CN111964600A - 基于双向视场分离的高精度双轴光学引伸计及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了光学引伸计技术领域的一种基于双向视场分离的高精度双轴光学引伸计及测量方法，旨在解决现有技术中受测试时试样离面位移的影响，光学引伸计的应变测量精度不高的技术问题。远心镜头安装在数字相机上；四棱锥的每个侧面对应设置一个等边直角棱镜，其中两个等边直角棱镜沿水平向布置，另两个等边直角棱镜沿竖直向布置；被测样品表面的每个标距点上的漫射光场被四个等边直角棱镜分别反射至四棱锥的四个侧面上，再被四棱锥的侧面分别反射后以平行于所述远心镜头的光轴的方向进入远心镜头中；远心镜头对被测样品表面的每个标距点进行成像，数字相机拍摄将图像传输至数据处理装置；数据处理装置获取被测样品表面的局部均匀双向应变信息。
Description
技术领域
本发明属于光学引伸计技术领域，具体涉及一种基于双向视场分离的高精度双轴光学引伸计及测量方法。
背景技术
弹性模量和泊松比是材料的两个基本弹性常数，在结构设计与仿真中扮演着十分重要的作用，为了得到这两个参数，必须对材料的横向应变与轴向应变进行准确的测量。当前最常见的双向应变测试手段是粘贴直角应变花和采用双轴电子引伸计，这些方法在测量时需要在被测试样上安装元器件，容易给试样造成损伤，使得这些方法不适用小尺寸、大变形尤其是柔性材料的检测。光学应变测试方法主要以光学（视频）引伸计为代表。然而，受测试时试样离面位移的影响，以及相机分辨率的限制，当前光学引伸计的应变测量精度常常不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双向视场分离的高精度双轴光学引伸计及测量方法，以解决现有技术中受测试时试样离面位移的影响，光学引伸计的应变测量精度不高的技术问题。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于双向视场分离的高精度双轴光学引伸计，包括：数据处理装置、数字相机、远心镜头、四棱锥和四个等边直角棱镜；所述远心镜头安装在所述数字相机上；所述四棱锥的每个侧面对应设置一个所述等边直角棱镜，其中两个所述等边直角棱镜沿水平方向布置，另两个所述等边直角棱镜沿竖直方向布置，每个所述等边直角棱镜与所述四棱锥的距离相等，所述四棱锥的底面与所述远心镜头的光轴垂直；被测样品表面的每个标距点上的漫射光场被四个所述等边直角棱镜分别反射至所述四棱锥的四个侧面上，再被所述四棱锥的侧面分别反射后以平行于所述远心镜头的光轴的方向进入所述远心镜头中；所述远心镜头根据接收到的光线，对被测样品表面的每个标距点进行成像，并在所述数字相机靶面上形成数字图像；所述数字相机拍摄所述数字图像并将所述数字图像传输至所述数据处理装置；所述数据处理装置包括相关运算模块和后处理模块，相关运算模块根据接收到的数字图像获取指定标距点沿着测量方向的位移信息；后处理模块利用相关运算模块获取的位移信息，结合指定标距点的间距信息获得被测样品表面的局部均匀应变信息。
进一步地，所述四棱锥和四个所述等边直角棱镜固定在一块固定板上，所述固定板安装在所述远心镜头上。
进一步地，所述四棱锥的每组相对侧面均互相垂直。
进一步地，所述远心镜头为物方远心或双侧远心镜头。
进一步地，所述数字相机安装在可调支架上。
进一步地，被测样品表面的水平方向均匀应变大小为(x2-x1)/sH，x1和x2分别为第一和第二标距点沿着水平方向的位移，sH为第一和第二标距点的初始间距，竖直方向均匀应变大小为(y2-y1)/sV，y1和y2分别为第三和第四标距点沿着竖直方向的位移，sV为第三和第四标距点的初始间距。
一种基于双向视场分离的高精度双轴光学引伸计的应变测量方法，包括：
在被测样品的水平方向和竖直方向各选取两个标距点，将安装了远心镜头的数字相机安装在可调支架上，同时安装并调整四棱锥和四个等边直角棱镜，使选取的各标距点的上的漫射光场依次经过等边直角棱镜和四棱锥反射后进入远心镜头中；
远心镜头根据接收到的光线在数字相机靶面上成像；数字相机将靶面上所成像转成数字图像，并将数字图像传输至数据处理装置；
数据处理装置根据接收到的数字图像获取指定标距点沿着测量方向的位移信息，结合指定标距点的间距信息，获得被测样品表面的局部均匀双向应变信息。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
（1）本发明中采用一个四棱锥镜与四个直角棱镜的布置可以将上、下和左、右四个距离较远的标距点，经过光路反射汇聚到远心镜头中，使水平与竖直方向标距点间的距离即标距得到数倍的放大，因而极大提升了双向应变的测量精度；
（2）受离面位移影响小：由于远心镜头具有景深范围内放大倍率恒定的特性，使得标距点的微小离面位移并不会在数字相机的像面上产生虚假位移和虚假应变；
（3）集成度高，便于组装：本发明中采用一个四棱锥镜和四个直角棱镜的光学布置简化了双向视场分离的实现步骤，且易集成为单个装置，直接与镜头连接，免去调节步骤。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于双向视场分离的高精度双轴光学引伸计中的四棱锥的示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于双向视场分离的高精度双轴光学引伸计的光学原理示意图；
图3是本发明实施例提供的一种基于双向视场分离的高精度双轴光学引伸计消除离面位移原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
实施例一：
如图1、图2所示，一种基于双向视场分离的高精度双轴光学引伸计，包括：数据处理装置、数字相机3、远心镜头4、起光线汇聚作用的四棱锥6和分别对应于被测样品1上的左、右、上、下四个标距点2的等边直角棱镜7~10；远心镜头4安装在数字相机3上，数字相机3通过可调支架5进行固定，本实施例中，可调支架5采用可调三脚架；四棱锥6的每个侧面对应设置一个等边直角棱镜，其中两个等边直角棱镜7、8沿水平方向布置，另两个等边直角棱镜9、10沿竖直方向布置，每个等边直角棱镜与四棱锥6的距离相等，四棱锥6的底面与远心镜头4的光轴垂直；被测样品1表面的每个标距点2上的漫射光场被四个等边直角棱镜分别反射至四棱锥6的四个侧面上，再被四棱锥6的侧面分别反射后以平行于远心镜头4的光轴的方向进入远心镜头4中；远心镜头4根据接收到的光线，对被测样品1表面的每个标距点2进行成像，并在数字相机3靶面上形成数字图像；数字相机3拍摄数字图像并将数字图像传输至数据处理装置；数据处理装置包括相关运算模块和后处理模块，相关运算模块根据接收到的数字图像获取指定标距点2沿着测量方向的位移信息；后处理模块利用相关运算模块获取的位移信息，结合指定标距点2的间距信息获得被测样品1表面的局部均匀应变信息。
本实施例中，首先在被测样品1上选取光学引伸计的四个标距点2，左、右两个标距点2构成水平向引伸计，上、下两个标距点2构成竖直向引伸计，四个等边直角棱镜7~10与四棱锥6放置于相同的平面内，每个等边直角棱镜的斜面为镀膜反射面，且与四棱锥6的一个侧面平行，每个等边直角棱镜的斜面与被测样品1的表面都成45度；四棱锥6放置于远心镜头4正前方，其四个侧面均为镀膜反射面，且四棱锥6的每组相对侧面均互相垂直，四棱锥6位于四个等边直角棱镜7~10的中间位置，保证四个等边直角棱镜7~10的斜面与四棱锥6的四个侧面分别平行：等边直角棱镜7的斜面和四棱锥6的左侧面将第一个（左）标距点2发出的光线平移一个水平距离入射到远心镜头4，等边直角棱镜8的斜面和四棱锥6的右侧面将第二个（右）标距点2发出的光线也平移一个相同的水平距离入射到远心镜头4，等边直角棱镜9的斜面和四棱锥6的上侧面将第三个（上）标距点2发出的光线平移一个竖直距离入射到远心镜头4，等边直角棱镜10的斜面和四棱锥6的下侧面将第四个（下）标距点2发出的光线平移一个竖直距离入射到远心镜头4；一个远心镜头4和一台数字相机3安装在可调三角支架上，远心镜头4用来对被测样品1表面的四个标距点2成像，本实施例中，远心镜头4为物方远心或双侧远心镜头，利用远心镜头4放大倍率恒定的特性，消除被测样品1受离面位移带来的测量误差。一台数字相机3用来对被测样品1表面四个标距点2进行同时成像，并形成数字图像，四个标距点2分别位于数字相机3图像芯片的左、右、上、下区域，即拍摄到的数字图像中四个标距点2各占据1/4的视场，以实现对左、右、上、下四个目标区域图像的同时采集。可承载数字相机的三角架，保证能够稳固地承载数字相机3，使数字相机3的位置在一定范围内可调。数据处理装置包括相关运算模块和后处理模块。相关运算模块用来对数字相机采集到的数字图像进行相关运算，获取四个标距点2的位移信息；后处理模块利用相关运算模块获取的位移信息，结合四个标距点2的间距信息进行计算，获得被测样品1表面的双向应变信息。
被测样品表面的水平方向均匀应变大小为(x2-x1)/sH，x1和x2分别为第一和第二标距点沿着水平方向的位移，sH为第一和第二标距点的初始间距，竖直方向均匀应变大小为(y2-y1)/sV，y1和y2分别为第三和第四标距点沿着竖直方向的位移，sV为第三和第四标距点的初始间距。
本实施例所述基于双向视场分离的高精度双轴光学引伸计，能够消除由被测样品离面位移而引起的虚假位移和虚假应变，虚假位移和应变产生原理如图3所示。普通相机镜头的成像遵循针孔成像模型，如图3中如果将标距点设定为被测样品表面上远离光轴的一点A，经过镜头会在像面上的a点成像。当离面位移使样品A点移动到了B点，由针孔模型可知将会在像面上b点成像。在被测样品无变形的条件下，仅由被测样品离面位移就使标距点产生了像面上的图像位移，位移的大小为a点和b点间的距离，根据位移数据可得出应变数据，即为虚假应变。由于远心镜头以平行视角观察物体，在景深范围内放大倍率恒定，若用远心镜头替换掉普通镜头，当点A移动到点B后，在像面上所成像点的位置不变，表明离面位移并不会导致虚假位移和虚假应变，因此，能够提高光学引伸计的变形测量精度。
本发明使用棱镜组分离视场和远心镜头对被测样品表面的四个标距点进行成像，与传统的单相机相比，四个直角棱镜之间的相对位置，也是左、右两个标距点的间距和上、下两个标距点的间距，即标距根据实际需求可调，具有很高的灵活性。水平或竖直向的两标距点距离与应变测量精度紧密联系，增大两标距点间距可以扩大标距，在相对位移精度不变的情况下，也可有效提高应变测量的精度和分辨率，从而实现高精度的双向应变测量。
实施例二：
本实施例与实施例一的区别在于，四棱锥6和四个等边直角棱镜7~10固定在一块固定板11上，固定板11安装在远心镜头4上。本实施例的光学布置简化了双向视场分离的实现步骤，且易集成为单个装置，直接与远心镜头连接，免去调节步骤，集成度高，便于组装。
实施例三：
基于实施例一和实施例二所述的基于双向视场分离的高精度双轴光学引伸计，本实施例提供一种基于双向视场分离的高精度双轴光学引伸计的测量方法，包括：
在被测样品的水平方向和竖直方向各选取两个标距点，将安装了远心镜头的数字相机安装在可调支架上，同时安装并调整四棱锥和四个等边直角棱镜，使选取的各标距点的上的漫射光场依次经过等边直角棱镜和四棱锥反射后进入远心镜头中；
远心镜头根据接收到的光线在数字相机靶面上成像；数字相机将靶面上所成像转成数字图像，并将数字图像传输至数据处理装置；
数据处理装置根据接收到的数字图像获取指定标距点沿着测量方向的位移信息，结合指定标距点的间距信息，获得被测样品表面的局部均匀双向应变信息。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于双向视场分离的高精度双轴光学引伸计，其特征是，包括：数据处理装置、数字相机、远心镜头、四棱锥和四个等边直角棱镜；所述远心镜头安装在所述数字相机上；所述四棱锥的每个侧面对应设置一个所述等边直角棱镜，其中两个所述等边直角棱镜沿水平方向布置，另两个所述等边直角棱镜沿竖直方向布置，每个所述等边直角棱镜与所述四棱锥的距离相等，所述四棱锥的底面与所述远心镜头的光轴垂直；
被测样品表面的每个标距点上的漫射光场被四个所述等边直角棱镜分别反射至所述四棱锥的四个侧面上，再被所述四棱锥的侧面分别反射后以平行于所述远心镜头的光轴的方向进入所述远心镜头中；
所述远心镜头根据接收到的光线，对被测样品表面的每个标距点进行成像，并在所述数字相机靶面上形成数字图像；所述数字相机拍摄所述数字图像并将所述数字图像传输至所述数据处理装置；
所述数据处理装置包括相关运算模块和后处理模块，相关运算模块根据接收到的数字图像获取指定标距点沿着测量方向的位移信息；后处理模块利用相关运算模块获取的位移信息，结合指定标距点的间距信息获得被测样品表面的局部均匀应变信息。
2.根据权利要求1所述的基于双向视场分离的高精度双轴光学引伸计，其特征是，所述四棱锥和四个所述等边直角棱镜固定在一块固定板上，所述固定板安装在所述远心镜头上。
3.根据权利要求1所述的基于双向视场分离的高精度双轴光学引伸计，其特征是，所述四棱锥的每组相对侧面均互相垂直。
4.根据权利要求1所述的基于双向视场分离的高精度双轴光学引伸计，其特征是，所述远心镜头为物方远心或双侧远心镜头。
5.根据权利要求1所述的基于双向视场分离的高精度双轴光学引伸计，其特征是，所述数字相机安装在可调支架上。
6.根据权利要求1所述的基于双向视场分离的高精度双轴光学引伸计，其特征是，被测样品表面的水平方向均匀应变大小为(x2-x1)/sH，x1和x2分别为第一和第二标距点沿着水平方向的位移，sH为第一和第二标距点的初始间距，竖直方向均匀应变大小为(y2-y1)/sV，y1和y2分别为第三和第四标距点沿着竖直方向的位移，sV为第三和第四标距点的初始间距。
7.一种基于双向视场分离的高精度双轴光学引伸计的应变测量方法，其特征是，包括：
在被测样品的水平方向和竖直方向各选取两个标距点，将安装了远心镜头的数字相机安装在可调支架上，同时安装并调整四棱锥和四个等边直角棱镜，使选取的各标距点的上的漫射光场依次经过等边直角棱镜和四棱锥反射后进入远心镜头中；
远心镜头根据接收到的光线在数字相机靶面上成像；数字相机将靶面上所成像转成数字图像，并将数字图像传输至数据处理装置；
数据处理装置根据接收到的数字图像获取指定标距点沿着测量方向的位移信息，结合指定标距点的间距信息，获得被测样品表面的局部均匀双向应变信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20201120 |