数字散斑相关法在压力容器变形测量上的应用

材料和结构的无损检测成为研究热点。

数字图像相关法（Digital Image Correlation，DIC）是在20世纪80年代初由WH.Peters和WF.Ranson[1]等人提出的，是一种用于测量材料变形和应变的光学非接触测量方法。这种测量技术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，是一种非接触的、用于全场形状、变形、运动的图像测量方法，是现代光测实验力学领域的新进展。该方法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，通过跟踪和匹配变形前后所采集图像的灰度信息来测量物体在外载荷作用下表面整体的瞬时位移场和应变场。

在实验固体力学领域中，对于材料和结构表面在外载作用下的变形测量一直是一个较难的课题。常用的主要有接触式和非接触式两种方法。通常使用的电阻应变式接触式测量法，受到测量手段和范围的限制，不能得到全场数据和物体整体上的变形规律。非接触式光学测量方法，有干涉测量技术（全息照相干涉法，散斑干涉法）和非干涉技术（网格化和数字图像相关测量法）两种。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振动的影响，多在具有隔震台的实验室中进行，应用范围收到了很大的限制。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者白光源，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，被视为测量表面变形的一种有利而又灵活的工具。与传统的干涉测量方法相比，DIC具有全场测量、非接触、光路相对简单、测量视场可以调节、不需要光学干涉条纹处理、对测量环境要求低等优点。目前，该方法在工程应用、实验固体力学及材料性能分析等领域得到了广泛的应用。

1 数字图像相关法基本原理

数字散斑相关方法用摄像系统（通常是CCD）分别采集材料变形前后的数字散斑图，进行相关处理，就能够实现对被测物体位移和变形的测量。该方法的实验装置示意图如图1所示，其图像采集系统一般包括CCD摄相机图像采集卡、控制计算机等。

二维的数字散斑相关测量，是以被测物体变形前的图像上任一测量点的周围子区域的灰度特征值作基准，在变形后的图像上，依据最大相关系数C找到该测量点的匹配点，借助相关算法而获得该测量点在图像平面上的变形信息，再根据系统标定数据，最终计算出该点的位移。

依据文献[7]，可采用公式（1）计算相关系数：

（1）

而三维数字散斑相关法是采用互成一定角度的两个CCD摄像机图像采集系统，成像原理类似于人的双眼，基本过程是先通过匹配两个CCD摄像机在同一时刻采集的图像，得到物体的三维形貌图，然后再比较不同变形时刻的图像序列，由此得到物体表面的全场三维位移。如图2所示。以被测物体表面变形前的图像上任一测量点的灰度特征值为基准，依据最大相关系数C，在右摄像机测量被测物体表面变形前的图像上寻找到的匹配点，依据三角测量原理计算得到被测物体表面变形前点的空间坐标。同理可以确定被测物体表面变形后图像上点和，再用三角测量原理计算得到被测物体表面变形后点。最后，依据、及（2）～（4）式可求得被测物体位移、和：

（2）

（3）

（4）

2 光学图像相关法在压力容器测量中的应用进展

压力容器在服役过程中往往承受较大的载荷，具有很高的内压，因而会发生较大的变形。受载条件下的变形测量一直采用的是传统的应变计电测法，虽然可以得到较可靠的数据，但是只能测量“点应变”，受到测量手段和范围的限制很难得到全场数据。光学图像相关法在材料力学的测量方面应用已很广泛，国内外很多学者用其测试各个领域的材料力学性能。近年来也逐渐应用于压力容器在线变形的测量。文献[8]最早在1998年采用激光全息法进行了圆柱形压力容器的无损检测，然而激光全息法进行无损检测时要求暗室和隔振环境，而且干版记录费时费力，给其在实际应用中的推广带来困难。而后在2005年，中国工程物理研究院的黄鹏首次尝试用电子散斑干涉技术测试了含有内部缺陷的球形薄壁压力容器表面的位移场，分析了应变和应力场，可以判断出内部缺陷的位置和形状，实现了容器内部缺陷的快速检测。

之后在电子散斑干涉法的基础上，发展出了数字散斑法。数字散斑法光路简单，对测量环境要求低，光源范围广（激光、自然白光或者普通照明均可），可以任意制定测量范围。在2006年，清华大学的孟利波首次采用基于灰度梯度迭代的数字散斑图像法研究了复合材料压力容器在水压条件下局部区域的变形，测量出了高精度的位移场并进一步得到了应变场。这是一种适宜于现场测量的无损检测方法，有广阔的应用前景。

2011年兰州交通大学的杜三山利用激光散斑场作为待测表面的信息载体，动态实时在线测量了压力容器的微小形变。这种方法可以精确测量出形变大小及其存在区域，为结构微小形变的检测提供依据，扩展了数字散斑干涉法的现场应用。进一步定量研究形变的影响因素将为预知形变的尺寸、位置，以及结构的安全和检测提供帮助，可以为结构无损检测提供依据。

3 结语

数字散斑相关方法作为一种有效的物体表面全场测量技术，已经成为实验力学领域一种有效的光学测量工具。具备了非接触、精度高、在线实时测量等特点可以精确测量压力容器在内压作用下的位移和变形。随着激光器技术、CCD技术、高速数据采集技术以及计算机技术的飞速发展，数字散斑干涉法在测量压力容器变形方面会有一些新的进展。

（1）通过进一步改进光学系统与加载方式，可以测量大面积的变形场。（2）与扫描电镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜以及一些高分辨率、高放大倍数的设备相结合，进行结构微小形变的检测。（3）从常规环境向恶劣环境（如高温、高压）方向发展发展高温环境下全场高温变形测量的技术。

参考文献

[1]黄鹏，莫军，符春渝，等.基于电子散斑干涉技术的压力容器无损检测[J].无损检测，2005（1）：2-5.

[2]Peters WH，Ranson W F. Digital image techniques in experimental stress analysis[J].Optical Engineering，1982 （21）：427-432.

[3]白晓虹.数字图像相关（DIC）测量放在在材料变形研究中的应用[D].沈阳：东北大学，2011.

[4]杨吟飞.基于电子散斑干涉技术的微变形场测量机残余应力分析[J].机械制造与自动化，2014，43（2）：144-146.

[5]Rui Jiabai，Jin Guanchang， Xu Bingye. Anew digital speckle correlation method and its application[J].ACTA MECHANICA SINI-CA，1994，26（5）：599-607.

[6]王怀文，亢一澜，谢和平.数字散斑相关方法与应用研究进展[J].力学进展，2005，35（2）：195-203.

[7]陈华.基于数字散斑相关方法的视觉变形测量技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

[8]李德昌，张早校.应用激光全息照相对压力容器无损探伤的实验研究[J].西安交通大学学报，1998，32（1）：107-110.

[9]孟利波.数字散斑相关方法及其在碳纤维复合材料压力容器变形测量中的应用[J].光学技术，2006，32（2）：163-169.

[10]杜三山.应用数字散斑法测量受载压力容器壁形变的研究[J].自动化与仪器仪表，2012（2）：186-187.

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