山東科技大學(xué)購(gòu)買(mǎi)數(shù)字散斑三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)，通過(guò)追蹤物體表面的散斑圖像，實(shí)現(xiàn)變形過(guò)程中物體表面的三維坐標(biāo)、位移及應(yīng)變的測(cè)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(jué)技術(shù)(StereoVision)以及近景攝影測(cè)量技術(shù)(Photogrammetry)，通過(guò)追蹤物體表面的散斑圖像，實(shí)現(xiàn)變形過(guò)程中物體表面的三維坐標(biāo)、位移及應(yīng)變的測(cè)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(cè)量頭、采集控制箱、移動(dòng)支撐架、計(jì)算機(jī)、檢測(cè)分析軟件等組成。

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

    在材料力學(xué)性能測(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)測(cè)量、裂紋尖端張開(kāi)位移測(cè)量以及高溫下裂紋尖端應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量等。

    在細(xì)觀力學(xué)測(cè)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(lái)越多地應(yīng)用于細(xì)觀力學(xué)測(cè)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(cè)量中。

在損傷與破壞檢測(cè)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(cè)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(wú)損檢測(cè)研究中。

在生物力學(xué)測(cè)量方面：DIC被應(yīng)用于測(cè)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(duì)位移量，以及頸椎內(nèi)固定器對(duì)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(píng)估、組件尺寸測(cè)量、非線性變化的檢測(cè)

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(cè)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(cè)量（動(dòng)態(tài)測(cè)量、瞬態(tài)測(cè)量）

8.  三維全場(chǎng)振動(dòng)分析

9.  高速變形測(cè)量

10. 動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)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(guò)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(guó)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(cè)量系統(tǒng)；自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心算法，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)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(cè)量中，適用于大部分材料，實(shí)時(shí)獲得被測(cè)物全場(chǎng)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(cè)量幅面；支持百萬(wàn)至千萬(wàn)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(cè)量和多相機(jī)三維測(cè)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(cè)量功能；具備剛體物體運(yùn)動(dòng)軌跡姿態(tài)測(cè)量功能。

6. 擴(kuò)展接口豐富：具備萬(wàn)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(hào)；具備杯突實(shí)驗(yàn)機(jī)接口，可以測(cè)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(chǎng)變形應(yīng)變檢測(cè)；支持多相機(jī)組同步測(cè)量，可以同步測(cè)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(kāi)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(jué)及近景攝影測(cè)量技術(shù)，通過(guò)相機(jī)拍攝的被測(cè)物變形過(guò)程中的散斑圖像，快速檢測(cè)被測(cè)物的全場(chǎng)三維坐標(biāo)、位移、應(yīng)變數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)果三維彩色顯示。系統(tǒng)的主要功能包括基本測(cè)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(cè)量功能

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

2. 測(cè)量相機(jī)：支持百萬(wàn)至千萬(wàn)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(cè)量模式：同時(shí)兼容單相機(jī)二維測(cè)量和多相機(jī)三維測(cè)量。

5. 實(shí)時(shí)測(cè)量：采集圖像的同時(shí)，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行全場(chǎng)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(cè)量結(jié)果：全場(chǎng)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(duì)三維測(cè)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(cè)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(cè)量過(guò)程二維圖像或者三維測(cè)量結(jié)果制作成視頻并輸出保存。

12.數(shù)據(jù)輸出功能：測(cè)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(hào)類型選擇：模擬信號(hào)、TTL電平、光電隔離、差分輸入。模擬信號(hào)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(hào)。

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(hào)，并與三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)同步。

2. FLC曲線測(cè)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(cè)得材料的FLC成形極限曲線。

3. 多測(cè)頭同步檢測(cè)：支持多相機(jī)組同步測(cè)量，相機(jī)數(shù)目任意擴(kuò)展，可以同步測(cè)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(cè)量。

4. 顯微應(yīng)變測(cè)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(chǎng)變形應(yīng)變檢測(cè)。

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

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

四、 系統(tǒng)測(cè)試流程

XTDIC數(shù)字散斑三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)的測(cè)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(wèn)題。可衡量的測(cè)量注意點(diǎn)，可重復(fù)的操作步驟，是系統(tǒng)測(cè)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(chǎng)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(tái)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(tái)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(duì)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(tái)對(duì)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(duì)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(guò)對(duì)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(cè)試

（4）混凝土材料受壓實(shí)驗(yàn)

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

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

（5）墻體實(shí)驗(yàn)

                       圖：XTDIC系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)測(cè)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(cè)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(guó)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(guó)飛行試驗(yàn)研究院、中國(guó)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(guó)水科院、山西太鋼集團(tuán)、英國(guó)Newcastle大學(xué)、美國(guó)Purdue大學(xué)、英國(guó)Glasgow大學(xué)等高校及企業(yè)提供產(chǎn)品與服務(wù)。