[发明专利]一种基于数字图像关联法的样品表面处理方法和应变测试装置

说明书

本发明涉及一种基于数字图像关联法的样品表面处理方法和应变测试装置，特别是涉及数字图像关联方法中的样品制作和图像采集两个重要步骤。通过镜面抛光样品表面和喷砂处理，可以控制样品表面散斑的大小和优化样品表面散斑的质量，从而提高拍摄照片的质量。通过搭建应变测试装置，相机能够分别沿着水平方向、竖直方向、横向三个方向独立进行移动，快速获得与样品所需观测区域的最佳距离，极大的提高了实验的效率。并且为了消除环境光对实验过程的干扰，LED光源通过光纤均匀的照在样品的观测表面。此外，通过更换CMOS相机上的目镜，可以在一组实验中获得不同大小的样品观测区域和不同像素大小的散斑分布，提高实验数据的鲁棒性和准确度。

技术领域

本发明属于材料应力应变测量领域，主要用于复杂样品表面的应变测量，特别是涉及数字图像关联方法中的样品制作和图像采集两个重要步骤。

背景技术

应变的测量是认识材料力学性能最为重要的手段之一。在传统的测试中，被测试的材料往往需要加工成标准的工件，然后用于液压机进行压缩或拉伸实验，通过应变计可以获得全局的均匀的应变分布。但是随着材料科学发展的日新月异，工件所承受的载荷和所处的应力状态日趋复杂，包括拉伸、压缩、剪切和扭转，高应变率、高温等；另一方面，测试工件的形状也更加多样，出现了很多非标准件，以全面的反映材料在实际使用过程中的状态。为此，需要一种应变测量的方法来应对非标准的工件和复杂的应变状态，从而获得非均匀的全局的应变分布。

基于数字图像关联的方法能够利用摄像机追踪样品表面的喷涂的斑点，然后通过计算机分析各个斑点的位移，从而得到样品表面非均匀/均匀的全局应变分布。然而该方法对样品表面散斑的分布和拍摄照片的质量要求很高。通常采用油漆喷涂的方式获得均匀分布的散斑，但是该方法易受外界因素的影响，得到的散斑斑点偏大，从而造成分析得到的应变分布的分辨率受限。在二维的数字图像关联的方法中，摄像机的镜头需要始终保持正对着处于加载过程中的样品，并且相对应的光源也不能发生大的改变，这使得需要花费大量的时间和精力对摄像机、光源、样品三者之间的空间位置进行调试。此外，调试后的整个装置的稳定性对获得照片质量也有重要影响。

发明内容

因此，为了解决上述问题，本发明的目的是通过优化样品表面散斑的分布质量，提高整个装置的易用性和稳定性，从而改善拍摄照片的质量，获得各种载荷下的复杂样品表面的全局非均匀/均匀应变分布。本发明的技术方案是：

一方面是对样品表面进行处理，首先对样品所需观测表面进行镜面抛光，保证抛光后的表面无划痕，表面粗糙度R_a控制在3 µm以下。然后对该表面进行喷砂处理，形成随机分布的散斑图。喷砂的过程中，喷嘴的角度正对于样品的表面，喷嘴离表面的距离为30-40cm，喷砂所用的玻璃微球直径为50-100 µm，确保能够形成大小合适的散斑。当喷砂的时间为6-10 s，喷砂的压强为3-6 bar时，得到的散斑图对应的灰度直方图比较平缓，适用于进一步的分析。

另一方面是搭建基于数字图像关联法的应变测试装置，下底架和上架滑动连接，即上架能够沿着下底架上的滑槽在竖直方向上移动，调节整个装置的高度，以适应于不同的试验机。横杆能够沿着上架上的滑槽在水平方向上移动，初步调节相机与样品的水平距离；竖直杆能够沿着横杆上的滑槽在横向上移动，调节相机与样品的横向距离；水平杆能够沿着竖直杆上的滑槽在竖直方向上移动，调节相机与样品的竖直距离。滑块能够沿着水平杆上的滑槽在水平方向上移动，完成相机与所需观测的样品表面的对焦。为了消除环境光对实验过程的干扰，LED光源通过光纤均匀的照在样品的观测表面。此外，通过更换CMOS相机上的目镜，可以获得不同像素大小的散斑分布。

本发明的有益技术效果

1. 通过喷砂方式获得的散斑分布与喷涂油漆相比，散斑的运动和变形与试样相同，并且不会随着样品的变形过程而脱落。

2. 喷砂的流程能够标准化，得到的散斑大小和散斑质量可控，能够应用于有不同要求的实验。

3. 应变测试装置的材料为铝合金，质量轻强度高，结构稳定，易于拆装，能够适应不同测试环境的需求。