分析可以知道，在有四棱鏡的成像系統(tǒng)中通過調(diào)整棱角"和四棱鏡距成像透鏡的距離 /6，可以實現(xiàn)高放大倍數(shù)大區(qū)域的應(yīng)變測量。
本發(fā)明的具體測量過程為，首先在試件表面需要測試區(qū)域，用熱壓印方法制作光學(xué)應(yīng)變
花標記，然后將試件放入帶有四棱鏡的光學(xué)成像光路，由于四棱鏡產(chǎn)生光學(xué)剪切，形成新的 應(yīng)變花標記區(qū)域，接著使用數(shù)字成像設(shè)備分別記錄變形前后該區(qū)域的圖像，在變形前的區(qū)域 中建立坐標系得到變形前應(yīng)變花標記點的坐標，利用數(shù)字圖像相關(guān)方法計算變形后光學(xué)應(yīng)變 花各個標記的坐標，根據(jù)變形前后的坐標可以得到應(yīng)變花標記點的位移值，最后根據(jù)有限單 元方法中四節(jié)點矩形爭元的應(yīng)變計算公式計算出該區(qū)域的應(yīng)變值。
權(quán)利要求
1.一種基于光學(xué)剪切的二維光學(xué)應(yīng)變花測量方法，其特征在于該測量方法按如下步驟進行1)首先在被測物體表面制作正方形光學(xué)應(yīng)變花標記，邊長為2l；然后在成像光路中放置一塊四棱鏡，引入光學(xué)剪切量Δ，使物體所成的像變?yōu)樗膫€完全相同且中心對稱的像，分別選取四個像中的正方形光學(xué)應(yīng)變花標記中的一個點，組成新的正方形光學(xué)應(yīng)變花標記，最后使用數(shù)字成像設(shè)備分別記錄變形前后所述新的正方形光學(xué)應(yīng)變花標記像；2)在所紀錄的圖像中，沿著新的正方形光學(xué)應(yīng)變花標記點建立直角坐標系，得到變形前四個標記點的坐標分別為A點(xA，yA)，B點(xB，yB)，C點(xC，yC)，D點(xD，yD)，通過數(shù)字相關(guān)方法可以得到變形后所述四個標記點的坐標分別為A點(xA*，yA*)，B點(xB*，yB*)，C點(xC*，yC*)，D點(xD*，yD*)；3)新的正方形光學(xué)應(yīng)變花標記的四個標記點的x，y方向的位移分別為A點<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>u</mi><mi>A</mi> </msub> <mo>=</mo> <msubsup><mi>x</mi><mi>A</mi><mo>*</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <msub><mi>x</mi><mi>A</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub><mi>v</mi><mi>A</mi> </msub> <mo>=</mo> <msubsup><mi>y</mi><mi>A</mi><mo>*</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <msub><mi>y</mi><mi>A</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2009101319220002C1.tif" wi="46" he="4" top= "115" left = "24" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>B點<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>u</mi><mi>B</mi> </msub> <mo>=</mo> <msubsup><mi>x</mi><mi>B</mi><mo>*</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <msub><mi>x</mi><mi>B</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub><mi>v</mi><mi>B</mi> </msub> <mo>=</mo> <msubsup><mi>y</mi><mi>B</mi><mo>*</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <msub><mi>y</mi><mi>B</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0002" file="A2009101319220002C2.tif" wi="46" he="4" top= "115" left = "81" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>C點<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>u</mi><mi>C</mi> </msub> <mo>=</mo> <msubsup><mi>x</mi><mi>C</mi><mo>*</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <msub><mi>x</mi><mi>C</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub><mi>v</mi><mi>C</mi> </msub> <mo>=</mo> <msubsup><mi>y</mi><mi>C</mi><mo>*</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <msub><mi>y</mi><mi>C</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0003" file="A2009101319220002C3.tif" wi="47" he="4" top= "115" left = "137" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>D點<maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>u</mi><mi>D</mi> </msub> <mo>=</mo> <msubsup><mi>x</mi><mi>D</mi><mo>*</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <msub><mi>x</mi><mi>D</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub><mi>v</mi><mi>D</mi> </msub> <mo>=</mo> <msubsup><mi>y</mi><mi>D</mi><mo>*</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <msub><mi>y</mi><mi>D</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow>]]></math> id="icf0004" file="A2009101319220002C4.tif" wi="48" he="4" top= "126" left = "31" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>其中uA，uB，uC，uD為x方向位移，vA，vB，vC，vD為y方向位移；4)根據(jù)有限單元方法中四節(jié)點矩形單元的應(yīng)變計算公式，即得到原正方形光學(xué)應(yīng)變花區(qū)域中任意一點(x，y)處的應(yīng)變分布x方向應(yīng)變?yōu)?lt;maths id="math0005" num="0005" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>&epsiv;</mi> <mi>x</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msup><mrow> <mn>4</mn> <mi>l</mi></mrow><mn>2</mn> </msup></mfrac><mo>[</mo><msub> <mi>u</mi> <mi>A</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>+</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>u</mi> <mi>B</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>+</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>u</mi> <mi>C</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>-</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub> <mi>u</mi> <mi>D</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>-</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow>]]></math> id="icf0005" file="A2009101319220002C5.tif" wi="101" he="8" top= "145" left = "51" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>y方向應(yīng)變?yōu)?lt;maths id="math0006" num="0006" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>&epsiv;</mi> <mi>y</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msup><mrow> <mn>4</mn> 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2. 上如權(quán)利要求l所述的基于光學(xué)剪切的二維光學(xué)應(yīng)變花測量方法，其特征在于光學(xué)剪切 量A同四棱鏡的棱角《成正比，且同四棱鏡距成像透鏡的距離/6成正比。
3. 如權(quán)利要求l所述的基于光學(xué)剪切的二維光學(xué)應(yīng)變花測量方法，其特征在于所用正方形 光學(xué)應(yīng)變花標記采用熱壓印方法制作。
全文摘要
一種基于光學(xué)剪切的二維光學(xué)應(yīng)變花測量方法，該測量方法首先采用熱壓印方法在被測物體表面制作矩形光學(xué)應(yīng)變花標記，在測量光路中放置四棱鏡，引入光學(xué)剪切量，形成具有剪切量的圖像，根據(jù)數(shù)字相關(guān)方法計算具有剪切量的圖像中光學(xué)應(yīng)變花的4個標記點的位移，根據(jù)有限元方法計算應(yīng)變花區(qū)域的應(yīng)變。本發(fā)明有效提高了圖像質(zhì)量，改善了數(shù)字相關(guān)方法的應(yīng)變求解區(qū)域不大的問題，可以實現(xiàn)操作簡單方便，在復(fù)雜工作環(huán)境下進行現(xiàn)場實時的高精度大區(qū)域的無損測量。
文檔編號G01B11/16GK101514890SQ20091013192
公開日2009年8月26日 申請日期2009年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月27日
發(fā)明者戴福隆, 韜 花, 謝惠民 申請人:清華大學(xué)