本发明专利技术涉及一种基于数字图像相关法的应力测试系统及其应用，主要包括数字摄像机、成像镜头、单色LED照明光源、位移平台、相机支撑杆、水平尺以及用于数字图像采集和分析处理的计算机，其测试过程主要有六步。本发明专利技术的测试系统具有组成简单、照明光源稳定、数字摄像机的高度与方位易调节等特点。对钻孔前后的散斑图进行数字图像相关计算即可得到测试结果，具有操作简单、测试成本低、精度高等优点。测试过程不使用应变片，能有效避免使用应变片测量残余应力的局限性。本发明专利技术提供的系统可用于大/小尺度测试和全场/局部测试。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光测力学性能领域，涉及残余应力测试技术，尤其是涉及。
技术介绍
在工程应用领域，残余应力问题一直以来都备受人们的关注。残余应力是构件在制造过程中，由于各种工艺等因素的作用与影响，当这些因素消失之后仍残留在构件内自相平衡的内应力。焊接、铸造、锻造等机械加工、表面处理等强化工艺都能引起残余应力，夕卜力和温度变化引起的不均匀塑性变形是产生残余应力的主要原因。残余应力不仅降低结构的承载能力，影响尺寸稳定性，而且还降低其抗应力腐蚀性能和疲劳强度，最终会影响到结构的使用性能和寿命。因此开发简单有效的残余应力测试方法对结构寿命预测和完整性评估具有重要的实际意义在机械工程、航空航天、水利水电、石油化工、铁路交通等工业领域，残余应力测量研究始终受到高度重视。残余应力的测量方法通常可分为有损法和无损法两大类。有损法是一种破坏或半破坏性的机械应力释放法，利用应变片测量应变。常用的方法有盲孔法、割条法和剥层法等。无损法是利用物理现象如磁效应、衍射效应等测量应变，常用的方法有X射线法、中子衍射法、超声波法和磁性法等。盲孔法是一种半破坏型的机械应力释放法，即在盲孔法应变花上钻一盲孔，使被测点的应力得到释放，并由事先贴在盲孔周围的应变计测得释放的应变量，根据弹性力学原理计算残余应力。基于钻孔进行残余应力测试的技术也有很多种，如林鸿志等人提出了一种焊接残余应力测量方法(中国专利申请公布号:CN 102778385 A)和邓爱国等人提出的残余应力测试装置(中国专利授权公告号:CN 201203574 Y)等。在实际应用中，盲孔法能够满足大部分情况下的残余应力测量，但是该方法受限于测量试样尺寸的限制、测量过程较复杂、钻孔对中要求高等局限性。数字图像相关法是通过在被测试样表面制备高质量散斑，然后拍摄试样变形前后的表面散斑图，最后使用这些散斑图进行相关运算，得到试样表面的位移场和应变场。数字图像相关法由于具有非接触、可视化、大/小尺度测试、全场/局部测试和测量范围大等优点，成为最为常用的非接触式变形测量方法之一。综上所述，探索一种操作简单，不受试样尺寸限制、不需严格对中的残余应力测试系统具有重要意义，而基于数字图像相关法的应力测试系统是重要的探索路径之一。中国专利CN 103278268A公开了基于散斑干涉原理的应力测试装置及应力集中测试方法，涉及基于散斑干涉原理的应力测试装置及应力集中测试方法。它为了解决现有的激光散斑技术存调节光路的过程繁琐复杂，灵活性差，仅能用于实验室测量分析，无法对尺寸庞大、空间形状复杂的实际构件进行现场测量的问题。该专利技术采用4个准直扩束镜，两两对称地布置在被测表面上，获得两束准直平行激光光束，通过控制四路光的通断，用数字CCD相机分别采集受载变形前后的四幅散斑场图，采用计算机数字图像处理技术，获得两个正交方向上的位移量分布，进而获得被测区域的应力状态的分布信息。该专利技术基于激光散斑技术，试验装置复杂，试样表面要求较高，以便实现散斑干涉；试验步骤复杂，变形前需要采集两个方向上的散斑场，变形后需要在不同激光光束的照射下采集两个方向上的散斑场；数据处理复杂，需要计算四个散斑场才能获得位移信息；难以实现大/小尺度测试、全场/局部测试的灵活测试。而本申请基于数字散斑图像的互相关计算，只需常见的LED照明光源、相机和计算机，试样准备只需在试样表面喷涂白/黑漆，可以实时地拍摄试样受载变形前后的散斑图，将散斑图进行相关计算即可得出全场位移和应变的信息，实现大/小尺度、全场/局部的测试。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种操作简单，不需要应变片，能有效避免使用应变片测试应力的局限性，测量精度与应变片的精度基本一致，测试成本较低的基于数字图像相关法的应力测试系统及其应用。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现:—种基于数字图像相关法的应力测试系统，包括数字摄像机、成像镜头、单色LED照明光源、位移平台、相机支撑杆、水平尺和计算机，所述的数字摄像机固定在相机支撑杆上部的云台上，经数据线与计算机连接，所述的数字摄像机的前端安装有成像镜头，所述的单色LED照明光源固定在成像镜头的前端，所述的水平尺水平固定在数字摄像机上平面，所述的位移平台连接在相机支撑杆的下端。所述的数字摄像机的分辨率根据测量精度选定，一般地，可以实现I μπι/pixel?50 μ m/pixel的测量精度即可。所述的成像镜头根据数字摄像机的几何尺寸与被测试样的大小来选定。所述的相机支撑杆的中部由具有扳扣式脚管结构的三节可伸缩杆组成，根据被测试样的高度和方位调整数字摄像机的高度和方位。所述的水平尺控制测量精度应在0.1°?1°之间。所述的位移平台为XY轴、XYZ轴或XYZR轴位移平台。基于数字图像相关法的应力测试系统用于检测残余应力，采用以下步骤:(I)对被测试样进行打磨抛光，使用酒精将试样表面擦拭干净；(2)在试样表面通过喷涂白/黑喷漆的方法，在该表面上制备出人工散斑图；(3)在待测位置使用记号笔点上一个小黑点作为测点标志，便于在测试过程中快速找到测试位置；(4)根据测点标志调整测试系统的位置和方位，使数字摄像机清晰成像，拍摄变形前的图像作为参考图像；(5)对被测试样施加载荷，试样变形后，拍摄变形后的图像作为目标图像；(6)使用数字图像相关法处理得到的参考图像和目标图像，即可得到测试位置处的应变，根据弹性力学，即可计算出被测试样的残余应力。对被测试样进行拉伸、压缩或钻孔以施加载荷。钻孔时根据盲孔法残余应力测量标准进行钻孔。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点:(I)系统组成简单，效果明显:在成像镜头前加一个亮度可调的单色LED照明光源，可以提供稳定的照明光源，适用于不同环境下的数字图像拍摄；相机支撑杆可以方便地调节数字摄像机的高度和方位；位移平台可以准确地定位测试位置等。(2)操作简单，测试成本低，精度高:本专利技术提供的测试系统操作较简单，只需拍摄试样变形前后的数字散斑图，然后进行数字图像相关计算即可得到测试结果；测试过程不使用应变片，降低了测试成本；同时由于测试过程不使用应变片，能有效避免使用应变片测量应力的局限性；测试结果与使用应变片测量得到的结果基本一致，测量精度高。(3)可用于大/小尺度测试、全场/局部测试:本专利技术提供的测试系统，可进行大/小尺度、全场/局部测试。当试样较小时，由于空间不足，无法使用应变片测试应力，而本专利技术提供的测试系统能够对这些小试样进行测试；本专利技术提供的测试系统不仅可以对试样进行局部单点测试，还可用于分析试样的全场应变。【附图说明】图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术的具体测试步骤流程图；图3为实施例1中的被测试样和测试结果，(a)被测试样及测试结果，(b)参考图像，(C)目标图像。图4为实施例2中的被测试样和测试结果，(a)压缩前的被测试样，(b)压缩后的被测试样，(C)测试结果。图5为实施例3中，使用本专利技术的系统对被测试样进行测试时，拍摄得到的钻孔前后的散斑图。图6为实施例3中，使用数字图像相关法来处理拍摄得到的钻孔前后的数字图像的计算过程图。图7为实施例3中，两种测试方法的测试区域示意图以及测试结果的对比。图中:1_位移平台；2_单色LED照明光源；3_成像镜头；4_数字本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于数字图像相关法的应力测试系统，其特征在于，该系统包括数字摄像机、成像镜头、单色LED照明光源、位移平台、相机支撑杆、水平尺和计算机，所述的数字摄像机固定在相机支撑杆上部的云台上，经数据线与计算机连接，所述的数字摄像机的前端安装有成像镜头，所述的单色LED照明光源固定在成像镜头的前端，所述的水平尺水平固定在数字摄像机上平面，所述的位移平台连接在相机支撑杆的下端。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：徐济进，林烈雄，陆皓，余春，陈俊梅，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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