[发明专利]一种基于远心镜头和立方棱镜的双视场视频引伸计

说明书

本发明公开了一种基于远心镜头和立方棱镜的双视场视频引伸计，远心镜头可用来进行高精度位移追踪，不仅可以消除镜头畸变带来的不利影响，还可以避免相机自热和离面位移对测量结果的不利影响；利用立方棱镜的折射原理，可以使远心镜头对被测试件表面的两个不连续视场进行同步、高空间分辨率捕获，利用数字图像相关方法的图像配准算法可精确地追踪标距两个离散的测试点的亚像素精度的位移，通过立方棱镜估算出标距长度，经后期实验数据处理可以确定两个测试点之间的平均应变以及试件的泊松比。由于远心镜头仅捕获包含两个测试点及其附近区域的两个视场的图像，而非被测试件的整个图像，因此，可以实现大标距、高精度、超灵敏的平均应变测量。

技术领域

本发明涉及光测力学技术领域，尤其涉及一种基于远心镜头和立方棱镜的双视场视频引伸计。

背景技术

运用力学测试方法表征材料的力学性能，是设计、分析材料结构的必备方式，它一直是科研人员和工程师关注的焦点。在众多先进的力学测试方法中，使用万能试验机(UTM)进行单轴拉伸和压缩测试是最有效和广泛采用的方法，因为其具有简单、直接的特点，并且已成功用于表征材料的弹性模量、泊松比、极限拉伸强度等重要参数。为了估计这些材料特性，需要利用有效的方式对被测试件表面的应变进行准确测量。用于测量被测试件表面应变的方法大致可以分为接触式测量方法和非接触式测量方法两种。下面对这两种测量方法进行详细说明。

接触式测量方法，例如，应变片和夹式力学引伸计，特别适合于测量大刚度被测试件的应变。具体地，可以通过在被测试件上粘贴应变片或者通过将夹式力学引伸计安装到被测试件上获得实时应变。但是应变片测量的应变率少于2％，这限制了其在大变形方面的应用。夹式力学引伸计通过将两个刀刃安装到被测试件上来测量平均应变，其安装方式会降低测量精度甚至破坏被测试件。为了稳定地测量被测试件表面应变，需要将夹式力学引伸计固定在被测试件上，这可能会在被测试件上产生应力集中甚至破坏，例如，在测试聚合物、生物材料等软材料时，夹式力学引伸计自身的重量可能会在被测试件上引入额外不必要的变形。当被测试件被破坏时，夹式力学引伸计也很容易损坏。

非接触式测量方法可以有效解决接触式测量方法的自身局限。常规的非接触式测量方法的原理主要为：(1)使用成像系统(例如一个或两个配有常规或特殊镜头的相机)记录被测物体；(2)用数字图像处理方法，例如特征点(网格、圆点等)检测和数字图像相关方法，从捕获的图片中提取两个检测点之间的平均应变。非接触式测量方法在真实实验中，由于不完美加载、相机自热、材料泊松比等因素的存在会产生离面位移，微小的离面位移会产生极大的虚应变，并且，放大倍率的变化在测量结果上也会产生巨大的虚应变，这都会降低测量结果的精确性。此外，由单个相机和常规镜头(满足理想针孔模型)组成的视频引伸计，由于被测试件在拉伸过程中不可避免会产生离面位移，离面位移会改变成像系统的成像关系，从而导致很大的面内变形测量误差，因此，这种采用普通相机的单相机视频引伸计存在测量误差大、精度低的问题；若利用基于双目立体视觉的三维数字图像相关方法(3D-DIC)用作视频引伸计，虽然可以同步测量被测试件的各个方向的位移且不需要考虑离面位移的影响，但系统和算法都非常复杂，且双目立体视觉的系统需要提前标定。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于远心镜头和立方棱镜的双视场视频引伸计，用以实现高精度、超灵敏的平均应变测量。

因此，本发明提供了一种基于远心镜头和立方棱镜的双视场视频引伸计，包括：位于被测试件同一侧且依次排列的立方棱镜、远心镜头和相机，与所述相机电性连接的计算机，以及单色光源；其中，所述单色光源与所述立方棱镜位于所述被测试件的同一侧；所述立方棱镜的光轴与所述视频引伸计整体光路的光轴重合；

所述单色光源，用于对所述被测试件进行照明；

所述立方棱镜，用于将所述被测试件的反射光折射后，分离成两个视场；

所述远心镜头，用于正交捕获所述两个视场的图像；