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高速攝像機(jī)凸顯數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的巨大優(yōu)勢(shì)

? ? ? ?測(cè)量在一些快速現(xiàn)象中產(chǎn)生的應(yīng)力或者應(yīng)變信息通常需要用到高速攝像機(jī)。

? ? ? ?當(dāng)工程師和研究人員需要對(duì)材料的應(yīng)力應(yīng)變特征進(jìn)行分析評(píng)估或者研究外界施加的應(yīng)力是如何對(duì)材料產(chǎn)生影響時(shí)，他們一般會(huì)利用傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)，但是現(xiàn)在，我們有了一種更好的方法。

? ? ? ?相比于以前采用的直接測(cè)量被研究物體的方法，我們現(xiàn)在可以使用高速攝像機(jī)以及相關(guān)的專(zhuān)業(yè)軟件對(duì)其進(jìn)行光學(xué)測(cè)量，包括測(cè)量材料的變形，位移和應(yīng)變等信息。這種新技術(shù)被稱(chēng)之為數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（Digital Image Correlation，DIC），隨著該技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)在許多領(lǐng)域內(nèi)取得了廣泛的應(yīng)用，例如航空航天、國(guó)防以及汽車(chē)行業(yè)等。

? ? ? ?進(jìn)行數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)分析時(shí)，首先需要將散斑場(chǎng)施加到待檢測(cè)的物體上，在施加應(yīng)力后，攝像機(jī)和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)軟件會(huì)記錄和分析散斑場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)以揭示應(yīng)變和位移發(fā)生的區(qū)域。

? ? ? ?DIC的分析操作可以利用單個(gè)或者多個(gè)同步后的攝像機(jī)來(lái)完成，但這些攝像機(jī)都需要具有可以在不同的角度進(jìn)行攝像記錄的功能。單個(gè)攝像機(jī)將獲得一個(gè)二維的圖像，可用于分析材料的伸長(zhǎng)率、拉伸強(qiáng)度和單平面失真等信息。但是多個(gè)攝像機(jī)體系則是更為常見(jiàn)的，該體系能夠獲取三維圖像，可用于進(jìn)行平面振動(dòng)和失真分析等方面。

? ? ? ?無(wú)論你最終選擇哪種類(lèi)型的DIC設(shè)備，該技術(shù)都要優(yōu)于傳統(tǒng)的傳感器方法。DIC是一種非接觸式的方法，相比于傳感技術(shù)，這是一個(gè)關(guān)鍵的特征優(yōu)勢(shì)，因?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)會(huì)改變物體的位移或變形信息，并且DIC技術(shù)能夠提供比傳感器技術(shù)更豐富的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)，此外，DIC技術(shù)分析更加快速，成本更加便宜，且易于與其他一些技術(shù)進(jìn)行集成整合。

以下介紹了DIC技術(shù)在振動(dòng)分析和大型結(jié)構(gòu)分析兩個(gè)方面的一些應(yīng)用。

對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行振動(dòng)分析
? ? ? ?一般而言，測(cè)量旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)數(shù)據(jù)是非常困難的，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的傳感器必須通過(guò)電氣噪聲滑環(huán)傳遞信號(hào)。此外，利用傳感器技術(shù)還存在的一個(gè)局限在于：在不改變旋轉(zhuǎn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和移動(dòng)模式前提下，允許連接的傳感器數(shù)量是非常有限的。但是，德克薩斯大學(xué)奧斯丁分校的研究人員表明，利用DIC技術(shù)則可以從旋轉(zhuǎn)葉片收集到振動(dòng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行模態(tài)分析（Rizo-Patron，2015）。

? ? ? ?為了拍攝圖像，研究人員使用了兩臺(tái)高速數(shù)字化攝像機(jī)，其每秒可以以1280 x 800的分辨率記錄多達(dá)3200張圖像。他們?cè)谝粋€(gè)兩米長(zhǎng)的直升機(jī)旋翼上（利用壓縮空氣的方法使其旋轉(zhuǎn)）進(jìn)行了測(cè)試，旋翼以900 RPM的速度旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)在1000Hz下進(jìn)行拍攝圖像。測(cè)試結(jié)果表明，DIC與高速攝像機(jī)技術(shù)的結(jié)合對(duì)于確定旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)是十分有效的。

對(duì)大型結(jié)構(gòu)的分析

? ? ? ?采用傳統(tǒng)傳感器技術(shù)進(jìn)行大型結(jié)構(gòu)分析是非常麻煩的，因此，來(lái)自法國(guó)格勒諾布爾大學(xué)的研究人員利用DIC技術(shù)進(jìn)行了更加細(xì)致的分析以研究木構(gòu)架結(jié)構(gòu)對(duì)于地震活動(dòng)的響應(yīng)（Sieffert，2016）。

? ? ? ?該分析主要是在振動(dòng)臺(tái)上研究完好房屋在遭受模擬地震時(shí)發(fā)生的位移情況。研究人員在收集全面測(cè)量數(shù)據(jù)的同時(shí)必須要平衡好圖像的分辨率，這樣才能更加清楚地看到房屋發(fā)生的損傷情況。

? ? ? ?他們采用了最大分辨率可以達(dá)到2560 x 1600的高速攝像機(jī)和相關(guān)軟件進(jìn)行攝像記錄和分析。對(duì)于每次地震模擬，他們獲得了7599張圖像，追蹤了近4000個(gè)像素。

? ? ? ?研究人員還向結(jié)構(gòu)中添加了接觸式測(cè)量裝置以測(cè)量振動(dòng)臺(tái)的位移情況，其中DIC分析主要在x和y方向上進(jìn)行。DIC還揭露了填充材料的一些情況，并提供了關(guān)于木材彎曲行為的信息。研究人員最終得出結(jié)論，DIC場(chǎng)位移測(cè)量能夠直接提供關(guān)于填充木結(jié)構(gòu)抗震性能的有效數(shù)據(jù)信息。

? ? ? 上述提及的兩個(gè)應(yīng)用方面，振動(dòng)分析和大型結(jié)構(gòu)分析只是DIC技術(shù)應(yīng)用中的一小部分。借助正確的攝像機(jī)和軟件，DIC還能夠提供材料應(yīng)力、應(yīng)變和振動(dòng)相關(guān)的定量信息，而且，隨著該技術(shù)的不斷完善，我們相信其將開(kāi)發(fā)出更多的新應(yīng)用。

速度問(wèn)題——選擇一款可用以DIC技術(shù)的高速攝像機(jī)
? ? ? ?對(duì)于DIC技術(shù)，選擇不同的攝像機(jī)對(duì)最終獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量和分析類(lèi)型可能會(huì)有所不同。有時(shí)候，需要對(duì)樣品進(jìn)行的分析類(lèi)型會(huì)決定所需要的攝像機(jī)種類(lèi)。用于DIC的散斑場(chǎng)如果產(chǎn)生精細(xì)，高對(duì)比度的視覺(jué)紋理，那么最好使用高分辨率的相機(jī)成像，這樣可以保持高幀率和良好的圖像質(zhì)量。對(duì)于大多數(shù)DIC分析，分辨率為200到400萬(wàn)像素，幀率為幾百左右的攝像機(jī)則比較適合。

? ? ? ?測(cè)量在一些快速現(xiàn)象中（如沖擊或快速加載情況）產(chǎn)生的應(yīng)力或者應(yīng)變通常需要用到高速攝像機(jī)以捕獲快速變化的斑點(diǎn)圖案。研究沖擊或快速加載情況可能需要在攝像機(jī)的分辨率方面進(jìn)行權(quán)衡以達(dá)到所需的高幀速率。一般而言，能夠在一百萬(wàn)像素或更小的分辨率情況下達(dá)到每秒數(shù)萬(wàn)幀速率的攝像機(jī)較為理想。

? ? ? ?一些應(yīng)用，例如振動(dòng)測(cè)試，通常需要非常快速的攝像機(jī)。DIC技術(shù)可以在整個(gè)分析過(guò)程中測(cè)量各種位置的振動(dòng)信息以及材料對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)情況。這意味著在分析高振動(dòng)頻率時(shí)（其中振動(dòng)響應(yīng)可達(dá)數(shù)萬(wàn)赫茲）需要用到能夠以每秒數(shù)十萬(wàn)幀的速度成像的高速攝像機(jī)。

? ? ? ?光照在一定程度上也會(huì)影響到DIC技術(shù)所用攝像機(jī)的選擇。如果被分析的材料具有塑料或者橡膠特性，那么它在升高溫度情況下可能會(huì)發(fā)生熔化或者其他一些物理化學(xué)變化。這意味著強(qiáng)光可能會(huì)導(dǎo)致樣品在分析過(guò)程中產(chǎn)生不同的響應(yīng)。一般而言，靈敏的攝像機(jī)可以適當(dāng)減少獲得良好圖像所需的照明量。