XJTUDIC三维数字散斑动态应变测量分析系统

高速摄影机DIC动态测量系统用于岩石高速压缩破坏分析随着高速、高分辨率数字图像技术的快速发展,数字图像相关（DIC）测量技术已经在结构三维动态变形测量中得到很好的应用。

但由于空间分辨率的增加和采集帧率的提高，使得需要高速摄像机搭配DIC应用场景也大大增加。

新拓三维高速摄影机DIC动态测量系统，结合高分辨率、高帧率的高速摄像机使用，可满足各类位移轨迹测量、动态轨迹追踪、速度与加速度测量、破坏性实验的要求。

矿山岩石多为不连续面所切割、具有各自异性及非均质性的天然地质，在裂隙及孔隙含水含气的情况下，岩石力学性能比较复杂。

某大学实验室为研究岩石力学发生破坏的机理，采用新拓三维高速摄影机DIC动态测量系统进行岩石高速压缩测试，分析岩石试件的强度、变形特性。

高速压缩测试难题矿产常赋存于恶劣的地质环境，必须考虑岩石各种应力的影响。

传统的岩石高速压缩试验，采用应变片进行应变测量。

应变片具有高灵敏度和精度，缺点是偏向于点测量固定方向应变，不能实现全域测量。

如果被测物发生较大范围的变形或断裂，或者是大型的工程面测量，应变片对这些测量任务都无法胜任，无法准确测得应变最大区域。

高速DIC动态测量方案新拓三维高速摄影机DIC动态测量系统，不仅能满足一般的岩石压缩实验，得到岩石压缩全场应变和位移数据，而且还能满足小试样、大应变量等测试分析全域的应变大小和裂纹扩展跟踪等，大大丰富了岩石压缩测试的手段。

新拓三维高速摄影机DIC动态测量系统典型配置该大学实验室采用相似材料模拟法，模拟岩石性质的相似材料，通过高速压缩试验机加载，采用新拓三维高速摄影机DIC动态测量系统进行图像采集和数据分析，分析原型岩石在压缩过程中发生的力学现象及过程。

试验在刚性压力试验机上进行，刚性压力试验机由轴向位移和横向位移速率共同控制，设定轴向位移加载速率，以高速的加载速度对岩石试件进行加载。

试验的过程中，新拓三维高速摄影机DIC动态测量系统同步进行图像采集，由分析软件换算成对应的应力与应变数据传输到系统终端，保证数据的完整与准确。

Dic网格应变分析系统应用于石油管道的全场应变测量石油是工业和生活的重要原料，我们身边日常使用的无数生活用品都是石油生产出来的。

除了到汽车、飞机、轮船等交通工具所使用的燃油，在我们的日常生活中也到处可见。

比如，五颜六色的塑料制品，铺路用的沥青，衣服中涤纶、腈纶、锦纶等面料，制鞋合成橡胶，部分药品，化妆品，洗发水、沐浴乳等，都用到了石油及其衍生品生产。

毫不夸张地说，我们就生活在石油的包围圈里。

但是，石油易燃易爆，且易对环境造成污染，其管路输送安全也非常关键。

近年来，我国石油气管道的建设发展迅速，分布广泛，面临的风险也越来越高。

各种恶劣的工况，比如断层错动、边坡失稳、湿陷性黄土塌陷、冻胀和冻土融沉等，都会使埋地管道产生较大的位移变形，影响管道的安全运行。

大型输油管道全场应变测量传统的基于应力设计管道的方法，主要是保证外载产生的管道应力或等效应力不高于管材的允许应力，但对于诸如地震、塌陷、滑坡、海底管道铺设等位移控制载荷的管道，管道应力已超过屈服极限，基于应力设计方法不再适用，采用应变的管道设计方法更为合理。

某技术研究院拟采用新拓三维的XTDIC三维全场应变测量分析系统，通过压缩变形实验研究大型石油管受力压缩所产生的应变变形，从而达到分析石油管工程材料力学性能的目的。

在本次实验中，先将体型庞大的石油管架置于试验机内，由压头施压，观察管道内腔表面受力变形，针对内腔表面进行打磨，喷斑，将测头和光源固定于管材内腔，如图所示：将管材连带测头吊置于压头下，以便于在实验机对试验管道进行复合大变形实验时，对内腔表面应变变形情况进行全过程测量。

当试验机开始工作时，XTDIC系统同步采集，直至加载结束，并完成图片采集，通过XTDIC 系统分析软件进行计算，根据计算结果可分析石油管道的位移场以及应变场数据。

本实验通过模拟石油输送管在服役过程中的载荷情况，在实验过程中，采用新拓三维的XTDIC系统及分析软件，进行图片采集，实时计算全场位移、应变等数据，并以图表、曲线等形式输出实验结果。

高速摄像机在高速冲击实验及DIC分析中的应用材料高速冲击测试，的目是检验材料受高速冲击下的动态力学性能，测量冲击过程中有关应变、位移、撞击力等数据，为材料力学性能分析提供数据支持。

由于冲击的发生时间极短，所以采用高速摄像机捕捉完整的撞击过程，并采用数字图像相关法（DIC）技术进行后期的数据分析。

新拓三维高速摄像机DIC动态测量系统，可在较高应变率作用以及极端加载环境下，通过搭配高速相机，测试高速冲击下材料或结构的三维位移场及应变场，分析材料或结构的动态破坏形式。

通过有限元模拟，可以基于模拟来分析材料或结构受冲击的力学响应行为。

模拟数据的更新有赖于实验数据来验证和对比，采用新拓三维高速XTDIC全场应变测量系统的数据结果，可修正或更新模拟数据。

XTDIC高速全场应变测量系统布置、散斑图案和加载装置在测试中，使用加载装置对平板件进行高速冲击，新拓三维高速摄像机DIC动态测量系统同时记录平面板材料响应。

为了捕获用于新拓三维高速摄像机DIC动态测量系统软件算法的图像，通过预先在平面板材料进行随机斑点图案制作，在获取高质量图像采集的同时，极薄的散斑不会影响平板件的刚度和力学响应行为。

采用新拓三维高速摄像机DIC动态测量系统搭配的两个高速相机（300万像素，采集频率为5000帧），105mm微距镜头，精度100微应变、0.01mm。

冲击加载装置连接到相机的数据采集系统，确保冲击力的测量和相机的记录同时自动开始。

冲击装置的力和图像均收集激发时和激发完毕的数据，高速相机实时采集图像。

数据分析位移场分析新拓三维高速摄像机DIC动态测量系统软件获得了平板件受冲击力区域的全场位移数据，从图中可以看出整体的位移场数值左右不对称，撞击瞬态下点1位移为7.86mm，点2位移为6.73mm，XTDIC系统可以获取非常精确的位移图。

图：位移场点3的位移曲线如下所示，稳定后的位移在8.5mm左右；点4为冲压受力关键位置，变形量最大，位移曲线如下图所示，稳定后位移值为22.1mm左右。

新拓三维DIC采用dic数字图像相关技术（Digital Image Correlation）这是一种光学测量材料力学应变的测量方法，业内又称之为dic图像处理技术。

该方法跟踪物体表面散斑图案的变形过程，计算散斑域的灰度值的变化，从而得到被测物表面的变形和应变数据。

根据获取散斑图像的方式和计算结果的不同，数字图像相关法也分为二维DIC和三维DIC。

dic数字图像相关技术从上世纪八十年代兴起，之前主要应用于二维应变分析。

在21世纪之后，逐步发展出三维全场应变测量技术。

西安交通大学机械工程学院先进制造技术研究所是国内最早研发该项技术，并付诸于商业应用的团队。

新拓三维核心成员均为西安交通大学机械工程学院先进制造技术研发团队，在三维全场应变测量方面拥有完全自主知识产权。

在产品方面，西安交通大学机械工程学院先进制造技术研发团队的产品——也更名为。

在目前的商业化运营过程中，新拓三维的XTDIC三维全场应变测量系统紧贴不同行业需求，不断完善产品，并为客户提供定制化测量解决方案。

生物组织动态应变测量系统操作流程设备简介这个设备是测表面位移。

摄像系统有定焦距和变焦距，定焦距有50和70。

摄像设备可以自己根据自己的需求更换。

设备操作流程打开设备后最好让设备预热一个半小时，这样才稳定（主讲人亲自多次实验总结）。

尽量保证环境光照稳定。

1 制作试件首先保证试件表面不能反光。

在试件表面制作散斑，制作散斑时要求散斑大小、位置和密度都要随机离散分布。

并且要求散斑和试件有强烈的对比色差。

比如试件为白色那散斑就为黑色。

散斑可以用油漆喷也可以用比点。

2 把试件放在操作台上，打开VIC系统，设置好保存路径3 调节相机调节相机的焦距和距离以及光圈的大小以保证试件能呈现出清晰的图像，刚开始调节的时候把亮度调得高一些，调好了一定要让图像变暗，这样才能得到好的灰度值。

调节好后拿走试件。

4 标定相机根据自己要看的区域大小选择自己的标定板，也可以自己制作。

原则是标定板一定要比选择区域小，但是也不能小太多。

把标定板放在操作台上，随意移动，采集20到30 副清晰的图像。

然后打开VIC2D/3D系统（要用哪个就打开哪个），选取刚刚采集好的图像（一个有排列阵点的图标），选择游标卡尺（长得像卡尺的黑色图标）。

然后系统就会自动计算，要保证误差在0.05以下，如果有超过的就把超过的删除然后再重新计算，直到合格为止。

如果出现为140 0 这样的数据，说明刚刚采集的图像不能用，更应该删除。

然后重新选择游标卡尺计算。

5 采集试件试验图返回相机采集软件，把试件安装好，在测量应变前，拍一张图，这是基准。

再采集试验中的图。

6 结果图回到计算软件，选取刚刚采集好的试件图像（阵点图标前面一个图标），然后选取一个区域，再标定一个点，再确定网格大小，然后运行。

（这些都是点图标，文字不好描述）。

利用高速摄像机和DIC技术测量岩石破坏瞬态力学特征模拟试验对不同的岩石在压缩条件下的力学性质及破坏特点进行分析，已被广泛应用于工程建设，指导工程结构的施工和基础结构强化设计。

新拓三维非接触式DIC高速测量系统，两台高速摄像机拍摄岩体力学瞬态位移，分析岩体受外力情况下失效形式、失效位置、面积和发展趋势，为工程建筑的材料和结构安全评估提供一种可靠科研工具。

DIC高速测量系统应用于岩石力学测试传统的接触式二维测量方案，无法确定物体表面上点的三维空间位置，对于具有曲率的岩石力学测试，以及发生离面位移的测试，二维测量方案在岩石力学测试中具有诸多限制。

新拓三维非接触式DIC高速测量系统，基于数字散斑匹配技术，结合高速摄像机可以拍摄高速运动状态下的高分辨率图像，DIC分析软件高速图像分析岩石全场变形、局部变形、剪切带演化过程等进行分析，对于岩石力学的发展和完善具有重要推动作用。

新拓三维非接触式DIC高速测量系统，已广泛应用于建筑工程材料测试，岩石压缩测试、岩石劈裂测试、岩石裂纹扩展测试等，获取岩石破坏演化过程的应变和位移数据，为土木工程结构安全评估提供数据支撑。

岩石压缩应变测量采用新拓三维非接触式DIC高速测量系统，搭配高速相机，以5000帧的非接触采集频率方式监测圆柱体岩石样本，同时进行压缩实验。

在加载过程中，采用黑白点阵跟踪样本的变形。

新拓三维非接触式DIC高速测量系统用于不同载荷条件下岩石损害过程的图像处理、可视化和分析。

1、圆柱体岩石破坏过程分析岩石材料在压缩破坏过程中，新拓三维非接触式DIC高速测量系统测量分析其损伤应变场分布，压缩过程中其表面损伤应变较大的区域萌生出微裂纹，并且最终扩展成宏观主裂纹，其表面损伤应变较大的区域出现失稳，损伤应变场可用于分析岩石材料的损伤演化行为。

1）岩石压缩加载位移场三维区域XYZ方向合位移云图测量位置如上图所示，分析其表面点点之间距离变化，分析其受压时参数如下图：竖向点点距离长度曲线竖向点点距离相对变化曲线横向向点点距离长度曲线横向点点距离相对变化曲线通过数据分析发现，压缩时岩石样品竖向表面点点距离压缩量为最大0.55mm左右，横向向表面点点距离膨胀量为最大0.03mm左右，数据的丰富性、一致性以及精度均满足要求。

材料测量遍布材料力学性能和表现的多场景检测随着工业的不断升级，非接触的三维光学测量凭借其强大用途，为越来越多的主流应用领域接受。

新拓三维XTDIC全场应变变形测量系统能够在各种复杂的测试环境下，分析材料的力学性能和行为表现，并且可以完美地集成到现有试验台和试验机，利用非接触测量头，可以在机械加载和热加载的情况下，测量软质和硬质材料的全场三维应变和变形。

它可以替代传统的引伸计和应变片，实现实时的三维表面变形分析。

目前，XTDIC已被广泛应用于材料力学性能测量，是在业界得到广泛认可和好评的应变变形测量解决方案。

⏹全场应变分布⏹应力-应变曲线⏹杨氏模量⏹泊松比⏹N值 & R值⏹拉伸试验⏹剪切试验⏹三点弯曲/四点弯曲⏹疲劳试验⏹……复合材料复合材料是运用先进的材料制备技术，将两种或多种不同性质的材料组分优化组合，经过特殊加工而制成的新型材料。

现代化高科技的发展离不开复合材料的应用，由于其具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金等传统材料，广泛应用于航空航天、汽车制造、能源、机械、医学、建筑等诸多领域，在近几年更是得到了飞速发展。

复合材料高温试验很多复合材料对温度具有敏感性，在不同的温度条件下，表现出来的力学性能差别可能很大。

XTDIC支持不同类型相机在高温环境下进行3D温度场和3D应变场的测量，得到不同温度梯度下复合材料表面力学行为关系，实现了温度与机械载荷耦合的测量。

碳纤维：碳纤维拉伸性能，是评价碳纤维性能的重要力学性能指标。

本次试验选取了多款碳纤维试件作为试验对象，对标准试件进行静力拉伸试验，通过试验研究试件的各项力学性能指标。

柔性材料：飞艇充气过程中，表面蒙皮三维全场变形测量，分析应力应变曲线；高分子材料：独特的变形连续性分析及匹配技术，实现数个100%大变形的全场解算；特种材料：特种材料刺破试验，分析高速穿刺过程中材料全场变形，分析材料的力学性能；微小尺寸对微小尺寸的材料表面特征测量一直是业界难题，XTDIC-Micro显微应用测量系统（光学显微镜和DIC数字图像相关技术的结合，可以满足纳米级精度测量需求）弥补了传统设备无法进行微小物体变形测量的不足，成为微观尺度领域变形应变测量的一个有力工具。

三维数字散斑动态变形测量分析系统技术参数1、使用环境：确保设备现场实验测量时设备系统精度稳定和使用可靠；电源：AC 220V±10% 50Hz±2%（可靠接地）；工作温度：0℃~40℃；标定/检定温度：20℃±2℃；相对湿度：≤（70±10）%；★2、测量范围：50毫米到10米的测量幅面，可以根据需求定制测量幅面★3、测量精度：位移测量精度：0.01pixel；应变测量范围：0.005%-2000%；应变测量精度：0.005%（50个微应变）；4、工业相机参数：2台500万/75fps进口工业相机；5、工业镜头参数：2个25mm进口镜头；6、高速相机参数：图像采集系统主要参数如下：★（1）分辨率：1920×1080；★（2）像元尺寸：≤10um×10um；★（3）拍摄速度：最大分辨率对应拍摄速度：3000帧/秒，（4）640×480的分辨率下能达到6600帧，128×128分辨率下能达到25000帧；（5）感光度：ISO25000；★（6）具有外同步功能,支持多台摄像机同步拍摄；（7）可用快门线控制拍摄保存过程，快门线可以延长，实现远距离触发拍摄；（8）具有电子取景框,可在全景画面中设定局部感兴趣区域；（9）支持Gamma校正，在弱光成像时，有效提升动态范围，增强图像信号；（10）像素深度：10bits；（11）外观尺寸：242mm×120mm×110mm（不包含镜头）；（12）具备外触发模式，最小快门1μs；★（13）内存容量：16GB, 且可升级到最大2TB；（14）具备智能帧率、分辨率动态调整功能：在一次拍摄过程中,可以智能实时动态调节分辨率和帧率,适应实验过程的变化。

操作界面可以针对自己感兴趣的区域进行捕捉；（15）抗冲击抗震：80g；（16）图像获取方式：图像直接记录到相机自带的高速内存，拍摄完毕后，通过数据接口传输到笔记本电脑或台式计算机；（17）采集软件功能：a、采集软件软件：可控制相机拍摄，调整拍摄速率、相机分辨率等；b、可调整图像的增益、图像亮度、对比度、白平衡、Gama值等；c、支持多种影像输出格式，如RHVD、AVI、JPG、BMP等；d、提供触发前拍摄模式，可将触发前若干秒的图像百分百的记录；e、支持设置相机多种外触发模式；f、图像拍摄分辨率可任意可调，可针对感兴趣的区域进行拍摄；（18）Molysis v3.0运动分析软件：★a、可以对目标对象进行直线测量、角度测量和运动测量分析；★b、能进行数据分析运算，计算速度，角度，加速度，数据能够导出文档形式；★c、对对象进行标定跟踪，自动绘制出对象的运动轨迹；d、可调整图像的增益、图像亮度、对比度、白平衡、Gama值等；★e、可进行多任务窗口，支持彩色与黑白图像预览、回放；（19）镜头接口：支持SonyE口电动镜头,兼容F口、EF口镜头；（20）信号接口：TTL信号同步、触发；7、标准光学镜头（1套）：17-50mm/f2.8；8、系统工作站计算机：戴尔32G内存、2T硬盘、24寸液晶显示器；9、★标定板：1000mmx1000mm、 400mmx300mm、200mmx150mm编码型标定板各一套；10、测量光源：2个200瓦的LED光源与35瓦蓝光LED常亮灯一个；★11、轨迹追踪点：圆直径8mm与圆直径5mm非编码不反光标记点各一卷；12、检测分析软件：XTDIC ver9.0安装光盘、系统操作说明书、软件加密锁1套；13、移动支撑：曼富图三脚架与云台1套；★14、相机标定：支持1-50个相机的同时标定，支持外部图像标定。

XTDIC三维全场应变测量分析系统1.1系统介绍图：XTDIC三维全场应变测量分析系统外观XTDIC三维全场应变测量分析系统，结合数字图像相关技术（DIC）与双目立体视觉技术，通过追踪物体表面的散斑图像，实现变形过程中物体表面的三维坐标、位移及应变的测量，具有便携，速度快，精度高，易操作等特点。

状态1（基础状态）左相机图像状态1（基础状态）右相机图像状态2左相机图像状态2右相机图像状态3~19，左相机图像状态3~19，右相机图像状态20左相机图像状态20右相机图像图：系统测量原理及散斑图像追踪过程系统组成：统主要由测量头、控制箱、标定板、标志点、计算机及检测分析软件等组成系统应该包含系统测量头（含两台高速工业相机、进口相机镜头，带万向手柄可调节LED 光源）、相机同步控制触发控制箱、系统标定板、系统可移动支撑架、动态采集分析软件、载荷加压控制通讯接口、计算机系统等组成。

1.1主要应用XTDIC 三维数字散斑动态变形测量分析系统是实验力学领域中一种重要的测试方法，其主要应用有：在材料力学性能测量方面：DIC已成功应用于各种复杂材料的力学性能测试中。

如火箭发动剂固体燃料、橡胶、光纤、压电薄膜、复合材料以及木材、岩石、土方等天然材料的力学性能的检测中。

值得注意的是，DIC被广泛应用于破坏力学研究中，包括裂纹尖端应变场测量、裂纹尖端张开位移测量以及高温下裂纹尖端应变场测量等。

在细观力学测量方面：借助于扫描电子显微镜(SEM)、扫描隧道电子显微镜(STEM)以及原子力显微镜(AFM)，DIC被越来越多地应用于细观力学测量。

最近，数字散斑相关方法还被应用于物体表面粗糙度的测量中。

在损伤与破坏检测方面：DIC被应用于多种复杂材料，如岩石、炸药材料的破坏检测中。

DIC还被应用于一些特殊器件，如陶瓷电容器、电子器件，电子封装的无损检测研究中。

在生物力学测量方面：DIC被应用于测量手术复位后肱骨头在内旋转及前屈运动下大小结节的相对位移量，以及颈椎内固定器对人体颈椎运动生物力学性能的影响等。