面向光强因子的数字图像相关测量技术研究

在采用数组图像相关(DIC)测量技术进行的航天器组件结构的微变形测量中,环境光照强度变化导致的测量误差,对测量精度和测量结果的可靠性造成的影响,是目前需要解决的一项问题。本文开展基于光强变化的DIC测量系统稳定性研究,针对同一试件在相同载荷下改变光照强度,进行图像采集和数据分析,研究光强变化对DIC测量结果的影响。结果表明,在一定光强范围内,测试环境的光强变化会对DIC面内和离面刚体位移测量分别带来最大0.003 mm和0.008 mm的测量误差,而航天器结构微变形测量的精度要求一般在微米级,故光强变化带来的影响不可忽略。针对该问题,本文设计的环境光分离技术在极端光强条件下使DIC刚体位移测量的精度保持在面内0.001 mm和离面0.002 mm,具有良好的测量精度和稳定性,可满足航天器高稳定结构的微米级变形测量精度要求。

数字图像相关技术测量位移的算法和试验研究

基于空间几何知识,通过建立空间直角坐标系、确定位移在Π平面上的投影,以及反推实际位移向量等三步,推导出数字图像监测系统在二维平面内的位移测量数学原理。然后选择不同场景展开现场应用,通过分析人工与自动化监测成果数据,发现光照强度变化、温度变化和距离增加,均会降低监测精度。

基于数字图像相关法的应变场测量系统校准技术研究综述

介绍了基于数字图像相关法(Digital Image Correlation,DIC)的应变场测量系统的原理、应用场合及发展现状,阐述了对该系统进行校准的必要性。介绍了四点弯曲校准法、单轴拉伸校准法、垂直加载校准法、散斑变换校准法等具有代表性的DIC应变场测量系统校准方法的原理,从校准维度、校准范围、装置成本、装置复杂性、计量溯源性、测量不确定度等方面对比分析了各校准方法的优势与不足,指出可通过改进传感器性能、优化测量光路、提升散斑质量等手段提升校准准确性。展望了基于DIC的应变场测量系统校准技术的发展方向,指出未来应针对大变形场的可靠产生与复现、散斑图样的三维立体化、多种校准数据的有机融合等开展研究,以进一步拓展应变场校准范围并降低测量不确定度。

基于Lagrange插值的数字图像相关亚像素位移测量算法

本文旨在通过改进经典Newton-Raphson算法中的插值方法来优化数字图像相关(DIC)亚像素位移测量的计算效率。针对经典Newton-Raphson算法在数字图像相关亚像素位移测量中应用的双三次样条插值算法,特别是在需要计算边界点灰度梯度(即灰度值的一阶导数)时,存在计算量大的问题,本文提出一种基于Lagrange插值的改进算法作为解决方案。Lagrange插值算法在未增加计算节点数的情况下,成功避免了边界点灰度梯度的计算,使插值效率可提高近1/3。应用数值模拟实验和真实刚体平移实验对本文算法的性能进行验证。结果表明,本文算法在保持求解精度的同时,计算测量效率较传统Newton-Raphson算法有了明显提升。单点插值效率平均提升近30%;单点测量效率平均提升近20%。本文首次将Lagrange插值算法应用于数字图像相关的亚像素位移测量中,解决了双三次样条插值算法计算量大的问题,为相关领域提供了一种更为优化的变形测量方法。该研究为DIC亚像素位移测量技术的进一步发展和应用提供了新的思路和参考,有望在实际工程中得到广泛应用,促进相关领域的进步与发展。

多基线数字图像相关技术在基坑监测中的应用研究

基坑变形监测的对象为基坑岩土性状、支护结构变位和周围环境条件的变化,进行各种监测及分析工作。多基线、大重叠数字图像技术提高了点位解算的精度,可靠性和稳定性进一步增强,实现了远距多点、高频、全域基坑监测数字化测量工作。介绍了多基线数字图像相关技术在基坑变形监测过程中的具体应用原理和相应的计算方法,进一步提高该技术在基坑变形监测过程中的应用价值,也为类似工程基坑变形监测提供一定参考。

用于材料变形测量的数字图像相关方法

为解决传统的三维数字图像相关方法在测量复杂材料变形上的局限性,介绍了二维、三维数字图像相关方法、连续布置的多相机数字图像相关方法及两种方式的相机布置。多个具有一定重叠视场的相机同时进行标定,形成一个测量连续全表面变形的整体三维测量系统。通过对有大曲率的钢筋套筒表面变形进行多相机全局测量,验证多相机数字图像相关方法的有效性。研究结果表明,连续布置的多相机数字图像相关方法在材料变形测量中是一种可靠的三维全场变形测量方法。

基于数字图像处理的摄影测量技术在地质灾害监测中的应用研究

地质灾害监测作为工程地质领域的关键研究内容,对于预防和应对自然灾害至关重要。本研究聚焦于摄影测量技术在地质灾害监测中的应用,通过数字图像处理技术对传统摄影测量法进行改良,显著提升了其应用效果。首先,本文阐述了摄影测量技术的基本原理及其在地质灾害监测中的应用方法。随后,构建了一个基于数字图像处理的摄影测量模型,并设计了相应的算法。通过实地采集地质灾害图像数据,我们利用该模型进行了模拟测量。实验结果表明,与传统方法相比,新模型在地质灾害监测与预测方面具有更高的准确性和效率。这一研究为地质灾害预防和控制提供了新的技术手段,具有重要的实际应用价值。

数字图像处理技术在几何量测量中的应用

几何量精密测量是制造工程领域中重要的环节,直接关系到产品的设计、制造、质量控制等全过程。传统的几何量测量方法存在设备昂贵、对环境条件要求高、流程繁琐等缺点。随着数字图像处理技术的发展与普及,诸多研究人员致力利用其进行几何量精密测量。数字图像处理是指用计算机对图像进行处理、分析,并从中提取需要的几何信息及特征。利用数字图像处理技术,可快速测量并分析图像中的几何参数,如线性尺寸、形状和位置公差等。本文从理论与应用两个方面深入分析数字图像处理技术在几何量数字化、智能化测量中的作用与优势,旨在为工程应用提供新思路与手段。

线黏弹性材料数字图像相关实验教学探索

线黏弹性理论是固体力学原理课程的重要内容,目前实验教学一般采用电子万能试验机对线黏弹性材料进行单轴拉伸实验,实验结果不够直观。数字图像相关方法是一种高精度全场应变测量方法,近年来在实验力学领域应用广泛。本文以固体推进剂这种线黏弹性材料为例,采用数字图像相关方法设计了线黏弹性材料单轴拉伸实验,实现了全场变形测量并且实验结果可视化更直观,有助于调动学生积极性。实验发现,数字图像相关方法与国标规定的固体推进剂单向拉伸法测量的材料应变有明显差异,针对该问题设计了实验教学研讨环节,引导学生深入分析,有助于加深对线黏弹性理论的理解。

基于数字图像相关的地聚物混凝土轨枕的力学性能分析

随着混凝土轨枕在我国的广泛应用,混凝土的生产带来大量的能源消耗和碳排放。地聚物作为一种新型低碳材料,能在节能减碳的同时消耗矿渣和粉煤灰等固废。目前,针对地聚物应用于铁路轨枕的相关研究,如混合使用水泥与粉煤灰、矿渣的地聚物混凝土轨枕及其裂缝扩展特性的研究还比较有限。本文设计2种配合比的地聚物混凝土并制造成轨枕,使用数字图像相关(Digital Image Correlation)技术,在轨下截面的三点弯曲实验下分析2种配合比下轨枕挠度、裂缝扩展特性及裂缝宽度发展规律。研究结果表明,2种配合比地聚物混凝土轨枕的抗弯承载力均高于普通混凝土轨枕。相比于普通混凝土轨枕,地聚物混凝土轨枕在较低的静荷载作用下挠度较大,但随着荷载的增加轨枕挠度的增长速度较慢,刚度损失较小,弹性阶段延续的荷载区间更长,这种特征在配合比为Geo50的地聚物混凝土轨枕上更为显著。2种配合比的轨枕微裂纹萌生的荷载相近,分别为130 kN和120 kN。在较低荷载下2种轨枕裂缝扩展相差不大,在较高荷载下配合比为Geo100的地聚物轨枕的裂缝发展加快,裂缝宽度值和增长速度都大于Geo50。配合比为Geo100的地聚物混凝土轨枕主要表现为受弯正截面破坏,配合比为Geo50的地聚物混凝土轨枕主要表现为受剪斜拉破坏。掺入部分水泥代替矿渣和粉煤灰的地聚物能使所制成轨枕在较高的荷载下保持更高刚度和更缓慢的裂缝扩展速度,该方案有助于推动地聚物应用于混凝土轨枕,促进铁路双碳战略贯彻与实施。

数字图像测量技术及在隧道室内模型试验中的应用

首先按照数字图像技术分析基本原理差异,对数字图像相关(DIC)、粒子图像测速(PIV)等二维数字图像测量方法在隧道模型试验中的应用现状、技术发展以及基本原理进行梳理。进一步,对三维测量方法的原理及在隧道模型试验中的应用潜力进行分析。最后,通过黄土地层盾构隧道的掘进模拟试验,对数字图像测量技术在隧道模型试验中的应用进行示范。结果表明:DIC、数字照相变形量测(DPDM)等非接触测量方法以照片上点的相关性判断各点的位移,使用场景更偏向于室内试验道路、桥梁、隧道、基础、河坝、钢结构、钢混结构等土建结构的变形监测中;而PIV分析可测量流体中流动的大小和方向,被广泛运用于浆液、泥石流、喷泉等流体运动的研究中。此外,基于黄土地层盾构隧道室内模型试验方案发现,低含水率黄土地层盾构掘进8环管片距离时,围岩的扰动范围为盾构掘进中轴线两侧1 D(管片外径)左右和盾构上方1 D范围内。

基于数字图像相关技术的混杂纤维混凝土动态抗拉性能试验研究

为研究不同纤维混杂比例下的钢-聚丙烯纤维混凝土(SPFRC)的动态抗拉性能,对六组不同纤维混杂比例的混凝土试件进行动态巴西劈裂试验,借助高速摄像仪和数字图像相关技术(DIC)对各组试样动态拉伸断裂过程进行记录和分析。研究表明:试件的应力时程曲线可以划分为缓速增长、快速增长、稳定、衰减和二次增长五个阶段,相较于素水泥砂浆试件,纤维混凝土试件在应力率二次增长后出现显著的稳定波动平台,纤维混凝土试件的动态拉伸破坏过程具有显著的延性特征;在总纤维掺量保持2%不变的条件下,混杂1%钢纤维与1%聚丙烯纤维的试件具有较优的动态抗拉强度和耗能能力;添加纤维可以减弱试件中心处的拉应变集中现象,混杂1.5%聚丙烯纤维和0.5%钢纤维的试件具有较优的开裂控制能力,平均开裂应变较素水泥砂浆试件提高了2.94倍。

TC4钛合金板数字图像相关的受力成形破坏研究

为了探究TC4钛合金板成形过程中因受尖顶力作用产生的应力集中导致板材破裂的问题。分别在常温(20℃)和100℃下,采用尖顶顶头对0.5mm厚宽120mm和宽70mm的TC4钛合金试件分别进行成形-破坏试验,利用数字图像相关法(DIC)对钛合金板材的整个成形-破坏过程进行图像采集,通过匹配计算获取钛合金板材在整个过程中的全场位移和应变云图以及相关数据,并对获取的数据进行对比分析。实验结果显示:TC4钛合金在破裂前一刻位移Y的变化趋势在垂直方向上呈现出明显的非对称性,而位移X、位移Z,位移则呈现出近似同心圆的形状;通过对获取的数据进行分析,证明温度会影响试件的应变分布;常温下破裂前一刻应变云图近似对称分布,而100℃下应变云图沿中心垂直方向呈现非对称分布。该实验为后续对TC4钛合金板材的受力分析,位移应变研究提供了有效参考。

基于激光散斑数字图像相关法的热应变测量

为了解决常规数字图像相关法应用于高温工况下热应变测量时,人工制作的散斑受高热载荷冲击容易出现变色、熔化、脱落的问题,采用激光散斑作为数字图像相关法特征纹理的方法,计算温度变化前后散斑图像相关性来测量金属热应变,进行了非真空环境下加热试件的实验,以及在管式加热炉中分别对铝试件和钨试件进行人工散斑和激光散斑的真空加热实验对比,取得了相应的散斑图像,并计算出平均应变曲线数据。结果表明,在非真空环境下,由于热流扰动导致激光散斑图像抖动较大,测量出的热应变曲线存在较大的干扰噪声;铝从室温升至450℃和钨从室温升至800℃的热应变与人工散斑结果相对一致;激光散斑数字图像相关法在类似聚变堆偏滤器高真空、高热流条件下,可以有效地测出金属壁面的动态热应变。该研究为聚变堆偏滤器第一壁材料的损伤诊断提供了新思路。

多点动位移数字图像相关法光测技术研究

动位移测量在诸多工程领域中有着大量需求,针对现有各种测量技术仍然存在着效率低、精度差、成本高等局限性。基于数字图像相关(digital image correlation,DIC)原理,建立了一套多点动位移高精度光测技术及系统。首先设计了一种基于同心圆的靶标专用图案,用于测点的自动识别及图像的自动标定,并通过对硬件配套软件SDK(software development kit)的二次开发,构建形成了可同时适用于无线和有线工业相机的硬件架构,最终开发形成多点动位移DIC光测软件系统。采用3等精度量块对该系统进行精度校准试验,结果表明该系统测量精度为0.01 mm,系统基本误差为0.05%,灵敏度为0.2%。进一步开展典型应用场景测试,发现该系统在低频振动测量时具备与高精度激光位移传感器相当的精度,而对于高频振动场景,采用高频率相机也可实现动位移高精度实时测量。可见该系统与激光位移传感器等相比有显著优势,可在实验室测量、工程现场测试等场景中推广应用。

面向大变形测量的数字图像相关方法的研究进展及应用

目的探究数字图像相关方法(Digital Image Correlation,DIC)对大变形测量问题的研究现状,为相关领域展开深入研究提供参考。方法通过对增量相关、初值估计和形函数等方面的改进梳理,总结研究人员关于DIC方法在大变形测量问题的研究进展。结果现有的DIC方法研究大变形测量问题,主要通过增量方法以及结合特征检测的初值估计方法,极大地消除了去相关效应,同时对形函数的选择和结合深度学习等技术也增强了DIC方法对复杂变形的适用性。结论尽管面向大变形测量的DIC方法面临着诸多挑战,但DIC方法仍然是极具潜力的大变形测量技术之一,DIC方法在大变形测量中将发挥更重要的作用。

混凝土测试中光强对数字图像相关测量精度的影响研究

在复杂光照条件下采用数字图像相关技术(DIC)测量混凝土结构表面应变场时,光强变化会引起图像的退相关效应。针对此问题,基于传统2D-DIC测量系统,探究了光强变化对DIC测量精度与计算效率的影响规律。试验结果表明:平均灰度190为最优光强;以最优光强下的图片作为参考图像,光强增大时应变误差呈指数增长,光强减小时应变误差呈线性增长;计算时间与计算点匹配率对光强的小范围波动不敏感,但光强的剧烈变化会导致计算时间增加1~3倍以及25%的计算点匹配失败。结合图像质量评估指标,验证了实验结果的准确性。为了获得高质量的图像,本文建立了绿光带通滤波成像系统,该系统在外界环境光剧烈变化条件下依然能够保持图像的亮度与对比度基本不变,应变误差与计算效率均接近于最优光强。相对于传统2D-DIC测量系统,绿光带通滤波成像系统可较好地应用到室外环境测量。

基于三维数字图像相关法应力测量技术

介绍了一种基于三维数字图像相关法的模型表面应力测量系统,采用两台高速摄像机同步采集被测模型表面图像,以模型表面的散斑作为载体,通过图像子区立体匹配算法匹配被测模型变形前后两幅散斑图像中的不同图像子区,解算得到模型上不同点的三维坐标值,获得模型表面的三维变形信息,实现模型表面非接触、动态实时的应力测量。

基于数字图像相关技术的桥梁挠度识别研究

挠度作为桥梁结构响应中的一个最重要参数,是反映桥梁结构性能的主要表征之一,通过桥梁挠度测量数据能有效地发现桥梁结构中的异常问题。传统的挠度测量方法往往需要在桥梁上直接布置传感器或者有标记的靶标,进行接触式或者半接触式测量使用成本高昂。文章利用数字图像相关(DigitalImageCorrelation,DIC)技术对桥梁挠度进行无接触测量,利用高精度相机搭建了桥梁挠度实时测量系统,并分析对比了测量所得数据模态信息和应变数据的相关性,验证了测量数据的可靠性,为其性能评估提供可靠的数据支撑。

基于机器视觉和数字图像相关技术的混凝土损伤演化研究

提出一种在试件损伤过程中,以数字图像方法所得应变场为基础,采用机器视觉识别快速获得对应损伤状态下试件表面裂缝分布的裂缝自动识别检测(Automated Crack Detection and Measurement,ACDM)方法.采用三点弯曲试验,以夹式位移计测量裂缝口张开位移(Crack Mouth Opening Displacement,CMOD)作为参考用真实值,对ACDM的精度进行分析.结果显示,CMOD小于0.05 mm时,ACDM识别的误差小于0.01 mm,ACDM方法可用于分析微裂缝尺度的混凝土损伤情况.通过3组不同强度混凝土立方体试件的压缩试验,采用ACDM方法所得裂缝面积直接表征损伤指标来反映试件的损伤演化情况.结果表明,在宏观裂缝出现之前,在不同损伤阶段下由ACDM方法所得损伤指标,对应数值变化均大于10-3,与目前表征损伤应变场的不均匀性变异系数(Cv)相比更为灵敏和准确.