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《中国科学技术大学》 2017年
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教学图像相关方法中局域变形场测量精度及补偿方法研究

徐小海  
【摘要】:作为一种高精度的非接触式全场光学测量方法,数字图像相关方法(Digital Image Correlation,DIC)在工程测量中发挥着越来越重要的作用。然而,DIC方法的测量精度仍然限制着该方法的推广应用。DIC方法对于简单曲表面的简单变形(如伸缩变形)的测量精度(~20με)已基本满足工程测量的需求。然而,在很多实际工况下,局域变形场(应变高度集中,如PLC带、试件缺口附近和裂纹尖端等)的测量结果受计算参数影响很大(不同计算参数下测量结果的相对误差可达百分之几十甚至更高),这也导致使用者很难判断测量结果的可靠性。论文研究了局域变形场中DIC方法的测量精度问题,并将其推广到数字体积相关方法(Digital Volume Correlation,DVC)在细胞牵引力的测量中。此外,还研究了基于二维数字图像相关(Two-Dimensional DIC,2D DIC)的补偿方法。第二章针对DIC方法在局域变形场中的测量精度问题,首先以PLC带为例,实验分析了局域变形场中DIC方法的位移和应变测量误差,提出了当采用一阶和二阶形函数测量结果的相对误差小于10%时,采用二阶形函数的测量结果可靠的判据。然后理论推导了位移和应变系统误差,提出了一种通过不同子区尺寸下的位移场预估位移测量误差的方法。最后通过实验和理论分析的结论指导实验并优化计算参数。第三章将DIC方法在局域变形场中的研究推广到DVC方法。针对水凝胶基底上细胞的牵引力测量,将基于二阶形函数的反向组合算法(IC-GN2)引入DVC方法中,得到了比采用一阶形函数的方法更为准确的位移测量结果。另外,将半无限大平面的弹性介质受力问题的理论解与DVC方法测量的位移场关联,推导了根据已知的位移场和预先设定的牵引力的作用位置和作用区域得到牵引力大小的表达式,并通过模拟实验验证和用于细胞牵引力测量实验。第四章针对2D DIC方法受离面运动和斜光轴影响的问题,研究了基于2D DIC的补偿算法。首先,在现有的补偿算法(基于小离面变形假设)基础上,提出了更为稳定的改进补偿算法。其次,提出了不受斜光轴影响的基于坐标变换的补偿方法,扩展了 2D DIC方法的适用范围。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O348

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