1 东南大学江苏省工程力学重点实验室, 江苏 南京 211189
2 山东理工大学交通与车辆工程学院, 山东 淄博 255049
基于激光光路的光波随机相位扰动,分析了电子散斑干涉实时图像相减时模态条纹图的形成机理,提出了一种振幅涨落测量法。搭建了用于离面振动分析的电子散斑干涉和数字剪切散斑干涉测量系统,并对完整和含狭缝的悬臂铝板的振动特性进行了实验研究。实验结果表明,实时图像相减模式获得的模态条纹图对比度明显优于其他方法,得到的前10阶模态条纹图与有限元法计算结果具有良好的一致性。相比于电子散斑干涉法,数字剪切散斑干涉法对试样局部的刚度变化和缺陷更敏感。
相干光学 时间平均-电子剪切散斑干涉法 时间平均-数字剪切散斑干涉法 振动模态测量 有限元模拟
Author Affiliations
Abstract
1 School of Transportation and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China
2 Department of Engineering Mechanics, Southeast University, Nanjing 210096, China
This Letter demonstrates a novel lateral shear interferometer system for simultaneous measurement of three-dimensional (3D) shape and thickness of transparent objects. Multi-frequency fringe patterns can be created by tilting mirrors at different inclination angles. With a single camera, the multi-frequency fringes are recorded in one image. The phase-shift of the fringes can be generated synchronously only by moving a plane-parallel plate along an in-plane parallel direction. According to the feature of transparent materials, the thickness and 3D shape can be reconstructed simultaneously based on the relationship between the in-plane displacement and their characteristics. The experiment was conducted on a thin transparent film subjected to a shearing force, which verifies the feasibility of the proposed system.
120.3180 Interferometry 120.6650 Surface measurements, figure Chinese Optics Letters
2018, 16(3): 031201
东南大学江苏省工程力学分析重点实验室, 江苏 南京 210096
结合正弦/余弦(sin/cos)滤波技术提出了依据散斑相位条纹图的条纹方向自动选取滤波窗口大小的自适应滤波法。通过计算散斑包裹相位条纹图的条纹方向,依据相位条纹方向自动选择合适的滤波窗口,对散斑包裹相位图的sin和cos变换图同时进行自适应均值滤波,再通过四象限反正切算法得到包裹相位条纹图。实验结果表明,该滤波法能有效保护条纹相位跳变信息,对于条纹密度变化较大且形状复杂的散斑包裹相位图,仍能进行有效的条纹滤波处理,滤波后的相位条纹图更逼近于原始条纹走向。
图像处理 自适应滤波 正弦/余弦滤波 相位条纹图 电子散斑干涉技术 数字全息干涉技术
1 东南大学江苏省工程力学分析重点实验室, 江苏 南京 210096
2 中国海洋大学信息科学与工程学院, 山东 青岛 266100
从理论上推导了数字图像相关(DIC)方法中应变精度的影响因素, 指出应变计算精度会随着窗口尺寸的变小而下降。为了提高图像有效分辨率, 针对细长平面试件提出了一种二维多相机全场DIC方法。该方法根据特征点检测及匹配算法定位特征点对的亚像素位置, 通过DIC方法对特征点对进行高精度配准, 利用发展的逐步优化单应矩阵方法求解图像变换关系, 得到变形前后的无缝拼接图像。分别实施了纯平移和橡胶梁三点弯两组实验。在纯平移实验中, 该方法计算得到的应变均值误差及均方根误差均在50 με以内, 验证了该方法的有效性; 采用橡胶梁三点弯实验对比该方法与三维多相机全场DIC方法, 并基于实验结果对该方法的优点与缺点进行了分析。
测量 二维数字图像相关 多相机 全场变形 图像拼接 光学学报
2016, 36(12): 1212002
东南大学 江苏省工程力学分析重点实验室, 江苏 南京 210096
建立了非接触光学测量实验系统, 对薄壁球壳受刚性平面压缩的连续变形及失稳行为进行了实验研究。实验以理想弹塑性材料制成的薄且壁厚均匀的乒乓球为压缩对象, 采用透明石英玻璃板作为刚性平面, 用相机透过玻璃板采集清晰的散斑图像。然后利用具有非接触、全场、高精度等优点的三维数字图像相关(3D-DIC)技术对与刚性平面接触的乒乓球表面的连续变形进行直接测量, 同时利用二维数字图像相关技术结合压力传感器得到对应的力-位移关系。实验研究表明, 基于3D-DIC方法测量三维表面变形场, 实现了对受刚性平面压缩的乒乓球表面从局部压平阶段到轴对称屈曲阶段, 进而演化到非轴对称屈曲阶段等力学行为的可视化。实验结果表明, 对乒乓球半径的测量精度可达0.5%, 利用Abaqus有限元方法得到的结果与实验结果非常吻合, 验证了所提方法的有效性。
数字图像相关 连续变形测量 三维变形测量 薄壁球壳 屈曲 digital image correlation continuous deformation measurement 3D deformation measurement thin-walled sphere buckling
东南大学江苏省工程力学分析重点实验室, 江苏 南京210096
利用三维数字图像相关(DIC)技术对薄壁球壳受刚性球面压缩的连续变形及失稳过程进行实验研究。实验中，由于乒乓球具有理想的弹塑性材料特性以及薄且均匀的壁厚，所以采用乒乓球作为压缩对象，以透明石英玻璃球作为刚性球面，通过配制与玻璃球折射率一致的折射液来消除因玻璃球折射导致的图像畸变影响，从而解决被测表面因遮挡而不可见的问题。利用三维DIC 技术对与刚性球面接触的乒乓球表面在压缩过程中的连续变形进行直接测量。实验验证了所提方法的有效性。实验结果表明，通过三维DIC 测量得到的乒乓球表面受刚性球面压缩产生的塑性环半径与理论结果非常吻合。
测量 数字图像相关 薄壁球壳 接触变形 折射液 可视化 光学学报
2015, 35(11): 1112001
栅线投影三维测量中通过标定技术把二维的相位信息转化为高度信息，提出了一种基于双参考平面的等相位坐标标定方法。该方法利用被测物体上相位和两个参考平面上相位相同的位置坐标，通过线性插值得到物体表面的高度，而不是传统方法中将物体上的相位直接减去参考平面上同一坐标下的相位得到绝对相位，再建立高度和绝对相位之间的函数关系（将此类方法称为等坐标相位法）。所提方法能够同时解决相位高度转换以及由于栅线投影系统的非线性响应导致的非正弦性误差的问题。理论和实验证实了该方法的有效性。结果显示，等相位坐标法得到的主要由条纹的非正弦性引起的均方根(RMS)误差不到等坐标相位法的一半。
图像处理 三维形貌测量 标定 等相位坐标 非正弦误差
东南大学 江苏省工程力学分析重点实验室, 江苏 南京 210096
为减少多频条纹相移法进行三维形貌测量时的投影条纹数量, 提高测量速度, 提出了采用双频四步相移彩色条纹投影技术来准确测量具有台阶状不连续或孤立物体表面三维形貌的方法。利用计算机将高低两种不同频率的正弦条纹分别输入彩色图像的红色和蓝色通道合成为彩色条纹, 由数字视频投影仪将四步相移彩色条纹投影到被测物体, 然后利用彩色CCD或CMOS相机采集4幅彩色条纹图并存储于计算机中。基于色彩分离技术得到8幅两种不同频率的四步相移条纹图并由图像灰度算法获得1幅反映背景的灰度图像; 由低频条纹确定台阶状的物体边缘, 高频条纹计算物体的形貌, 并通过背景图像的二值化定位阴影和不连续区域。提出的方法仅用4幅彩色图像完成了台阶状不连续或孤立物体三维形貌的准确测量。与现有的多频4步相移条纹投影形貌测量技术需要8~12幅图像相比, 该方法有效地减少了条纹投影与图像采集的数量。
三维形貌测量 彩色双频条纹投影 相位解包裹 台阶状不连续物体 3D shape measurement dual-frequency color fringe projection phase unwrapping object surface with steps or discontinuities
1 东南大学江苏省工程力学分析重点实验室, 江苏 南京 210096
2 南京理工大学工程力学系, 江苏 南京 210094
提出了基于单幅彩色条纹投影的不连续物体及动态三维形貌的测量方法。该方法利用计算机产生一幅正弦条纹图和两幅单一强度图分别通过红蓝绿三个通道合成为一幅彩色条纹图，由液晶投影仪投影到被测物体表面，彩色CCD采集变形条纹图并保存在计算机中。通过三色分离，同时获得正弦条纹图和反映表面反射率分布及背景信息图，通过图像除法运算及亚像素精度归一化处理实现物体三维形貌的恢复。对于表面形貌不连续的物体，利用蓝色分量的灰度图像进行二值化处理定位阴影或暗背景，从而引导正确的相位求解。实验验证了该方法对不连续物体动态测量方面的可行性。
测量 三维形貌测量 彩色条纹投影 相位分析 亚像素灰度插值 不连续信息引导图
东南大学江苏省工程力学分析重点实验室， 江苏 南京 210096
提出了一种新的基于单幅彩色正弦光栅投影的三维形貌测量方法。利用计算机产生一幅正弦条纹图和两幅单一强度图分别通过红绿蓝(RGB)三个通道合成为一幅彩色条纹图，并由液晶投影仪投影到被测物体表面，彩色变形条纹由彩色电荷耦合器件（CCD）采集并保存在计算机中。对畸变的彩色条纹进行三色分离处理，利用其中的红色条纹分量与蓝色背景相除消除不均匀反射率的影响，进而通过条纹强度正则化与修正的反正弦算法得到物体的三维形貌。对投影仪的非线性输出响应导致条纹强度的非正弦性提出了修正方法，提高了单幅条纹图形貌测量精度。最后给出了实验结果，并与传统的四步相移方法相比较，验证了新方法的有效性。
光学测量 三维形貌测量 彩色条纹 相位分析 投影仪非线性强度响应校正
