山東科技大學(xué)購買數(shù)字散斑三維全場應(yīng)變測量分析系統(tǒng)，通過追蹤物體表面的散斑圖像，實(shí)現(xiàn)變形過程中物體表面的三維坐標(biāo)、位移及應(yīng)變的測量。

一、系統(tǒng)介紹

                圖：系統(tǒng)硬件組成                          

                           圖：系統(tǒng)軟件界面

     XTDIC 系統(tǒng)結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DIC）、雙目立體視覺技術(shù)(StereoVision)以及近景攝影測量技術(shù)(Photogrammetry)，通過追蹤物體表面的散斑圖像，實(shí)現(xiàn)變形過程中物體表面的三維坐標(biāo)、位移及應(yīng)變的測量，具有便攜，速度快，精度高，易操作等特點(diǎn)。

 系統(tǒng)主要由測量頭、采集控制箱、移動(dòng)支撐架、計(jì)算機(jī)、檢測分析軟件等組成。

XTDIC 三維數(shù)字散斑動(dòng)態(tài)變形測量分析系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域中一種重要的測試方法，其主要應(yīng)用有：

    在材料力學(xué)性能測量方面：DIC已成功應(yīng)用于各種復(fù)雜材料的力學(xué)性能測試中。如火箭發(fā)動(dòng)劑固體燃料、橡膠、光纖、壓電薄膜、復(fù)合材料以及木材、巖石、土方等天然材料的力學(xué)性能的檢測中。值得注意的是，DIC被廣泛應(yīng)用于破壞力學(xué)研究中，包括裂紋尖端應(yīng)變場測量、裂紋尖端張開位移測量以及高溫下裂紋尖端應(yīng)變場測量等。

    在細(xì)觀力學(xué)測量方面：借助于掃描電子顯微鏡(SEM)、掃描隧道電子顯微鏡(STEM)以及原子力顯微鏡(AFM)，DIC被越來越多地應(yīng)用于細(xì)觀力學(xué)測量。最近，數(shù)字散斑相關(guān)方法還被應(yīng)用于物體表面粗糙度的測量中。

在損傷與破壞檢測方面：DIC被應(yīng)用于多種復(fù)雜材料，如巖石、炸藥材料的破壞檢測中。DIC還被應(yīng)用于一些特殊器件，如陶瓷電容器、電子器件，電子封裝的無損檢測研究中。

在生物力學(xué)測量方面：DIC被應(yīng)用于測量手術(shù)復(fù)位后肱骨頭在內(nèi)旋轉(zhuǎn)及前屈運(yùn)動(dòng)下大小結(jié)節(jié)的相對位移量，以及頸椎內(nèi)固定器對人體頸椎運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)性能的影響等。

典型應(yīng)用范圍

1.  應(yīng)變計(jì)算、強(qiáng)度評估、組件尺寸測量、非線性變化的檢測

2.  先進(jìn)材料（CFRP、木材、 內(nèi)含PE的纖維、金屬泡沫、橡膠等）

3.  零部件試驗(yàn)（測量位移、應(yīng)變）

4.  材料試驗(yàn)（ 楊氏模量、泊松比、彈塑性的參數(shù)性能）

5.  斷裂力學(xué)性能

6.  有限元分析（FEA）驗(yàn)證

7.  動(dòng)力學(xué)測量（動(dòng)態(tài)測量、瞬態(tài)測量）

8.  三維全場振動(dòng)分析

9.  高速變形測量

10. 動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量，如疲勞試驗(yàn)

11. 諧振、沖擊和噪聲激勵(lì)

12. 蠕變和老化過程的特性分析

13. 各種各向同性和各向異性材料變形特性

二、系統(tǒng)特色

1. 系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)：國內(nèi)首個(gè)自主研發(fā)的數(shù)字圖像相關(guān)法三維變形測量系統(tǒng)；自主知識產(chǎn)權(quán)的核心算法，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國外先進(jìn)水平。

2. 系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣：可用于機(jī)械、材料、力學(xué)、建筑、土木等多個(gè)學(xué)科的科學(xué)研究與工程測量中，適用于大部分材料，實(shí)時(shí)獲得被測物全場三維坐標(biāo)、位移、應(yīng)變數(shù)據(jù)。

3. 系統(tǒng)配置靈活：支持幾毫米到幾米的測量幅面；支持百萬至千萬像素相機(jī)，支持低速到高速相機(jī)，支持千兆網(wǎng)和Camera Link等多種相機(jī)接口；支持任意數(shù)目相機(jī)的同時(shí)標(biāo)定，支持外部圖像標(biāo)定，。

4. 系統(tǒng)兼容性強(qiáng)：同時(shí)兼容單相機(jī)二維測量和多相機(jī)三維測量；兼容32位、64位系統(tǒng)

5. 輔助功能強(qiáng)大：具備圓形標(biāo)志點(diǎn)動(dòng)態(tài)變形測量功能；具備剛體物體運(yùn)動(dòng)軌跡姿態(tài)測量功能。

6. 擴(kuò)展接口豐富：具備萬能試驗(yàn)機(jī)接口，實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)機(jī)的力、位移等信號；具備杯突實(shí)驗(yàn)機(jī)接口，可以測量材料的FLC曲線；具備體式顯微鏡接口，可以實(shí)現(xiàn)微小型物體的三維全場變形應(yīng)變檢測；支持多相機(jī)組同步測量，可以同步測量多個(gè)區(qū)域的變形應(yīng)變；系統(tǒng)具備多路A/D輸入、多路D/A輸出、多路開關(guān)量輸入和輸出，并可靈活進(jìn)行擴(kuò)展。

  三、系統(tǒng)功能

系統(tǒng)基于數(shù)字圖像相關(guān)法、雙目立體視覺及近景攝影測量技術(shù)，通過相機(jī)拍攝的被測物變形過程中的散斑圖像，快速檢測被測物的全場三維坐標(biāo)、位移、應(yīng)變數(shù)據(jù)，測量結(jié)果三維彩色顯示。系統(tǒng)的主要功能包括基本測量功能、分析報(bào)告功能、采集控制功能、系統(tǒng)輔助功能以及系統(tǒng)擴(kuò)展接口等，具體如下：

（1）基本測量功能

1. 測量幅面：支持幾毫米到幾米的測量幅面，根據(jù)需求可定制更多測量幅面。

2. 測量相機(jī)：支持百萬至千萬像素相機(jī)，支持低速到高速相機(jī)，支持千兆網(wǎng)和Camera Link等多種相機(jī)接口。

3. 相機(jī)標(biāo)定：支持1-8個(gè)相機(jī)的同時(shí)標(biāo)定，支持外部圖像標(biāo)定。

4. 測量模式：同時(shí)兼容單相機(jī)二維測量和多相機(jī)三維測量。

5. 實(shí)時(shí)測量：采集圖像的同時(shí)，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行全場應(yīng)變計(jì)算，而不是事后處理。

6. 計(jì)算模式：具備自動(dòng)計(jì)算和自定義計(jì)算兩種模式。

7. 測量結(jié)果：全場三維坐標(biāo)、位移、應(yīng)變數(shù)據(jù)等動(dòng)態(tài)變形數(shù)據(jù)，應(yīng)變模式有工程應(yīng)變、格林應(yīng)變、真實(shí)應(yīng)變等三種。

8. 多工程：系統(tǒng)軟件支持多工程計(jì)算、顯示及分析。

9. 支持系統(tǒng)：同時(shí)支持32位、64位系統(tǒng)，具備多線程加速計(jì)算功能。

（2）分析報(bào)告功能

1. 18種變形應(yīng)變計(jì)算功能：X、Y、Z、E三維位移；Z值投影；徑向距離、徑向距離差；徑向角、徑向角差；應(yīng)變X、應(yīng)變Y和應(yīng)變XY；最大主應(yīng)變；最小主應(yīng)變；厚度減薄量；Mises應(yīng)變；Tresca應(yīng)變；剪切角。

2. 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能：321轉(zhuǎn)換、參考點(diǎn)擬合、全局點(diǎn)轉(zhuǎn)換、矩陣轉(zhuǎn)換等多種坐標(biāo)轉(zhuǎn)換功能。

3. 元素創(chuàng)建功能：可以創(chuàng)建三維點(diǎn)、線、面、圓、槽孔、矩形孔、球、圓柱、圓錐等多種三維元素。

4. 分析創(chuàng)建功能：可以創(chuàng)建點(diǎn)點(diǎn)距離、點(diǎn)線距離、點(diǎn)面距離、線線夾角、線面夾角、面面夾角等多種分析。

5. 數(shù)據(jù)平滑功能：均值，中值，高斯濾波等多種平滑功能。

6. 數(shù)據(jù)插值功能：自動(dòng)和手動(dòng)兩種數(shù)據(jù)插值模式。

7. 材料性能分析：自動(dòng)計(jì)算材料的彈性模量和泊松比等參數(shù)。

8. 三維截線功能：可對三維測量結(jié)果進(jìn)行直線或圓形截線分析。

9. 曲線繪制功能：所有測量結(jié)果均可以繪制成曲線圖。

10.FLD分析功能：可繪制和編輯FLD成形極限曲線。

11.視頻創(chuàng)建功能：可將測量過程二維圖像或者三維測量結(jié)果制作成視頻并輸出保存。

12.數(shù)據(jù)輸出功能：測量結(jié)果及分析結(jié)果輸出成報(bào)表，支持TXT，XLS，DOC文件的輸出。

（3）采集控制功能

系統(tǒng)控制觸發(fā)和數(shù)據(jù)采集

1. A/D采集：三路模擬量輸入采集，A/D采集的量程由軟件控制，可選量程：±10V、±5V、±2.5V、0～10V。

2. 多種外部觸發(fā)信號類型選擇：模擬信號、TTL電平、光電隔離、差分輸入。模擬信號電平可選擇：+10V、+5V、0V、-5V、-10V。

3. 相機(jī)同步控制：多相機(jī)外同步觸發(fā)信號。

4. LED燈控制：控制LED光源。

（4）擴(kuò)展接口：

1. 試驗(yàn)機(jī)接口：實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)機(jī)的力、位移、溫度等信號，并與三維全場應(yīng)變測量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)同步。

2. FLC曲線測量：配合杯突試驗(yàn)機(jī)，參考ISO 12004-2: 2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行Nakazima試驗(yàn)可以測得材料的FLC成形極限曲線。

3. 多測頭同步檢測：支持多相機(jī)組同步測量，相機(jī)數(shù)目任意擴(kuò)展，可以同步測量多個(gè)區(qū)域的變形應(yīng)變，適用于大型物體或者回轉(zhuǎn)型物體的變形應(yīng)變測量。

4. 顯微應(yīng)變測量：配合雙目體式顯微鏡，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)微小型物體的三維全場變形應(yīng)變檢測。

5. 標(biāo)志點(diǎn)動(dòng)態(tài)變形檢測：具備圓形標(biāo)志點(diǎn)動(dòng)態(tài)變形測量功能。

6. 運(yùn)動(dòng)軌跡姿態(tài)檢測：具備剛體物體運(yùn)動(dòng)軌跡姿態(tài)測量功能。

四、 系統(tǒng)測試流程

XTDIC數(shù)字散斑三維全場應(yīng)變測量分析系統(tǒng)的測量流程主要包含工程分析、散斑制備、系統(tǒng)標(biāo)定、實(shí)驗(yàn)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析六個(gè)大步驟，每個(gè)步驟都有一些需要注意的問題�？珊饬康臏y量注意點(diǎn)，可重復(fù)的操作步驟，是系統(tǒng)測量精度的一大保證。

五、 系統(tǒng)應(yīng)用案例

（1）混凝土材料受壓變形

                       圖：現(xiàn)場XTDIC設(shè)備擺放

                         圖：XTDIC軟件計(jì)算界面

（2）樓房模擬地震振動(dòng)臺試驗(yàn)

建筑模型結(jié)構(gòu)平面尺寸為9.84m×3.2m，高度超10m，由四座塔樓組成，分布在兩個(gè)剛性底座上，上部設(shè)置連橋，進(jìn)行超高層建筑模擬地震振動(dòng)臺實(shí)驗(yàn)研究，研究不同水準(zhǔn)作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力熱性和動(dòng)力響性。

                        圖：樓房模型表面貼上標(biāo)志點(diǎn)

                      圖：XTDIC軟件計(jì)算各標(biāo)志點(diǎn)位移

（3）一體化改造結(jié)構(gòu)抗震比對實(shí)驗(yàn)

驗(yàn)證一體化改造設(shè)計(jì)理念的可行性進(jìn)行整體模型的振動(dòng)臺對比試驗(yàn)。試驗(yàn)選取上世紀(jì)80年代左右建成的典型砌體結(jié)構(gòu)老公房住宅樓中的一個(gè)單元，按照幾何縮放比例1比4建造3個(gè)整體模型。其中模型A為原模型，用于對比分析；模型B和C將增設(shè)電梯與抗震加固、加層一體化設(shè)計(jì)。通過對比原模型與一體化改造后的模型在遭受不同水準(zhǔn)地震工況下的結(jié)構(gòu)位移、加速度相應(yīng)、破壞情況以及動(dòng)力特性，從而深入、直觀的了解采用一體化改造設(shè)計(jì)后結(jié)構(gòu)的抗震性能。

                 圖：建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)測試

（4）混凝土材料受壓實(shí)驗(yàn)

                         圖：XTDCI系統(tǒng)現(xiàn)場擺放情況

                   圖：XTDIC軟件計(jì)算全場應(yīng)變情況

（5）墻體實(shí)驗(yàn)

                       圖：XTDIC系統(tǒng)現(xiàn)場擺放

                        圖：XTDIC軟件計(jì)算示意

（6）邊坡振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

                        圖：XTDIC設(shè)備現(xiàn)場測試

                       圖：XTDIC軟件計(jì)算示意

                       圖：某點(diǎn)X方向位移曲線

七、主要用戶群體

非接觸式光學(xué)測量系統(tǒng)產(chǎn)品為已為眾多中大型企業(yè)、大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)，如清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、東南大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、三一重工股份有限公司、蘇州海陸重工股份有限公司、中國飛行試驗(yàn)研究院、中國飛機(jī)強(qiáng)度所、成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所、中船重工708所、中科院力學(xué)所、中國水科院、山西太鋼集團(tuán)、英國Newcastle大學(xué)、美國Purdue大學(xué)、英國Glasgow大學(xué)等高校及企業(yè)提供產(chǎn)品與服務(wù)。