光测应变测量

1、应变测量是材料和结构力学性能试验中的一项基本任务，是了解材料在力学载荷等因素作用下的变形、损伤和失效行为的基础，对于确定结构设计许用值、结构寿命预测和评估等均有重要价值。其中光测力学是由光学和力学的交叉、结合而形成的一门实验科学，它采用现代光学测量技术和数字图象处理技术对力学参数进行测量。其主要的方法有： 云纹及云纹干涉法 光弹性法 散斑干涉及剪切散斑干涉法 数字图象相关法 全息/数字全息干涉法 其它而光测力学的主要特点有以下几点： 全场性 非接触性 高精度、高分辨率 以（数字）图像，特别是条纹图像为信息载体 操作和信息的提取较为复杂一、几何云纹法基本原理云纹源自法语，意思是从中国传入的丝绸的

2、“耀眼的光泽”或“波形图案”。在实验力学中，它指的是两个空间频率相差不大的振幅型光栅叠加在一起时所产生的明暗交错的条纹图案。通过分析云纹图案和条纹间距，可以测量物体的面内变形和应变以及三维形貌，这种方法成为云纹法。如图1.1所示，云纹实际上是两个光栅间的互相遮挡与透过现象。云纹中的亮条纹是由两个光栅的白线相交形成的（源于互不遮挡）。而暗条纹是由两个光栅的白线与黑线相交形成的（源于互相遮挡）。由于人眼的分辩率或低通滤波性，白条纹中的黑线干扰被忽略了。图1.1 云纹示意图适用范围云纹法是可以测定位移场及应变场的实验应力分析方法。用它来测量构件的位移和应变有很多优点。可用于各种材料，包括常用工程材料

3、以及有特殊性能的材料，如低弹性模量的、各向异性的、复合或聚合材料等。可以应用于静荷与动荷，包括测定瞬时冲击或长期蠕变等，可以用于测定较大量程的变形弹性、塑性直至破坏的大变形，还可以用于测定裂纹附近的弹塑性变形场，板、壳，以及二维和三维稳定等问题。优缺点用于测量构件的位移和应变有很多优点。它测量时所使用的设备简单，应用范围广。云纹法的不足之处是在测量弹性范围的微小应变时，还缺乏足够的灵敏度与准确度，但是近年来在这方面已有不少进展。分辨率云纹法测平面位移的分辨率为（参考栅的）一个栅距。一般为10-1000 微米二、云纹干涉法基本原理云纹干涉是近20年来产生的现代光测力学中的一部分。由D. Post

4、将高密度衍射光栅技术引入光测力学中，戴福隆利用波前理论科学解释了云纹干涉法原理，进一步完善了云纹干涉理论。云纹干涉具有高灵敏度、大量程、极好的条纹质量、非接触、实时全场观测等优点，从其诞生之日起就受到高度重视。目前云纹干涉的理论与方法研究已经基本完善，并在材料科学、无损检测、断裂力学、细观力学、微电子封装等许多领域应用广泛。D. Post最早提出云纹干涉的解释，并概括为：云纹干涉发的本质在于从试件栅衍射出的翘曲波前相互干涉，产生代表位移等值线的干涉条纹。当试件受载变形时刻制在试件表面的试件栅也随之变形，变形后的试件栅与作为基准的空间虚栅相互作用形成云纹图。适用范围云纹干涉法可以测定全场面内位移

5、。在断裂力学中的应用为裂尖位移场/应变场的测量，塑性区的确定，断裂力学理论的验证等方面。在电子器件热，机械可靠性评价方面的应用包括：焊球热变形及疲劳寿命的确定，塑料封装材料吸湿膨胀系数的测量等。优缺点不仅克服了通常的全息干涉法不能直接获取面内位移场的困难，比较云纹法、散斑照相法更具有灵敏度，而且其量程也不像散斑干涉那样受到极严格的限制。此外，这一方法还可以对面内位移进行全场实时观测，这也是其他光学干涉方法是难以实现的。但是需要贴光栅，并且进行条纹处理，过程较为繁琐。分辨率测试分辨率都决定于光栅的空间频率（两入射光干涉形成的干涉条纹的空间频率是物理光栅空间频率的2 倍！），可以达到波长量级几何云

6、纹法与云纹干涉法的异同 条纹形成机制不同，几何光学干涉与物理光学干涉； 测试分辨率相差很大； 测试分辨率都决定于光栅的空间频率； 云纹干涉法的条纹成因可借助云纹法的条纹成因理解（交叉入射光的干涉条纹可视为参考栅，但注意其频率问题）； 变形的正负都可用相同方法判断（转动参考栅）； 条纹处理方法相同； 实现相移方法相同（试件栅与参考栅之间的相对移动）。三、光测弹性法基本原理应用偏振光干涉原理对应力作用下能产生人工双折射材料做成的力学构件模型进行实验应力测试的仪器，简称光弹仪。应用它可以通过模型在实验室内进行大型建筑构件、水坝坝体、重型机械部件的应力和应力分布的测试，并可以在模型上直接看到被测件的全

7、部应力分布和应力集中情况。分类光测弹性力学方法的发展，使该类仪器已有十余个品种，它们用于不同的范畴，可分静态应力分析仪及动态应力分析仪两大类。静态应力分析仪中包括上述经典光弹性仪及其变形产品；如用于一般试验的简单型漫射式光弹性仪；用于现场的反射式光弹性仪及多种光弹性仪附件，如石英补偿器、条纹倍增器、斜射器等。在经典方法之外，还发展了全息光弹性仪、云纹仪、激光散斑仪等。这一类仪器都可用于测量模型或物体的表面形变。在动态应力分析仪器中，发展了如多火花动态光弹性仪、多脉冲激光全息照相机等，它们可用于拍摄高速动载荷作用下的模型光弹性条纹分布的变化过程。以上已形成仪器系列。正在发展中的尚有自动光弹性仪、

8、光弹性实验数据自动采集及处理系统，它们进一步简化实验操作，缩短了实验周期和提高了实验精度，是今后发展的方向。适用范围1、 弹性力学实验，单向受力试件中园孔的应力集中系数测定2、 断裂力学实验，裂纹在两种材料界面附近的扩展行为3、 细观力学实验，位错在晶界运动、塞积造成的局部应力场优缺点光测弹性法的缺点是只能在模型材料上进行试验，优点可以测定主应力方向，应力场。四、散斑干涉法基本原理散斑干涉法是20世纪70年代发展起来的一种实验力学方法，它是一种非接触式的测量物体位移和应变的技术。当相干光照射到引起漫反射的物体表面时，物体各个部位所发出的次波在物体表面的前面相干而形成大量的明暗斑点，叫做散斑。这

9、种散斑是非定域的，在物体前方的各个位置都存在，也叫做客观散斑。由于散斑和所照射的表面存在着固定的关系，我们在物体位移前和位移后分别将散斑记录在一张照相底版上。底板上的复合散斑图即反映了物体表面的各点位移的变化。通过适当处理可以将这种位移信息显露出来而加以测量。散斑计量中，由于散斑场与其所应用的光学系统密切相关。因此，由光学系统的不同配置产生了所谓的客观散斑与主观散斑。客观散斑在其散射空间分布，而主观散斑仅在像平面上分布。散斑计量的方法主要有基于散斑颗粒位置的变化所进行的检测的散斑照相术或单光束散斑干涉以及基于干涉散斑场相位变化而进行的检测的散斑相关干涉或双光束散斑干涉。分类双光束散斑干涉法在相

10、干光照明下，把待测表面漫反射所形成的散斑场，和固定且不变形的另一表面的漫反射所形成的散斑场叠加，构成一个新的散斑场。在待测表面发生变形的过程中，这个叠加而成的散斑场将发生如下变化:变形体表面沿法线方向每移动1/2波长的距离，斑的明暗变化就形成一个循环。当物体表面有不均匀的离面位移时，凡是位移为1/2波长及其整数倍的地方，散斑仍是原来的状态。变形前后斑的亮度分布的细节完全相同的区域，称为相关部分；反之，则称为不相关部分。故可以采用适当的方法，把相关部分的干涉条纹显示出来，从而了解物体表面的全场变形状况。双光束散斑干涉法用于测量板的变形和振动，用于轮胎的无损检验以及用于测量人的耳膜在各种声响下的振

11、动等。单光束散斑干涉法在被激光照明的物体表面以外的空间，形成随机分布的散斑场。分布在空间的散斑，称为客观散斑;通过透镜成象而记录在平面上的散斑，称为主观散斑。物体发生微小变形，散斑也随之发生变化，它们之间有着确定的关系。把物体表面变形前后所形成的两个散斑图，记录在同一张底片上。底片上的每个小区域，和物体表面的小区域一一对应；当此区域足够小时，在底片上对应的小区域内的两个散斑图几乎完全相同，只是错动了一个与物体表面位移有关的小的距离。这时各个斑点都成对出现。其错动的距离和方位，代表所对应的物体表面小区域的移动。用光学信息处理的方法，对所记录的底片进行分析，就可以得到物体表面的位移或位移的微分的分

12、布。记录的方法，既可以直接记录客观散斑，也可以通过透镜记录主观散斑。通常采用的信息处理的方法，有逐点分析法和全场分析法两种。单光束散斑照相已广泛用来测量物体表面的平动、倾斜和应变，如孔周的应变集中，蜂窝夹层板的变形，平面问题的应变和断裂力学实验中的位移场等。利用侧向散射光所形成的散斑，可以测量透明试件内部任一截面的位移和变形。比较散斑干涉法对防振要求低。双光束散斑干涉法的测量灵敏度和全息干涉法相当，单光束散斑干涉法的测量灵敏度则较低一些。用散斑干涉法比较容易获得分离的位移分量及其微分。此法的缺点是只能测量物体表面的平面部分。将全息干涉和散斑干涉两种方法联合起来，互相补充，可以通过一张双曝光照片

13、获得分离的三维位移分量的全场分布。在激光散斑干涉法的发展过程中，形成了一种非相干光散斑法，或称白光散斑法。同激光散斑干涉法相比，非相干光散斑法有很多优点。激光散斑干涉法只能测量物体的平面部分，而非相干光散斑法却可以通过控制照相的景深，对三维物体表面进行有层次的照相，可以逐次测量三维物体各截面的位移和变形；激光散斑干涉法不能测量热变形，而且受激光器的能量限制，不便测量大面积的物体，而非相干光散斑法则没有这些限制；单光束散斑干涉法的测量灵敏度和散斑的大小有关，非相干光散斑法可以人为地控制所制作斑点的大小，使得测量灵敏度可以在较大的范围内变化。非相干光散斑法已用于测量雷达天线的热变形、大的混凝土构件

14、的变形和裂纹尖端位移场等。用途激光散斑干涉法的用途很广，除了测取物体的位移、应变外，还可以用于无损探伤、物体表面粗糙度的测量、塑性区测量、振动测量、纹尖位移场测量等方面五、数字图像相关法基本原理数字图像相关法(Digital Image Correlation Method，简称DICM)，又称为数字散斑相关法(Digital Speckle Correlation Method，简称DSCM)，是应用于计算机视觉技术的一种图像测量方法。数字图像相关(Digital Image Correlation， i.e. DIC)测量技术是应用计算机视觉技术的一种图像测量方法，是一种非接触的、用于全场

15、形状、变形、运动测量的方法。它是现代先进光电技术、图像处理与识别技术与计算机技术相结合的产物，是现代光侧力学领域的又一新进展。它将物体表面随机分布的斑点或伪随机分布的人工散斑场作为变形信息载体，是一种对材料或者结构表面在外载荷或其他因素作用下进行全场位移和应变分析的新的实验力学方法。在实验固体力学领域中，对于不同载荷下，材料和结构表面的变形测量一直是一个较难的课题。一般包括接触式和非接触式两种，对于一般使用的电阻应变片接触式测量方法，受其测量手段的限制，不能得到全场数据，且测量范围有限，不能得到物体整体上的变形规律。而对于全场的非接触式光学测量方法，包括干涉测量技术(例如全息照相干涉法，散斑千

16、涉法)和非干涉技术(例如网格法和数字图像相关测量法)。由于干涉测量技术要求有相干光源，光路复杂，且测量结果易受外界震动的影响，多在具有隔振台的实验室中进行，应用范围受到了极大的限制。而非干涉测量技术是通过对比变形前后物体表面的灰度强度来决定表面变形量，对光源和测量环境要求较低。数字图像相关测量技术可以直接采用自然光源或白光源，通过具有一定分辨率的CCD相机采集图像，并利用相关算法进行图像处理得到变形信息，可以说，DIC是一种基于数字图像处理和数值计算的光学测量方法。由于该技术的直接处理对象是数字图像，而随着科学技术和数字化技术的不断发展与更新，数字图像的分辨率和清晰程度不断扩大，因此，数字图像

17、处理技术的测量精度也在不断提升。由于数字图像测量技术的上述优点，使得DIC技术被广泛接受，并被视为测量表面变形的一种有力而又灵活的工具。在材料科学领域，对于不同材料的应变、变形的测量一直是一个较为重要的课题，对于研究材料的性能以及内在的变形规律等具有重要的意义。而数字图像相关测量技术具有测量应变、变形显著的优点，因此，将数字图像相关测量技术应用在该领域具有很大的前景。目前，DIC技术已经在材料的力学行为测试与分析上有着许多应用。尤其是对于低维膜材料、生物材料、木材及岩石材料的变形场的定量测量。但是对于在金属材料方面的运用并不是很普遍，尤其是在国内这方面的报道相对较少。在国外，Puerto Ri

18、co大学的Rommel等人米用DIC方法研究了铝、砖块等材料的变形行为，并与理论应变值以及引伸计测量值进行了对比，得出对于砖块两种方法测量应变很准确，对于3釆用DIC测得值要高于理论值。M.Rossi等人研究了数字图像相关测量方法在板材平面各向异性方面的报道，测量了板材的塑性应变比r值。此外，V.SavicL.G.Hector等人将DIC方法用在了马氏体钢的变形以及断裂方面的研究工作上，给出了该钢在拉伸过程中应变场的分布。B.Ahn和S.R.Niitt等人利用数字图像相关测量方法对绍镁合金在微尺度下的变形行为及应变值进行了相关研究。在国内，采用DIC方法来进行金属材料变形过程的研究较少。徐飞鸿

19、等人利用数字图像相关测量方法的理论提出了一种金属材料塑性变形过程中塑性变形区域的识别方法。桂良进、高付海等人进行了数字图像相关技术的试验，将DIC方法利用在双相钢的单向拉伸断裂失效的研究上，详细分析研究了试样的拉伸断裂过程，捕捉了其分散性失稳和集中性失稳的发生时刻，得到了颈缩时刻的横向应变分布。刘主琛等人利用数字散斑相关法研究了铅和铜裂纹尖端损伤区内应变场的测量。DIC在变形及应变方面的应用与其它基于相干光波干涉原理的光测方法（如电子散斑干涉、云纹干涉法）相比，数字图像相关方法具有其明显和独特的优势：1）仅需要一个（2D DIC）或两个数字相机(3D DIC)拍摄变形前后被测物体表面的数字图像

20、，其光路布置、测量过程和试样准备简单；2）无需激光照明和隔振，对测量环境要求较低；3）可与不同时间分辨率和空间分辨率的数字成像设备（如高速摄像机、光学显微镜、扫描电子显微镜）直接结合，因此适用测量范围广泛。适用范围直接测量各种尺度物体表面(甚至物体内部)在载荷作用下的位移/变形场；确定各种材料(复合材料、生物材料、低维材料)的力学常数(弹性模量、泊松比、残余应力、应力强度因子、热膨胀系数)；验证有限元计算和力学理论分析的正确性。分辨率可以达到零点几个像素。优缺点1、数字图像相关方法的优势非接触、全场测量(与电阻应变片相比)；测量设备、过程简单，无需激光、隔振台，适用于现场测量(与ESPI， M

21、I， DH 相比)；适用测量范围广泛，微纳米尺度、高低温环境、高速动态(与ESPI， MI， DH 相比)；测量过程自动化，直接获得变形场(与ESPI， MI， DH 相比)。2、数字图像相关方法的不足目前的技术不适合宏观物体的非均匀小变形测量；计算较耗时，目前的计算不能实时显示测量结果。六、全息/数字全息干涉法基本原理1、全息干涉计量技术全息干涉技术是指应用全息摄影法进行干涉计量的一种技术。它利用全息摄影法，将两个或若干个状态略有差异的、来自同一物体的光波，记录在同一块全息干版上。再现时，可以同时再现这两个或若干个略有差异的物光波，各些物光波相互干涉、并形成干涉条纹。该干涉条纹反映了物体不同

22、状态之间的差异，而这种差异正是干涉计量想得到的物理信息（如变形、折射率等等）。全息干涉计量术根据记录方式的不同，可分为：双曝光法、实时法、时间平均法和频闪法等。其运动形式如下表所示：2、双曝光全息干涉计量技术所谓双曝光全息干涉技术就是指，在物体变形前后对物体进行双曝光全息摄影，以获取物体的变形信息。测量分两步进行：干涉记录（曝光两次）以及衍射再现。3、 数字全息干涉法随着数字相机高空间分辨率的提高，通过数字记录、数值再现的数字全息逐渐代替传统的全息方法。数字全息是用光电传感器件（如CCD 或CMOS）代替干板记录全息图，然后将全息图存入计算机，用计算机模拟光学衍射过程来实现被记录物体的全息再现

23、和处理。其特点如下： 避免湿化学处理，制作成本低； 成像速度块，结果的实时显示； 记录再现灵活，参数（焦距、图像尺寸、分辨率等）可灵活控制。适用范围 漫射固体表面三维位移场和振动振幅场的测量； 透明固体内厚度变化和折射率变化的测量； 三维物表面的形状测量； 气体或液体内密度、温度和浓度变化的测量等等。优缺点普通照相只能记录物体的光强，也就是光的振幅，而不能记录光的相位。而全息照相的干涉条纹不仅反映了参考光和物光的振幅，而且反映了参考光和物光的位相关系。附：光测仪器生产厂家美国英斯特朗集团英斯特朗集团 (INSTRON CORPORATION )是1946年从美国著名的麻省理工学院 (MIT)

24、创办、发展起来的一家国际性材料试验仪器生产公司。其总公司设于美国，生产工厂分别设在美国、英国和德国。在全球20个国家和地区分别设有37个分公司、办事处、试验应用中心和技术服务中心。目前，英斯特朗公司每年生产约2千台(套)各种类型材料试验机、冲击试验机、硬度计和结构试验系统。现已有数万台英斯特朗试验设备在近百个国家和地区的众多领域中发挥着作用。 自1946年英斯特朗公司研制了世界上第一台闭环控制的电子万能材料试验机和世界上第一个应变片式载荷传感器，六十多年来，英斯特朗公司始终致力于以最新的科学技术开发高精度材料试验仪器和系统及其应用，在各时期均研制出代表当时世界最先进技术水平的材料试验机。自七十

25、年代中期，英斯特朗公司率先将全数字化控制技术应用于材料试验机的控制系统，所有英斯特朗材料试验设备及结构试验系统都符合国际通用试验标准如 ISO、ASTM、EN等标准，并可按照这些标准中的有关规范对纤维、纺织品、金属、陶瓷、橡胶、塑料、复合材料、木材、纸张、食品等各种材料进行力学性能的试验和研究。英斯特朗材料试验机及结构试验系统以其技术先进、质量优良、可靠和完善的售后服务、具有极强的竞争力，其性能/价格比通常优于其它公司的产品。卓力特光电仪器（苏州）有限公司卓力特光电仪器（苏州）有限公司是一家集研发、制造于一体的美资光电设备制造厂商。公司由五位力学、光学及电子专业的留美博士合作创立于1992年，产品涉及光电仪器、光测力学实验室、光弹性力学实验室、三维数字全场光测力学实验室等几个部分，主要产品包括光学镜头、LED数码光弹仪、多功能光测力学系统、一维面内位移相移电子散斑干涉仪、一维离面位移相移电子散斑干涉仪、相移剪切电子散斑干涉仪、二维数字散斑相关测量仪、相移栅线投影测量仪、三维相移电子散斑干涉仪、三维形貌测量系统（宏观/细观）、三维数字图像相关测量系统、三维云纹干涉仪、长距离显微镜以及各类光学位