用于曲面变形测量的彩色CCD显微云纹法

技术领域

本申请涉及实验力学、构件变形和位移测试领域，具体地说，是涉及一 种用于曲面变形测量的彩色CCD显微云纹法。

背景技术

云纹法是在上世纪六十年代兴起的物体全场变形的测量技术，是实验力 学的一种重要的测量方法，其可以分为几何云纹法和云纹干涉法。云纹法是 利用两套栅线重叠而形成云纹的方法，其对实验条件要求较低，得到了广泛 应用。云纹法广泛的应用于平面变形的测量中，却很少应用于曲面变形的测 量。测量曲面的变形，尤其是用云纹法测量曲面的变形，一些研究人员在这 方面也做了一些工作。刘战伟等（Liu Z W,Zhou J F等.Strain.(2013) 49(1):46-53）提出了一种曲面试件栅的转移方法，在该方法中，粘贴于试件 表面的曲面试件栅是由标准全息光栅经过多次转移得来的。张新占等人（张 新占.西安公路学院学报.(1992)12(4):54-58）将云纹干涉法应用于曲面试件残 余应力的测量。刘文西等人（刘文西等.力学学报.(2000)32(1):87-93）介绍了 一种可以用来测量曲面试件表面应变分量的激光光栅显微图像检测技术 （IGM）。但上述方法的测量区域十分小，测量系统十分复杂，不便于进行 连续性的大面积测量。

CCD云纹法是几何云纹法的一种，CCD云纹法利用CCD靶面上的感光单 元点阵来代替参考栅，直接用CCD相机拍摄试件栅就能获得云纹图。但传统 的CCD云纹法只能应用于平面试件，条纹对比度差，局限性比较大，CCD云 纹法应用于曲面构件变形等的测量，国内外也还没有先例。

因此，如何解决现有的云纹法无法测量曲面构件的大范围变形问题，发 展新的CCD云纹法，降低成本，提高条纹质量且方法简单，便成为亟待解决 的技术问题。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种用于曲面变形测量的彩色CCD 显微云纹法，以解决如何在提高精确度的同时测量曲面构件的变形等。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种用于曲面变形测量的彩色CCD 显微云纹法，其特征在于，包括：

制作具有一定强度和硬度的高弹性薄膜，利用标准全息光栅在所述高弹 性薄膜上转移制作出高弹性的薄膜栅，将所述薄膜栅粘贴在曲面试件表面形 成曲面试件栅；

单色光源照明所述曲面试件栅的表面，用配有显微镜头的彩色CCD相机 采集变形前后的所述曲面试件栅的表面图像；

利用所述彩色CCD相机内靶面前方的拜耳滤光片作为参考栅，所述曲面 试件栅的局部区域经显微放大后在像平面上形成的平面像作为试件栅，当该 试件栅的栅距与所述参考栅的栅距相匹配时，形成彩色CCD显微云纹条纹， 分别采集试件变形前后的所述显微云纹条纹的图像并进行分析得出该局部区 域的变形场，当该局部区域足够小时可以作为一个测量点来看待，求得该局 部区域的变形场的平均值作为该局部区域的位置点的变形值；

根据上述步骤依次逐点求得所述曲面试件的各个位置点的变形值，得出 整个所述曲面试件的变形场。

进一步地，其中，所述具有一定强度和硬度的高弹性薄膜，进一步为环 氧树脂膜，所述环氧树脂膜由环氧树脂胶xy-508制作而成，该环氧树脂胶 xy-508的甲乙组的重量比为3:1，所述高弹性薄膜的制作模具为三层打印胶 片，中间一层刻有矩形镂空。

进一步地，其中，所述参考栅的栅距，是指所述拜耳滤光片中六列拜耳 滤光片单元的宽度，即等于CCD靶面中6个单元间距。

进一步地，其中，所述当该试件栅的栅距与所述参考栅的栅距相匹配的 匹配条件，即

3p₂＜Mp₁＜12p₂

其中，M代表显微镜头的放大率，p₁代表试件栅的栅距，p₂代表拜耳滤 光片单元宽度。

进一步地，其中，当该局部区域足够小时，由平均误差公式得出，即

$\Delta =\frac{1}{ϵ}(1-\frac{\sin \theta }{\theta }).$

当采用1200线/mm的标准全息光栅时，计算得到观测范围对应的圆心角 必须控制在1.9度以下，即本发明的方法的使用范围是观测范围对应的圆心角 为0～1.9度。

与现有技术相比，本申请所述的一种用于曲面变形测量的彩色CCD显微 云纹法，达到了如下效果：

1）本申请可以测量曲面构件的变形，得到高质量的彩色云纹条纹，提高 测量精度、易操作、实施费用低、对环境的要求低，可以方便的应用于曲面 变形测量，具有一定的实用价值；

2）传统的CCD云纹法，CCD靶面拍摄的是栅线，即试件栅所成的像， 该像与CCD靶面单元点阵叠加形成云纹条纹，该条纹对比度差，不清晰，而 在本发明中，CCD靶面直接拍摄的是云纹条纹，即由曲面试件栅所成的像与 拜耳滤光片叠加形成的云纹条纹，所以该条纹对比度好，清晰，降低了测量 误差。

3）本申请可以实现非接触式的连续测量，与传统的应变片测量方法相比， 省去了连接导线、贴片等一系列复杂的步骤，省时省力，测量区域可以更小， 精度更大。

4）本申请还改进了曲面栅的转移和制作工艺，使曲面试件栅的栅线质量 得到了提高，由转移引起的误差被减小。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部 分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的 不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例一所述的用于曲面变形测量的彩色CCD显微云纹法 的流程图；

图2为图1本申请实施例一所述用于曲面变形测量的彩色CCD显微云纹 法实际应用中方法原理图；

图3为本申请实施例一中试件变形后采集的彩色CCD云纹条纹图。

图4为本申请实施例一经计算后用matlab软件绘制出的测量区域的残余 应力与位移关系曲线图。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技 术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明 书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能 上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包 含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的 误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基 本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所 述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本 申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

以下结合附图对本申请作进一步详细说明，但不作为对本申请的限定。

实施例一

如图1所示，是本申请实施例一所述的一种用于曲面变形测量的彩色 CCD显微云纹法，该方法包括：

步骤101，制作具有一定强度和硬度的高弹性薄膜，利用标准全息光栅在 所述高弹性薄膜上转移制作出高弹性的薄膜栅，将所述薄膜栅粘贴在曲面试 件表面形成曲面试件栅；

步骤102，单色光源照明所述曲面试件栅的表面，用配有显微镜头的彩色 CCD相机采集变形前后的所述曲面试件栅的表面图像；

步骤103，利用所述彩色CCD相机内靶面前方的拜耳滤光片作为参考栅， 所述曲面试件栅的局部区域经显微放大后在像平面上形成的平面像作为试件 栅，当该试件栅的栅距与所述参考栅的栅距相匹配时，形成彩色CCD显微云 纹条纹，分别采集试件变形前后的所述显微云纹条纹的图像（如图3所示为试 件变形后采集的彩色CCD云纹条纹图）并进行分析得出该局部区域的变形 场，当该局部区域足够小时可以作为一个测量点来看待，求得该局部区域的 变形场的平均值作为该局部区域的位置点的变形值；

步骤104，根据步骤103依次逐点求得所述曲面试件的各个位置点的变形 值，得出整个所述曲面试件的变形场。

其中，在本发明实施例一的步骤101所述的具有一定强度和硬度的高弹性 薄膜是环氧树脂膜，该环氧树脂膜由环氧树脂胶xy-508制作而成，该环氧树 脂胶xy-508的甲乙组的重量比为3:1，高弹性薄膜的制作模具为三层打印胶 片，中间一层刻有矩形镂空。

其中，在本发明实施例一的步骤103的“当该局部区域足够小时”为由平均 误差公式得出。即

$\Delta =\frac{1}{ϵ}(1-\frac{\sin \theta }{\theta }).$

当采用1200线/mm的标准全息光栅时，计算得到观测范围对应的圆心角 必须控制在1.9度以下，即本发明的方法的使用范围是观测范围对应的圆心角 为0～1.9度。

这里需要说明的是：通过显微镜头观测曲面试件栅，当观测的曲面试件 栅的局部区域足够小时，该局部区域可以近似看为平面，则经配有显微镜头 的彩色CCD相机放大后在像平面上形成的平面像即可作为试件栅；圆心角是 指，本方法实际观测区域为微小曲面，该微小曲面即观测区域对应一定的弧 度，弧度又与一定的圆心角度数对应，也即公式中的θ。

在步骤103中所述参考栅的栅距，是指所述拜耳滤光片中六列拜耳滤光片 单元的宽度，也即6个CCD靶面单元间距。

在步骤103中所述当该试件栅的栅距与所述参考栅的栅距相匹配的匹配 条件，即

3p₂＜Mp₁＜12p₂

其中，M代表显微镜头的放大率，p₁代表试件栅的栅距，p₂代表拜耳滤光片 单元宽度。

在步骤103中分别采集试件变形前后的所述显微云纹条纹的图像并进行 分析中，所述显微云纹的轴向应变计算与平面情形相同，而周向应变计算与 平面不同，即

${ϵ}_x=\frac{\partial u}{\partial x}=\frac{{6p}_2*\cos \theta }{{\mathrm{M\delta }}_{\mathrm{xx}}}$

其中，θ代表观测点在x方向（周向）上的切面与垂直于观测方向的平面之间 的夹角，δ_xx代表x方向云纹间距。所述真实应变的计算公式，即

$\left(\begin{array}{c}{ϵ}_x^{\prime }={ϵ}_{x1}-{ϵ}_{x0}=\frac{{6p}_2*\cos \theta }{M}(\frac{1}{{\delta }_{\mathrm{xx}1}}-\frac{1}{{\delta }_{\mathrm{xx}0}})\\ {ϵ}_y^{\prime }={ϵ}_{y1}-{ϵ}_{y0}=\frac{{6p}_2}{M}(\frac{1}{{\delta }_{\mathrm{yy}1}}-\frac{1}{{\delta }_{\mathrm{yy}0}})\end{array}\right)$

其中，ε_x0和ε_x1分别代表x方向（周向）上的参考点和被测点的应变，δ_xx0和δ_xx1分别代表x方向上参考点和观测点的云纹图的云纹间距，ε_y0和ε_y1分别 代表y方向（轴向）上的参考点和被测点的应变，δ_yy0和δ_yy1分别代表y方向 上参考点和观测点的云纹间距。如图4所示为用matlab软件绘制出的测量区域 的残余应力与位移关系曲线图。

这里需要说明的是：周向是指，试件为圆柱状，其横截面积为圆形，圆 周的方向即为周向；轴向是指，圆柱状试件的轴的方向。

这里，根据本发明上述实施例一的内容，图2为本发明实施例测量过程的 原理图，如下为一个应用上述方法的实施例：

按照步骤101的方式，将试件材料为沿周向正截面焊接好的不锈钢的圆 管，其外径100mm，壁厚1mm。将三张打印胶片叠放，位于中间的一张剪出 矩形镂空，将环氧树脂胶xy-508的甲组和乙组按3:1的重量比倒入试管中，用 搅拌棒搅拌均匀，放入离心机除去所有气泡，将最上层的打印胶片掀开，倒 入混合好的环氧树脂胶，再将最上层的打印胶片覆盖于其上，压上平整重物， 固化后启膜得到环氧树脂薄膜。用洗耳球吹去标准全息光栅表面的灰尘，将 环氧树脂胶倒在环氧树脂薄膜上，将标准全息光栅有栅线的一面向下，用重 物压在全息光栅上使胶层较薄，固化后得到高弹性的薄膜栅。

将环氧树脂胶滴在圆管焊接区域表面，将薄膜栅置于环氧树脂胶上，没 有栅线的一面与胶接触，并用硅橡胶片压紧，固化形成曲面试件栅。然后使 用砂轮机沿着试件周向打磨，使焊缝中周向的残余应力得到释放，再以焊缝 中心位置为起点，以0.5mm为步长，沿着焊缝被打磨过的边选取4个测量点， 选用型号为TK-C1481BEC的配有显微镜头的彩色CCD相机，镜头为采用定 倍定标金相显微镜52XA-UVCCD，用彩色CCD相机透过显微镜头（40倍）拍 摄测量点，得到每个测量点包含x方向（周向）应变信息的彩色CCD显微云 纹条纹图并计算出应变。接着沿着试件轴向打磨，使焊缝沿轴向的应力得到 释放，每次打磨到非常接近测量点时停止，使用彩色CCD相机透过显微镜头 （40倍）拍摄测量点，得到包含y方向（轴向）应变信息的CCD云纹图，重 复4次先打磨再拍照的步骤，得到每个测量点y方向的CCD显微云纹图并计算 出应变。如图4为经计算后用matlab软件绘制出的测量区域的残余应力与位移 关系曲线图。

当然，本发明还可有其他多种实施例，例如胶粘剂的选择及其比例配比、 CCD相机的选择、镜头的选择等等，在不背离本发明精神及其实质的情况下， 熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相 应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

与现有技术相比，本申请所述的一种用于曲面变形测量的彩色CCD显微 云纹方法，达到了如下效果：

1）本申请可以测量曲面构件的变形，得到高质量的彩色云纹条纹，提高 测量精度、易操作、实施费用低、对环境的要求低，可以方便的应用于曲面 变形测量，具有一定的实用价值；

2）传统的CCD云纹法，CCD靶面拍摄的是栅线，即试件栅所成的像， 该像与CCD靶面单元点阵叠加形成云纹条纹，该条纹对比度差，不清晰，而 在本发明中，CCD靶面直接拍摄的是云纹条纹，即由曲面试件栅所成的像与 拜耳滤光片叠加形成的云纹条纹，所以该条纹对比度好，清晰，降低了测量 误差。

3）本申请可以实现非接触式的连续测量，与传统的应变片测量方法相比， 省去了连接导线、贴片等一系列复杂的步骤，省时省力，测量区域可以更小， 精度更大。

4）本申请还改进了曲面栅的转移和制作工艺，使曲面试件栅的栅线质量 得到了提高，由转移引起的误差被减小。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理 解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除， 而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内， 通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改 动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护 范围内。