一種基于數(shù)字圖像相關(guān)法的應(yīng)力測試系統(tǒng)及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光測力學(xué)性能領(lǐng)域，涉及殘余應(yīng)力測試技術(shù)，尤其是涉及一種基于數(shù)字圖像相關(guān)法的應(yīng)力測試系統(tǒng)及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]在工程應(yīng)用領(lǐng)域，殘余應(yīng)力問題一直以來都備受人們的關(guān)注。殘余應(yīng)力是構(gòu)件在制造過程中，由于各種工藝等因素的作用與影響，當(dāng)這些因素消失之后仍殘留在構(gòu)件內(nèi)自相平衡的內(nèi)應(yīng)力。焊接、鑄造、鍛造等機(jī)械加工、表面處理等強(qiáng)化工藝都能引起殘余應(yīng)力，夕卜力和溫度變化引起的不均勻塑性變形是產(chǎn)生殘余應(yīng)力的主要原因。殘余應(yīng)力不僅降低結(jié)構(gòu)的承載能力，影響尺寸穩(wěn)定性，而且還降低其抗應(yīng)力腐蝕性能和疲勞強(qiáng)度，最終會影響到結(jié)構(gòu)的使用性能和壽命。因此開發(fā)簡單有效的殘余應(yīng)力測試方法對結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測和完整性評估具有重要的實際意義
[0003]在機(jī)械工程、航空航天、水利水電、石油化工、鐵路交通等工業(yè)領(lǐng)域，殘余應(yīng)力測量研究始終受到高度重視。殘余應(yīng)力的測量方法通常可分為有損法和無損法兩大類。有損法是一種破壞或半破壞性的機(jī)械應(yīng)力釋放法，利用應(yīng)變片測量應(yīng)變。常用的方法有盲孔法、割條法和剝層法等。無損法是利用物理現(xiàn)象如磁效應(yīng)、衍射效應(yīng)等測量應(yīng)變，常用的方法有X射線法、中子衍射法、超聲波法和磁性法等。
[0004]盲孔法是一種半破壞型的機(jī)械應(yīng)力釋放法，即在盲孔法應(yīng)變花上鉆一盲孔，使被測點(diǎn)的應(yīng)力得到釋放，并由事先貼在盲孔周圍的應(yīng)變計測得釋放的應(yīng)變量，根據(jù)彈性力學(xué)原理計算殘余應(yīng)力。基于鉆孔進(jìn)行殘余應(yīng)力測試的技術(shù)也有很多種，如林鴻志等人提出了一種焊接殘余應(yīng)力測量方法(中國專利申請公布號:CN 102778385 A)和鄧愛國等人提出的殘余應(yīng)力測試裝置(中國專利授權(quán)公告號:CN 201203574 Y)等。在實際應(yīng)用中，盲孔法能夠滿足大部分情況下的殘余應(yīng)力測量，但是該方法受限于測量試樣尺寸的限制、測量過程較復(fù)雜、鉆孔對中要求高等局限性。
[0005]數(shù)字圖像相關(guān)法是通過在被測試樣表面制備高質(zhì)量散斑，然后拍攝試樣變形前后的表面散斑圖，最后使用這些散斑圖進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到試樣表面的位移場和應(yīng)變場。數(shù)字圖像相關(guān)法由于具有非接觸、可視化、大/小尺度測試、全場/局部測試和測量范圍大等優(yōu)點(diǎn)，成為最為常用的非接觸式變形測量方法之一。
[0006]綜上所述，探索一種操作簡單，不受試樣尺寸限制、不需嚴(yán)格對中的殘余應(yīng)力測試系統(tǒng)具有重要意義，而基于數(shù)字圖像相關(guān)法的應(yīng)力測試系統(tǒng)是重要的探索路徑之一。
[0007]中國專利CN 103278268A公開了基于散斑干涉原理的應(yīng)力測試裝置及應(yīng)力集中測試方法，涉及基于散斑干涉原理的應(yīng)力測試裝置及應(yīng)力集中測試方法。它為了解決現(xiàn)有的激光散斑技術(shù)存調(diào)節(jié)光路的過程繁瑣復(fù)雜，靈活性差，僅能用于實驗室測量分析，無法對尺寸龐大、空間形狀復(fù)雜的實際構(gòu)件進(jìn)行現(xiàn)場測量的問題。該發(fā)明采用4個準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡，兩兩對稱地布置在被測表面上，獲得兩束準(zhǔn)直平行激光光束，通過控制四路光的通斷，用數(shù)字CCD相機(jī)分別采集受載變形前后的四幅散斑場圖，采用計算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)，獲得兩個正交方向上的位移量分布，進(jìn)而獲得被測區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)的分布信息。該發(fā)明基于激光散斑技術(shù)，試驗裝置復(fù)雜，試樣表面要求較高，以便實現(xiàn)散斑干涉；試驗步驟復(fù)雜，變形前需要采集兩個方向上的散斑場，變形后需要在不同激光光束的照射下采集兩個方向上的散斑場；數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，需要計算四個散斑場才能獲得位移信息；難以實現(xiàn)大/小尺度測試、全場/局部測試的靈活測試。而本申請基于數(shù)字散斑圖像的互相關(guān)計算，只需常見的LED照明光源、相機(jī)和計算機(jī)，試樣準(zhǔn)備只需在試樣表面噴涂白/黑漆，可以實時地拍攝試樣受載變形前后的散斑圖，將散斑圖進(jìn)行相關(guān)計算即可得出全場位移和應(yīng)變的信息，實現(xiàn)大/小尺度、全場/局部的測試。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種操作簡單，不需要應(yīng)變片，能有效避免使用應(yīng)變片測試應(yīng)力的局限性，測量精度與應(yīng)變片的精度基本一致，測試成本較低的基于數(shù)字圖像相關(guān)法的應(yīng)力測試系統(tǒng)及其應(yīng)用。
[0009]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0010]—種基于數(shù)字圖像相關(guān)法的應(yīng)力測試系統(tǒng)，包括數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、成像鏡頭、單色LED照明光源、位移平臺、相機(jī)支撐桿、水平尺和計算機(jī)，
[0011]所述的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)固定在相機(jī)支撐桿上部的云臺上，經(jīng)數(shù)據(jù)線與計算機(jī)連接，
[0012]所述的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的前端安裝有成像鏡頭，所述的單色LED照明光源固定在成像鏡頭的前端，所述的水平尺水平固定在數(shù)字?jǐn)z像機(jī)上平面，
[0013]所述的位移平臺連接在相機(jī)支撐桿的下端。
[0014]所述的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的分辨率根據(jù)測量精度選定，一般地，可以實現(xiàn)I μπι/pixel?50 μ m/pixel的測量精度即可。
[0015]所述的成像鏡頭根據(jù)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的幾何尺寸與被測試樣的大小來選定。
[0016]所述的相機(jī)支撐桿的中部由具有扳扣式腳管結(jié)構(gòu)的三節(jié)可伸縮桿組成，根據(jù)被測試樣的高度和方位調(diào)整數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的高度和方位。
[0017]所述的水平尺控制測量精度應(yīng)在0.1°?1°之間。
[0018]所述的位移平臺為XY軸、XYZ軸或XYZR軸位移平臺。
[0019]基于數(shù)字圖像相關(guān)法的應(yīng)力測試系統(tǒng)用于檢測殘余應(yīng)力，采用以下步驟:
[0020](I)對被測試樣進(jìn)行打磨拋光，使用酒精將試樣表面擦拭干凈；
[0021](2)在試樣表面通過噴涂白/黑噴漆的方法，在該表面上制備出人工散斑圖；
[0022](3)在待測位置使用記號筆點(diǎn)上一個小黑點(diǎn)作為測點(diǎn)標(biāo)志，便于在測試過程中快速找到測試位置；
[0023](4)根據(jù)測點(diǎn)標(biāo)志調(diào)整測試系統(tǒng)的位置和方位，使數(shù)字?jǐn)z像機(jī)清晰成像，拍攝變形前的圖像作為參考圖像；
[0024](5)對被測試樣施加載荷，試樣變形后，拍攝變形后的圖像作為目標(biāo)圖像；
[0025](6)使用數(shù)字圖像相關(guān)法處理得到的參考圖像和目標(biāo)圖像，即可得到測試位置處的應(yīng)變，根據(jù)彈性力學(xué)，即可計算出被測試樣的殘余應(yīng)力。
[0026]對被測試樣進(jìn)行拉伸、壓縮或鉆孔以施加載荷。
[0027]鉆孔時根據(jù)盲孔法殘余應(yīng)力測量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鉆孔。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0029](I)系統(tǒng)組成簡單，效果明顯:在成像鏡頭前加一個亮度可調(diào)的單色LED照明光源，可以提供穩(wěn)定的照明光源，適用于不同環(huán)境下的數(shù)字圖像拍攝；相機(jī)支撐桿可以方便地調(diào)節(jié)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的高度和方位；位移平臺可以準(zhǔn)確地定位測試位置等。
[0030](2)操作簡單，測試成本低，精度高:本發(fā)明提供的測試系統(tǒng)操作較簡單，只需拍攝試樣變形前后的數(shù)字散斑圖，然后進(jìn)行數(shù)字圖像相關(guān)計算即可得到測試結(jié)果；測試過程不使用應(yīng)變片，降低了測試成本；同時由于測試過程不使用應(yīng)變片，能有效避免使用應(yīng)變片測量應(yīng)力的局限性；測試結(jié)果與使用應(yīng)變片測量得到的結(jié)果基本一致，測量精度高。
[0031](3)可用于大/小尺度測試、全場/局部測試:本發(fā)明提供的測試系統(tǒng)，可進(jìn)行大/小尺度、全場/局部測試。當(dāng)試樣較小時，由于空間不足，無法使用應(yīng)變片測試應(yīng)力，而本發(fā)明提供的測試系統(tǒng)能夠?qū)@些小試樣進(jìn)行測試；本發(fā)明提供的測試系統(tǒng)不僅可以對試樣進(jìn)行局部單點(diǎn)測試，還可用于分析試樣的全場應(yīng)變。
【附圖說明】
[0032]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖2為本發(fā)明的具體測試步驟流程圖；
[0034]圖3為實施例1中的被測試樣和測試結(jié)果，(a)被測試樣及測試結(jié)果，(b)參考圖像，(C)目標(biāo)圖像。
[0035]圖4為實施例2中的被測試樣和測試結(jié)果，(a)壓縮前的被測試樣，(b)壓縮后的被測試樣，(C)測試結(jié)果。
[0036]圖5為實施例3中，使用本發(fā)明的系統(tǒng)對被測試樣進(jìn)行測試時，拍攝得到的鉆孔前后的散斑圖。
[0037]圖6為實施例3中，使用數(shù)字圖像相關(guān)法來處理拍攝得到的鉆孔前后的數(shù)字圖像的計算過程圖。
[0038]圖7為實施例3中，兩種測試方法的測試區(qū)域示意圖以及測試結(jié)果的對比。
[0039]圖中:1_位移平臺；2_單色LED照明光源；3_成像鏡頭；4_數(shù)字?jǐn)z像機(jī)；5_相機(jī)支撐桿；6-計算機(jī)；7-水平尺。
【具體實施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0041]—種基于數(shù)字圖像相關(guān)法的應(yīng)力測試系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括位移平臺1、單色LED照明光源2、成像鏡頭3、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)4、相機(jī)支撐桿5、計算機(jī)6以及水平尺7。數(shù)字?jǐn)z像機(jī)4的螺孔位于其側(cè)面，通過螺孔、螺釘將數(shù)字?jǐn)z像機(jī)4固定在相機(jī)支撐桿5上部的云臺上。相機(jī)支撐桿5的螺孔位于其下底面，通過螺孔、螺釘將相機(jī)支撐桿5固定在位移平臺I上。通過調(diào)節(jié)相機(jī)支撐桿5上部的旋鈕可以方便地調(diào)整數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的方位。同時，相機(jī)支撐桿5的中部是由具有扳扣式腳管設(shè)計的三節(jié)可伸縮桿組成，可以方便、穩(wěn)定地調(diào)節(jié)數(shù)字