微尺度数字图像相关方法和技术研究

作     者：何广龙 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱建国

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080102[工学-固体力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：数字图像相关 镜头畸变 散斑图 微尺度 变形测量 

摘      要：在现代光力学测量中,数字图像相关法具有适用范围广、对实验条件要求低、非接触、精度高等优点,是一种简单、实用、有效的全场位移与应变测量方法,被广泛应用到实验力学及其他学科领域。随着现代微加工技术的不断发展,材料和器件越来越向微小型化发展,迫切的需要发展微观尺度数字图像相关方法和技术。散斑作为数字图像相关中的变形传感元件反映材料或结构的变形,其质量的好坏将直接影响光学测量结果的准确性,因此制备高质量的散斑在光学测量中起着十分重要的作用。其次,借助显微镜平台,数字图像相关法可以实现微尺度下的变形测量,但是必须研究显微镜镜头失真导致图像畸变问题,否则将会对测试结果带来较大的误差。针对这两个问题,本文主要开展的研究工作有1)针对高倍显微镜下的镜头畸变影响,采用一阶畸变函数和三阶畸变函数对畸变图像校准,通过微散斑图和正交光栅模板做刚体平移实验,建立相应的畸变模型,并确定畸变系数。结果表明,一阶函数矫正后误差降低56.3%,三阶矫正后误差降低81.3%,相对误差降低了25%,三阶畸变函数能够有效地实现高倍显微镜下镜头畸变的矫正。2)发展了一种基于离心甩胶技术的微散斑制作方法。用散斑的平均灰度梯度和团聚率作为散斑质量的评价方法,研究了温度、离心速度、固化时间等参数对散斑图的影响,找到了最优的微散斑制作工艺参数,实现了微散斑膜的制备,并且可以方便地将散斑膜转移到试件表面。该方法的优点是可以制作大面积散斑、散斑颗粒大小和分布可控、对试件表面适应性好、工艺简单、花费低、易操作。3)对微尺度数字图像相关方法和技术进行了验证实验研究和应用研究。经过微尺度平移对比实验,结果表明微散斑的测量误差为1.5%。通过拉伸实验测量铝试件的弹性模量,验证了微尺度数字图像相关方法有效性和可靠性。将微散斑应用于带有微小缺口的亚克力板表面和涂层界面(涂层600μm厚),成功地获得了小于2mm视场范围内的裂纹尖端应变场,可用于材料与结构的力学性能表征。