非接触应变测量的数字散斑相关方法的研究

现代制造工程２００７年第１１期仪器仪袁／检测／监控

非接触应变测量的数字散斑相关方法的研究

郭海鸿，李晓星

（北京航空航天大学机械工程学院，北京１０００８３）

摘要：针对传统接触式应变测量的局限性，探讨了基于数字图像处理技术的非接触式应变测量方法——数字散斑相关方法（ＤｉｇｉｔａｌｓｐｅｃＩ【ｌ鹤ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄ，ＤｓｃＭ），并用单向拉伸实验对该方法进行了验证，结果表明，该方法是一种实用快速、高精度的变形测量方法。

关键词：数字散斑相关方法；变形测量；图像处理

中图分类号：ＴＨｌ６文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－３１３３（２００７）１ｌ—００９６－卸３

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Ｋｅｙ啪ｒｄｓ：ＤＳＣＭ；Ｄｄｂｍａｔｉ∞ｍｅ咖Ｊ１ｅ眦ｎｔ；Ｉｍａｇｅｐｒｏｃ嘲ｉｎｇ

变形测量是固体力学及材料科学研究中重要的环节，材料力学行为的研究和预测可以通过建立材料的本构关系（应力一应变关系）来实现。因此，准确、快速和高效地测量材料的变形是实验力学的重要研究内容…。传统上，基于应变计的接触式电测法一直是变形测量的主要方法，而对于一些高分子材料，纤细柔性材料和温度场中材料的试验，应变机测量通常有很大的局限性，如难以定位、精度低等。本文对一种非接触式的应变测量方法——数字散斑相关方法作了探讨并给出其在板料单向拉伸应变测量中的实例。

数字散斑相关方法是对全场位移和应变进行分析的一种新的实验力学方法，其基本思想在上世纪８０年代初由美国ｗＨＰｅｔｅｒ和ｗＦＩｈＩｌ∞Ｂｏ以及日本ＩＹ砌ａｇｕｃＩＩｉ口。等人同时独立提出。该方法不同于传统的干涉测量方法（如激光全息法、电子散斑法），它是利用散斑灰度信息对物体变形前、后的散斑图进行相关处理，从而实现面内位移和应变的测量，具有全场测量、非接触、光路简单和对测量环境无特别要求等突出优点。近２０多年来国内外研究学者围绕该技术９６

开展了大量工作，取得一批重要的研究成果。目前，该方法在理论上逐步完善，其应用领域正在不断扩大，在工程应用、固体力学问题研究以及材料性能分析等领域得到越来越多的关注，且已经取得进展‘”１。１数字散斑相关方法

１－１基本原理

由于散斑分布的随机性，散斑图上每一点周围的一个小区域中散斑分布与其他点是不一样的，称这样的小区域为子集。散斑场上以某一点为中心的子集可作为该点位移的信息载体，通过分析和搜索该子集的移动和变化，便可以获得该点的变形信息。

假设物体变形前、后的两个散斑场的光强分别为人茹，ｙ）和ｇ（算’，ｙ。），以场中所要计算的点Ｐ为中心取子集Ｓ，，设其大小为ｍ×ｍ个像素，则子集Ｓ．就记录了点Ｐ周围随机分布的斑点光强信息，定义为二维样本空间。产生位移后，子集Ｓ．移至子集Ｓ。的位置，构成另一个样本空间，如图１所示。根据概率与统计分析原理可知，当两样本完全相关时，相关系数为１，

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