基于数字图像相关的高温材料测试关键技术研究

发布时间：2020-05-25 21:03

【摘要】：数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)是一种基于可见光照明的位移应变测量技术,由于该方法能够实现非接触式的全场测量,同时对测量环境的要求较低,因此近年来被频繁应用于高温材料力学性能的测试与研究中,尤其在航空航天、发动机和船舶等领域有着十分广泛的应用。但由于高温环境本身的复杂性,存在着很多影响测量精度的因素,其中热气流扰动的存在对数字图像相关方法的影响尤为明显。为了提高DIC在高温环境下的测量精度,针对这些影响因素,本文进行了相关补偿方法和热扰动消除方法的研究,搭建了一套高温DIC测量系统并将其应用在材料高温力学性能测试中,同时通过位移和应变实验验证了提出方法的准确性和可行性。具体研究工作如下:(1)介绍了DIC方法的技术原理及基本概念,分析研究了常用的整像素定位和亚像素搜索算法,并选择了系统适用的相关搜索算法组合;(2)研究分析了热透镜效应对高温测量的影响,提出一种基于可调反射镜的补偿方法,在DIC系统中加入一面可调整角度的反射镜对由热透镜效应引起的x、y方向位移偏移量加以补偿。(3)提出了一种新的热扰动误差消除方法,利用彩色相机将热扰动误差从实际测量结果中分离出来,再建立数学模型,对热流场中被测物的测量结果进行修正。(4)基于Visual Studio 2010和Opencv编译环境编写了一套DIC测试软件,并自主搭建了DIC高温测量系统,并进行实验研究。通过分析刚体位移实验、拉伸实验和高温拉伸实验的数据结果,验证了系统的准确性和有效性。
【图文】：

主要介绍了数字图像相关技术的基本原理，相关函数及形变函数模型，速 ZNCC 算法和反向组合算法的详细推导过程并选用其作为本文的相关组合。数字图像相关基本原理数字图像相关方法是通过相机采集喷涂黑白散斑的被测试样变形过程中像序列，并对其进行相关计算，，图像序列中的第一幅图像称为参考图像像称为变形图像。由于散斑随机生成，因此某块子区域内的灰度特征就指纹一样具有唯一性。数字图像相关技术的基本原理，是基于被测物体表面灰度场的特征匹配来获取位移应变等三维信息。其原理图如图 2.1 所图案匹配的过程，就是在变形图像上找到与参考图像上的点 0 P x ,0 0 , y )相关系数最大的点' ' '0 0P ( x , y )和' ' '1 1Q ( x , y )。 计算时，由于单一像素信息重复概率较高，无法准确地实现一对一的匹配，因此需要在参考图大小为(2m 1) (2m 1)的正方形子区域，对每一张变形图像采用相关公与参考图像上各点相关系数最大的位置，通过各对应点像素坐标的相对相机的标定数据计算出相应的位移和应变值。

保证测量精度的同时尽可能地减小计算量，缩短匹配时间。变函数模型实际的变形测量中，参考子区域的散斑图像不仅仅会发生刚体位移生旋转、扭曲、拉伸和剪切等变形，造成子区域形状产生不规则的致匹配过程中的相关系数降低，出现匹配误差甚至找不到目标区域线性变形对数字图像相关测量的影响，我们引入了形变函数模型，数从弹性力学有限变形理论来分析散斑图像的变形情况。阶形函数对应的变形模式即是刚体位移，其假设参考子区域沿 x 或'0 0'0 0x x uy y v 式中，u ，v分别表示参考子区域中心点沿 x 和y方向的位移量。阶形函数对应的变形模式包括刚体位移，旋转，扭曲，拉伸和剪切数变换又称仿射变换，其变形示意图如图 2.2 所示。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;TB34

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本文编号：2680743