深入解析：DIC技术在极端条件下的应用及解决方案

随着先进结构和高端装备等研究对象的尺度、性能及其服役环境日趋极端，研究物质在极端环境下的力学性能和响应规律，已成为未来具有引领性的前沿方向之一。

其中，突破极端条件下的高精度DIC测量方法，既是支撑和服务国家重大项目和科研需求的重要切入点就是实验力学领域中的研究热点与难点，也是发现极端力学新原理、新现象的重要技术，。

极端条件下DIC测试难题

• 高温：热辐射与散斑品质下降引起的图像扭曲和噪音；

• 水下：水-窗口-空气界面处的光折射导致图像扭曲；

• 高速：同步和校准高速相机的复杂操作，振动工况持续的背景噪声；

• 微小或超大尺度：在小尺度显微镜拍摄的图像比用传统相机更为复杂扭曲；要实现巨大的视野(FOV)，必须校准多个摄像头，利用算法拼接合并。

新拓三维DIC测量平台起源于西安交大，是国内最早的专业DIC技术研究的高新技术企业之一。新拓三维在十余年来一直投入算法、软件功能模块的研发以及硬件性能提升，克服了极端条件下的图像畸变和噪音干扰，构建了在高温、高速、多尺度以及水下等典型极端条件中的应用。

Part.01

高温环境

在高温实验中，样品通常被放置在加热设备中，相机凭借指定的观察窗口捕捉图像。这窗口的尺寸通常受到限制，以避免降低加热装置的隔热性。

在高温下应用DIC获取精确的变形场数据时，主要面临三个挑战：

1）试样发出的热辐射，可导致图像过曝光；

2) 散斑图案的可靠性降低，高温可导致散斑受热膨胀过程中脱落，或是因高温而烧蚀；

3) 试样与相机之间的热雾，使光路发生偏转从而导致图像失真。

新拓三维XTDIC三维全场应变测量体系，在高温应用领域有着丰富的方案经验，可靠、高精度的测试数据验证了DIC试验的可行性，可实现3000摄氏度内的高温全场应变测量。

针对高温热辐射对图像采集的干扰问题，采用蓝/紫外光、光学滤波和气刀技术，以滤除蓝/紫光以外波段，降低热辐射造成的影响；

对于热流扰动，在加热装置与镜头之间使用气刀或是风扇等加速空气流通，以减轻热雾效应。

此外，为了提高散斑质量的稳定性，结合耐高温材料，利用参数化散斑制备手艺，保证散斑可靠性。在实验前，进行散斑预氧化，减少对位移场计算不利影响。

材料高温环境下拉伸试验

温度场与应变场耦合

高温环境DIC测试，通常采用高温炉，特殊场景下需要将温度场与应变场融合，进行同步测量。

XTDIC三维全场应变测量平台，可与红外热像仪融合，同步测量试件在高温环境下的温度场和应变场。

XTDIC三维全场应变测量系统，结合红外相机几何标定技术，并将红外相机的局部坐标系与DIC系统的坐标系连接起来，实现红外相机的全场温度和位移的空间/时间同步分析。

合金片温度场与应变场耦合测量

Part.02

水下环境

水下环境DIC测量面临的主要挑战，包括光的多次折射带来的复杂畸变。图像失真被分解为两个组成部分——折射失真和透镜失真。

XTDIC三维全场应变测量系统，经过建立不同的折射校正模型，精确地确定相机的固有矩阵、外部矩阵和变形参数，对透镜的畸变进行修正，以提高DIC系统在测量水下目标时的精度。

水下高压密闭环境-渔网拖动位移分析

水下模拟实验室测试，通常将DIC装置放于空气中，并通过窗口或透明容器拍摄样本在水中的照片。光线通常可以被很好地控制，而且还能够确保水透明无杂质。

在海洋湖泊等艰难的情况下，水会阻碍DIC装置相机对水下结构获得完整的视图。因此，采用特殊防水密封装置，将DIC设备相机置于水下的密封容器中。

Part.03

高速场景

高速摄影工艺的发展极大地促进了瞬态事件的观测，使其便于研究弹道学、爆炸、霍普金森压杆和高速碰撞等现象。

高速DIC测量面临的主要挑战，包括两台高速相机同步以及光照不稳定问题。XTDIC-SPARK三维高速测量框架，可直接控制高速相机采集；采用激光光源辅助照明，减少对DIC测量结果的影响。

XTDIC-SPARK三维高速测量架构已广泛应用高速冲击、高速振动、高速变形以及高速运动工程领域，可计算追踪点的位移、轨迹姿态、速度、加速度等材料。

3.1、高速运动

汽车轮胎过障瞬态变形分析

风洞测试-高速运动姿态分析

3.2、高速冲击

高速冲击下瞬态变形分析

3.3、高速变形

霍普金森杆/高速拉伸动态变形

3.4、爆炸冲击

爆炸冲击瞬态最大主应变

Part.04

宏观大尺寸/微小尺度

在材料科学领域，观察材料的微观结构十分必要；在大型构件的健康监测中，复杂结构测量也必不可少。

4.1、微观尺度

新拓三维XTDIC-MICRO显微应变测量平台，将DIC技巧与体式显微镜集成，凭借自主研发的DIC标定及校正算法，计算立体显微镜非参数变形区域，在测量中校正空间失真造成的误差干扰。

XTDIC-MICRO显微应变测量系统可集成不同设备（温控箱/冷热台、原位试验机），提供不同温度、不同场景、更高精度应变测量。

力学应用——材料受力

热学应用——热膨胀/热翘曲测量

4.2 宏观大视场

处理较大的物体时，物体的表面具有繁琐的几何形状，DIC装备两个摄像头提供的覆盖面可能不足以进行全面分析。

大视野全场应变测量

XTDIC三维全场应变测量系统，支持内、外参数分离的标定方式，处理大视野下的标定难题；为使所有图像在单一、统一的坐标系统中排列，从而进行重建，可指定一个摄像机的局部坐标平台作为主要参考。

几十米超大尺寸风力叶片-施力孔下全场挥舞位移云图

多相机DIC方案-360°全周测量

新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，多相机DIC方案，采用多组测量头，依据提前标定在统一坐标或校准对齐，逐帧对齐的方式实现三维空间的坐标统一。

四测头方案-测量车轮轮毂内壁与外壁

反射镜辅助DIC观测

对于内部空间狭小且测量区域分散的场景，采用反射镜面辅助，XTDIC三维全场应变测量框架结合近景摄影测量科技，可克服多个双目测量单元的坐标统一挑战，实现结构内部多个分散表面的同步测量。

关于DIC装备相机镜头畸变与反射镜表面反射质量障碍，依据标定手段进行精度补偿，获得较高的的测量结果。

反射镜方案-航空机匣内部四测头同步测量