【光电通信】DIC光测技术介绍

应变测量技术是机械、土木、汽车、航空航天等诸多工程领域所面临和需要解决的重要问题，在实验室测量、工程现场测试等场景具有大量的应用需求。目前常用的有电阻式应变片、光纤光栅等接触式应变测试方法，还有数字图像相关 ( digital image correlation,DIC)光测技术这种非接触式应变测试方法。

DIC光测技术通过拍摄与分析试件在加载过程中的图像特征变化，可实时测量其位移、应变、速度等数据。其位移分辨率最小可达0.1μm，应变分辨率最小可达10με，应变精度最高可达50με，应变测试范围为0.002%~2000%。采样率最高可到30KHz。其特点在于不受材料尺寸和环境限制，尤其在微小材料、高低温环境中具备独特的优势。DIC光测技术主要有单相机、双相机以及多相机三种，本文主要介绍单相机数字图像相关的原理以及常见的应用场景。

DIC光测技术的基本原理是通过相机采集待测物图像，采用整像素匹配及亚像素匹配算法对目标点进行最优量化追踪，得到后续每一帧图像内该像素区域的中心点坐标信息，通过对比各位置中心点坐标变化量得到其位移的时程变化情况。

若试样外形复杂，且只发生二维变形，简单的标记法不能满足多方向的应变测试，可以使用散斑技术来解决不同方向的应变测试需求，即在试样上预先喷涂散斑，通过相机拍摄试样变形过程，记录任意时刻中任一测试点的二维空间位置（x，y），如图2所示，在试样变形过程中，一个尽可能小的子区域内暗纹数量和相对位置未发生变化时，可跟踪定位子区中心位置（x₀，y₀）的实时变化，再通过点与点的关系计算应变。 

在如图1所示的单相机横纵应变测试方法主要有以下三类：①纵向与横向两组共设 4 个标识点，见图3a) ; ②设置一对纵向标记线，并测量横向边缘宽度，见图3b) ; ③使用 2D 随机散斑技术实现“虚标实测”，见图3c)。

方案①的宽度应变是基于样宽内的标记，而不是试样标距内的原始宽度；方案②中跟踪试样的边缘轮廓时，可设定软件记录单点或最窄处的宽度变化，或整个标距范围内的平均宽度变化量，更客观地反映拉伸“降宽减薄”特性，得到更为稳定的应变结果；方案③的“虚标实测”技术，除需在试样表面预先制备随机散斑外，无需在拉伸试验中额外增加测量标距。根据前文DIC原理，试样表面的任一微小区域皆可在DIC计算分析中作为参考点全程跟踪测量，因此大大丰富了单相机数字图像相关的应用场景。

图5是DIC高温拉伸应变场测试图；图6是金属双轴拉伸测试图，可通过单次测试得到不同方向的应变场结果；图7是高低温下变形测试图；图8为微小试样变形测试图。这些试验表明，DIC光测技术可以测试物体表面任一位置多方向的应变变化，并可以测试物体在不同温度下的应变分布，同时还可以测试微小试样，该技术在应变测试中具有很高的适应性。

图6. 金属双轴拉伸测试案例

DIC光测作为一种先进的应变测试技术，可通过在物体表面喷涂散斑，利用相机拍摄成像，从而实时测量物体表面任意位置多方向应变变化，相当于成百上千个应变片同时测试，具有更高的效率和灵活性。DIC光测技术可以通过图像处理算法将测试结果直接转化为应变场，使得测试结果更加直观，能够清晰地观察物体表面的应变分布情况。此外，DIC光测技术还具有独特的优势，它不需要接触待测物体物体表面，因此物体所受的高温高压不会对测试结果产生影响，这使得DIC光测技术成为测试极端环境下物体表面形变的理想选择。

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