专利名称：基于数字图像的非接触式光学应变计的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种应变测量方法及传感器，尤其是一种利用数字摄像技术实现 的基于数字图像的非接触式光学应变测量方法及应变计。
背景技术：
长期以来，应变测量大多采用电阻应变计、光纤应变计、半导体应变计或机械引伸 计等接触式的传感方式。这些测量方式不仅给被测试样以附加质量，而且其中有些由于粘 接剂的使用在一定程度上也对试样起到了增强作用，使得这些测量方式在越来越多的生物 材料、薄膜材料等试样的测量方面不能被接受。而目前已商品化的视频光学引伸计，虽然 利用视频技术实现了非接触测量，但其所能达到的应变分辨率却远远不能满足测量的需 要。其绝对变形的分辨力一般都在微米量级，相对变形的分辨率最高也只能达到视场的 1/100000，即 10 个微应变(Instron 公司的 Advanced Video Extensometer)。

实用新型内容本实用新型提供一种基于数字图像的非接触式光学应变计，其具有分辨率高和操 作方便的优点。本实用新型采用如下技术方案本实用新型所述的一种基于数字图像的非接触式光学应变计，包括1个公用的 镜头、与镜头相连的焦距调节装置及光圈调节装置，在成像平面上设有至少2个图像传感
ο与现有技术相比，本实用新型具有如下优点本实用新型采用一个公共的成像镜头，而在像平面上至少设置2个图像传感器的 方法来实现高分辨率的应变测量。本实用新型为了克服现有视频引伸计和应变计测量方式的不足，采用了大像场的 测量镜头。2至4个相距一定距离的高分辨率图像传感器布置在1个共用镜头的像平面上， 以实现一维、二维应变测量和平面应变(应变花)测量。本实用新型包括测量镜头和与镜头相连的2至4个高分辨率CMOS (或(XD)图像 传感器。通过选用不同的镜头可以把试样表面相距不同距离的2(3或4)个区域按同一放 大倍数分别成像在2 (3或4)个CMOS图像传感器上。若选用图像传感器的像素尺寸为2. 2 微米，而采用数字图象相关分析软件可以使图像的亚象素分辨力达到0. 03像素，对应的物 理分辨力为2. 2X0. 03微米，即0. 066微米(66纳米)。因此，如果2个图像传感器之间的 距离为66毫米，则与此距离对应的应变分辨率即为1个微应变(百万分之一)。本实用新型与现有的采用1个镜头和1个图像传感器的方案相比有以下不可替代 的特点，本实用新型的用于变形测量的空间分辨率有可能提高数倍甚至1个数量级。由于 本实用新型使用1个镜头，虽然像面上图像传感器间的距离不能任意缩小，但通过增加镜 头的放大倍数可以改变被测目标之间的距离到足够小。而多镜头方案，若采用平行布置，则2镜头光轴的间距即为被测目标间的最小距离；若采用非平行布置，则由于像平面与物平 面不平行，将大大增加计算的复杂性；多镜头方案在使用时对于焦距和光圈的调节都很难 保证不同镜头间的一致性，由此引起放大倍数的误差和图像亮度的差别将给测量结果带来 较大的误差；本实用新型的系统标定要比多镜头系统简单得多。由于应变测量的是相对变 形，因此，只要传感器之间的相对位置不发生改变，即使重新对焦，也无需重新标定。总之，①由于本实用新型采用了多图像传感器的测量方案，使得应变测量的分辨 力达到1个微应变；②由于本实用新型选用了大像场、低畸变的测量镜头使得测量的畸变 校正更为方便可靠；③由于本实用新型采用了 4图像传感器的测量方案，实现了光学应变 花的测量功能；④由于本实用新型采用了数字图像相关技术进行图像分析，通常情况下无 需在被测表面做任何标记。

图1是本实用新型测量装置示意图。图2是本实用新型测量方法的流程图。图3是实施例4示意图。图4是实施例5示意图。图5是实施例6示意图。图6是实施例7示意图。
具体实施方式
一种用于表面应变分析的光学应变花，包括1个大像场测量镜头1，和与镜头1相 连的焦距调节装置2及光圈调节装置3，其作用是把被测表面4上的4个定标区域分别成像 在4个图像传感器上。图像传感器5把光学图像转变为数字图像通过计算机接口送给计算 机进行分析。当被测表面发生变形时，计算机不断获取被测表面定标区域的图像，通过目前 常用的数字图象相关分析软件精确分析相邻2图像之间4个定标区域的相对变形即可得到 被测表面的线应变和剪应变。实施例1一种基于数字图像的非接触式光学应变计，包括1个公用的镜头1、与镜头1相连 的焦距调节装置2及光圈调节装置3，在成像平面上设有至少2个图像传感器5，图像传感 器5可以选择2个、3个或4个，在本实施例中，在成像平面上设有3个图像传感器5，且每 2个的连线相交。实施例2一种基于数字图像的非接触式光学应变计，包括1个公用的镜头1、与镜头1相连 的焦距调节装置2及光圈调节装置3，在成像平面上设有至少2个图像传感器5，在本实施 例中，在成像平面上设有4个图像传感器5，且4个图像传感器按照2X2阵列分布。实施例3用于拉升试验中的单向线应变测量(结合载荷测量数据，可以测量材料的弹性模 量)步骤1制备测量单向线应变(一维)的应变计，包括1个公共镜头、与镜头相连的焦距调节装置及光圈调节装置和在成像平面上设置的2个图像传感器( (如图3)；步骤2将应变计的镜头对准样品，调节焦距和光圈，使2个图像传感器( 能够感 知到样品上的两个区域；步骤3分别在上述两个区域的图像上确定并记录两个图像子区域，图像子区域的 中心坐标分别为P (X1, Y1)和Q (X2, Y2)；步骤4拉伸样品，记录样品变形后步骤2中样品上的两个新区域的图像；步骤5用数字图像相关分析技术分别在两个新区域图像中寻找步骤3中两图像 子区域的新位置，并确定所对应的新的中心坐标P' (X^AX1, VAY1) ^PQ' (X2+Δ X2, Y2+Δ Y2)；步骤6计算POC1, Y1)和Q(X2, Y2)之间的线应变ε y Y方向的线应变
权利要求1.一种基于数字图像的非接触式光学应变计，其特征在于，包括1个公用的镜头(1)、 与镜头(1)相连的焦距调节装置(2)及光圈调节装置(3)，在成像平面上设有至少2个图像 传感器(5)。
2.根据权利要求1所述的基于数字图像的非接触式光学应变计，其特征在于，在成像 平面上设有3个图像传感器(5)，且每2个的连线相交。
3.根据权利要求1所述的基于数字图像的非接触式光学应变计，其特征在于，在成像 平面上设有4个图像传感器(5)，且4个图像传感器按照2X2阵列分布。
专利摘要本实用新型公开了一种基于数字图像的非接触式光学应变计，包括1个公用的镜头、与镜头相连的焦距调节装置及光圈调节装置，在成像平面上设有至少2个图像传感器。本实用新型采用一个公共的成像镜头，而在像平面上至少设置2个图像传感器的方法来实现高分辨率的应变测量。本实用新型为了克服现有视频引伸计和应变计测量方式的不足，采用了大像场的测量镜头。2至4个相距一定距离的高分辨率图像传感器布置在1个共用镜头的像平面上，以实现一维、二维应变测量和平面应变(应变花)测量。
文档编号G01B11/16GK201852566SQ201020593838
公开日2011年6月1日 申请日期2010年11月5日 优先权日2010年11月5日
发明者何小元 申请人:东南大学