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高速摄像机凸显数字图像相关技术的巨大优势

       测量在一些快速现象中产生的应力或者应变信息通常需要用到高速摄像机。

       当工程师和研究人员需要对材料的应力应变特征进行分析评估或者研究外界施加的应力是如何对材料产生影响时,他们一般会利用传统的传感器技术,但是现在,我们有了一种更好的方法。

       相比于以前采用的直接测量被研究物体的方法,我们现在可以使用高速摄像机以及相关的专业软件对其进行光学测量,包括测量材料的变形,位移和应变等信息。这种新技术被称之为数字图像相关技术(Digital Image Correlation,DIC),随着该技术的快速发展,已经在许多领域内取得了广泛的应用,例如航空航天、国防以及汽车行业等。

       进行数字图像相关技术分析时,首先需要将散斑场施加到待检测的物体上,在施加应力后,摄像机和数字图像相关技术软件会记录和分析散斑场的运动以揭示应变和位移发生的区域。

       DIC的分析操作可以利用单个或者多个同步后的摄像机来完成,但这些摄像机都需要具有可以在不同的角度进行摄像记录的功能。单个摄像机将获得一个二维的图像,可用于分析材料的伸长率、拉伸强度和单平面失真等信息。但是多个摄像机体系则是更为常见的,该体系能够获取三维图像,可用于进行平面振动和失真分析等方面。

       无论你最终选择哪种类型的DIC设备,该技术都要优于传统的传感器方法。DIC是一种非接触式的方法,相比于传感技术,这是一个关键的特征优势,因为传感器技术会改变物体的位移或变形信息,并且DIC技术能够提供比传感器技术更丰富的离散数据点,此外,DIC技术分析更加快速,成本更加便宜,且易于与其他一些技术进行集成整合。

以下介绍了DIC技术在振动分析和大型结构分析两个方面的一些应用。

对旋转电机进行振动分析
       一般而言,测量旋转结构的振动数据是非常困难的,因为传统的传感器必须通过电气噪声滑环传递信号。此外,利用传感器技术还存在的一个局限在于:在不改变旋转电机的结构和移动模式前提下,允许连接的传感器数量是非常有限的。但是,德克萨斯大学奥斯丁分校的研究人员表明,利用DIC技术则可以从旋转叶片收集到振动数据并进行模态分析(Rizo-Patron,2015)。

       为了拍摄图像,研究人员使用了两台高速数字化摄像机,其每秒可以以1280 x 800的分辨率记录多达3200张图像。他们在一个两米长的直升机旋翼上(利用压缩空气的方法使其旋转)进行了测试,旋翼以900 RPM的速度旋转,系统在1000Hz下进行拍摄图像。测试结果表明,DIC与高速摄像机技术的结合对于确定旋转系统的模态参数是十分有效的。


对大型结构的分析

       采用传统传感器技术进行大型结构分析是非常麻烦的,因此,来自法国格勒诺布尔大学的研究人员利用DIC技术进行了更加细致的分析以研究木构架结构对于地震活动的响应(Sieffert,2016)。

       该分析主要是在振动台上研究完好房屋在遭受模拟地震时发生的位移情况。研究人员在收集全面测量数据的同时必须要平衡好图像的分辨率,这样才能更加清楚地看到房屋发生的损伤情况。

       他们采用了最大分辨率可以达到2560 x 1600的高速摄像机和相关软件进行摄像记录和分析。对于每次地震模拟,他们获得了7599张图像,追踪了近4000个像素。

       研究人员还向结构中添加了接触式测量装置以测量振动台的位移情况,其中DIC分析主要在x和y方向上进行。DIC还揭露了填充材料的一些情况,并提供了关于木材弯曲行为的信息。研究人员最终得出结论,DIC场位移测量能够直接提供关于填充木结构抗震性能的有效数据信息。

      上述提及的两个应用方面,振动分析和大型结构分析只是DIC技术应用中的一小部分。借助正确的摄像机和软件,DIC还能够提供材料应力、应变和振动相关的定量信息,而且,随着该技术的不断完善,我们相信其将开发出更多的新应用。


速度问题——选择一款可用以DIC技术的高速摄像机
       对于DIC技术,选择不同的摄像机对最终获取的数据质量和分析类型可能会有所不同。有时候,需要对样品进行的分析类型会决定所需要的摄像机种类。用于DIC的散斑场如果产生精细,高对比度的视觉纹理,那么最好使用高分辨率的相机成像,这样可以保持高帧率和良好的图像质量。对于大多数DIC分析,分辨率为200到400万像素,帧率为几百左右的摄像机则比较适合。

       测量在一些快速现象中(如冲击或快速加载情况)产生的应力或者应变通常需要用到高速摄像机以捕获快速变化的斑点图案。研究冲击或快速加载情况可能需要在摄像机的分辨率方面进行权衡以达到所需的高帧速率。一般而言,能够在一百万像素或更小的分辨率情况下达到每秒数万帧速率的摄像机较为理想。

       一些应用,例如振动测试,通常需要非??焖俚纳阆窕?。DIC技术可以在整个分析过程中测量各种位置的振动信息以及材料对振动的响应情况。这意味着在分析高振动频率时(其中振动响应可达数万赫兹)需要用到能够以每秒数十万帧的速度成像的高速摄像机。

       光照在一定程度上也会影响到DIC技术所用摄像机的选择。如果被分析的材料具有塑料或者橡胶特性,那么它在升高温度情况下可能会发生熔化或者其他一些物理化学变化。这意味着强光可能会导致样品在分析过程中产生不同的响应。一般而言,灵敏的摄像机可以适当减少获得良好图像所需的照明量。

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