非相关双图像法研究物体离面大位移及应变

　　1　引　言

　　在科学研究和工程中常遇到对位移或应变的测量。位移分面内位移和离面位移,须用不同方法测量。全息干涉法只对离面位移敏感,而散斑干涉法则相反[1]。它们都只能测量微小位移,且对测量环境的要求非常苛刻[2]。传感器法可测量大位移,但它属接触测量。传感器安装有时非常困难,另外其本身也具有各种误差,所以传感器的使用受到一定限制。

　　运用CCD可测量物体的位移[3, 4],其原理是拍摄物体运动变化的相关图像,经过分析计算得到物体的位移值。所谓相关图像,就是前后相邻两幅图像中有重合的部分,利用图像中某些特征点的相关性导出相关函数,得到物体的位移变化。相关图像法运用于测量索桥的桥面位移[5]及轮胎裂纹在运转中的变化[6]。由原理分析和运用事例可说明相关图像法主要测量小位移或应变,如果位移较大,前后两幅图像中没有重合的特征点,则无法计算位移值。单CCD单图像法也只研究面内位移[7, 8]。非相关双图像法主要是测量物体的离面大位移或应变,拍摄物体全场的非相关双图像,图像之间没有关联,运用MATLAB软件分析图像[9, 10]。实验中位移从1mm变化到90mm,测量精度优于1. 5%,结合不确定度理论可使精度优于1%。用高速CCD配以海量存储技术,可测量高速运动物体的位移。根据被测物的具体环境配以激光,可实现远距离非接触测量,所以非相关双图像法具有广泛的实际的运用价值。

　　2　测量原理

　　2.1　技术路线

　　图1是测量原理图。S为试件,A点为S上任一点,设其在X轴上,位移后在B点。O点为基准光点即固定点,其位置始终不变。Lx和Ly是X、Y方向的两个记录光路。

　　需要指出的是: (1)测量光点数没有特别限制,根据实际需要或精度要求可取任意多点。(2)光源可用一般白光或激光。如果被测物可接触则用白光;如果被测物不可接触或测量环境恶劣,则可在远距离外用激光照射。(3)如果位移为面内位移,用一个记录光路即可。本例中用两个记录光路是说明测量原理可用于复杂场合,如对三维空间位移的测量。

　　不失一般性,分析测点B(x,y)的位移值。测量系统分为3个坐标系,XOY、X′O′Y′、X″O″Y″分别为试件系统和X、Y记录光路的坐标系。Px和Py分别是Lx和Ly对基准光点O聚焦拍摄得到的图像。O点的位置可由高斯定律求得:X0=Fy·X′0X′0-Fy,　Y0=Fx·Y′0Y′0-Fx(1)式中,Fx、Fy分别是两个记录装置的焦距,X′0、Y′0

　　分别是记录装置中负片到物镜的距离。上式用于远距离测量时对物体空间位置的确定。如条件允许可直接测得X0、Y0。B点的位置可由其分别在Px和Py上的位置B′、B″来确定。B′、B″在对应坐标系中分别为x′和y″。由成像条件可得: