基于显微三维数字图像相关的微结构动态测试技术与系统研究

基于高速摄像和显微立体视觉的三维数字图像相关技术，因其对应用环境要求宽松，能够获得瞬时全场三维位移和应变等优点，是测量微结构动力学特性的有效方法，近年来得到国内外研究者的广泛关注。与宏观光学系统相比，显微三维数字图像相关缺乏简单和稳定的标定方法；另一方面，如何在微米级测试对象上取得合适的散斑一直以来仍是难以攻克的瓶颈。本项目将研究基于高速摄像和显微三维数字图像相关的微结构动态测试和分析方法，通过解决①显微立体视觉三维数字图像相关标定方法，②获取微结构散斑方法，③图像相关匹配算法，④微结构环境加载、基础激励和同步触发以及⑤基于微结构全场动态变形序列图像的微结构模态分析与动力学特征参数识别方法等若干基础理论和关键技术问题，建立一套集加载、激振、测量和分析为一体的微结构动态测试分析系统。测量典型微结构（如微梁、微陀螺、昆虫拍翼等）的动力学参数，为研究微结构动力学特性提供可靠的实验方法和数据结果。

本项目研究基于高速摄像和三维数字图像相关技术的动态测试和分析方法，对微结构和结构微区全场动态特性的测试和分析等进行了研究，主要工作和创新点包括：①建立了全套动/静态三维图像相关测试系统及显微测试系统；②研究并实现了微结构的散斑制作，斑粒直径在微米量级；③研究并实现显微立体视觉的标定，标定精度0.01像素0.03像素之间；④编制图像相关匹配和三维重建程序，三维图像相关最小视场5mm，二维图像相关最小视场1mm；⑤在试验机等现有加载装置的基础上，研制了配合微结构或结构微区测试的加载方案；建立LABVIEW 控制平台，实现力传感器、CCD等的同步触发，实时同步记录力和图像信号；⑥对被测结构的静/动力学特性进行有限元模拟，研究有限元模拟与实验数据全场对比方法，以准确建立有限元模型及验证实验结果；⑦研究适用微小试件的动态激励模式及模态参数等的识别方法，测量了典型结构如微悬臂梁、昆虫翅翼等的实时三维形态及模态参数；⑧研究多介质（空气、玻璃和水）三维标定和重建技术，实时记录了自由游动的鱼体三维形态；⑨研究循环荷载作用下结构损伤构件形成过程的图像相关识别方法，分析结构损伤演化规律；⑩在研金属微区损伤预测、塑性铰形成机理等(进行中)。静/动态显微三维图像相关系统，设备简单，对环境要求低，可测量任意形状的被测物（微结构和结构微区）表面的三维信息，为进一步研究被测物的力学特性等提供了有效的测量方法。