汽车工程领域非接触三维光学测量系统技术

三维光学测量系统

2016/07/05

私聊

综合仪器采购

1-1 系统介绍
三维光学非接触式应变位移振动综合测量系统分为三维光学应变测量系统和三维动态变形测量系统两个部分。

图1 三维应变测量头图2 动态变形测量头
三维光学应变测量系统主要通过数字散斑相关法和双目立体视觉技术结合，追踪物体表面散斑点，实时测量各个变形阶段的散斑图像，通过算法重建三维坐标，最终实现快速、高精度、实时、非接触的三维应变测量。（全场或局部应变）
动态变形测量系统基于双目立体视觉技术，采用两个高速摄像机实时采集被测物体变形图像，利用准确识别的标志点（包括编码标志点和非编码标志点）实现立体匹配，重建出物体表面点三维空间坐标，并计算得到物体变形量、三维轨迹姿态等数据。（关键点振动位移）
三维光学应变测量系统和动态变形测量系统可以根据实验情况单独使用，也可以合并成综合测量系统使用。
1-2与传统方法对比

	三维光学测量方法	传统测量方法（如位移计、应变片、引伸计等）
测量方式	非接触式测量，不对被测物体造成干扰与影响。	接触式测量，易打滑，不容易固定，试件断裂容易破坏引伸计。
测量对象	适用于任何材质的对象。测量尺寸范围广，从几毫米到几米。	适用于常规尺寸对象测量，特殊材料无法测量，小试样无法测量，大试样需要多贴应变片。
测量范围	应变测量范围：0.01%~1000%。	应变测量范围：应变片通常小于5%，引伸计小于50%。
环境要求	环境要求低，可在高温、高速、辐射条件下测量。	一般适用常规条件测量。
测量结果	全场多点、多方向测量，同时获得三维坐标、三维位移及应变。	单点、单方向测量。三维测量需要多个应变片，效率低。

1-3 系统技术参数

	指标名称	技术指标
1.	核心技术	工业近景摄影测量、数字图像相关法
2.	测量结果	三维坐标、全场位移及应变
3.	测量幅面	支持4mm-4m范围的测量幅面，更多测量幅面可定制
4.	测量相机	支持百万至千万像素相机，支持低速到高速相机，支持千兆网和Camera Link等多种相机接口
5.	相机标定	支持任意数目相机的同时标定，支持外部图像标定
6.	位移测量精度	0.01pixel
7.	应变测量范围	0.01%-1000%
8.	应变测量精度	0.005%
9.	测量模式	兼容二维及三维变形测量
10.	实时测量	采集图像的同时，实时进行全场应变计算
11.	多测头同步测量	支持多相机组同步测量，相机数目任意扩展，可同步测量多个区域的变形应变
12.	动态变形模块	具备圆形标志点动态变形测量功能
13.	轨迹姿态测量模块	具备刚体物体运动轨迹姿态测量功能
14.	试验机接口	接通后实时同步采集试验机的力、位移等信号
15.	FLC接口	配合杯突试验机进行Nakazima试验，可以测得材料的FLC成形极限曲线
16.	显微应变测量	配合双目体式显微镜，可实现微小型物体的三维全场变形应变检测
17.	64位软件	软件采用64位计算，速度更快
18.	系统兼容性	支持32位和64位Windows操作系统

2 系统应用于汽车振动强度实验室
2-1 振动强度实验室介绍
振动强度试验室，主要开展对汽车整车，总成，零部件，或者材料的强度，耐久性，疲劳特性，以及可靠性等问题的研究，试验，考核，或者评估。
三维应变位移振动综合测量系统在振动强度试验室里具备以下的功能：
（1）采集相关的振动、位移和变形数据；
（2）作为前期信号分析的软件和硬件；
（3）进行必要的试验控制和试验后期数据分析系统。
2-2 汽车振动测量常规配合使用设备
振动模拟实验系统：电动式振动试验台，机械式试验台，电液伺服试验机系统，道路模拟试验台，吊车（一般5~10吨、小型3吨以下、大型10吨以上）等。
振动数据采集传统产品：传感器、应变片、放大器等。
2-3系统在汽车振动实验室中应用的相关实验
采集测量系统：三维应变位移振动综合测量系统。
配合使用系统：振动模拟实验系统。
实现功能1—耐振性能试验。测试车辆或者零部件系统的减振，耐振性能。模拟振动环境，通过非接触的光学方法，测量振动和位移，从而对车辆的振动性能进行分析。
应用包括：发动机振动模态分析，车门振动实验，座椅振动测量分析等。
实现功能2—耐久可靠试验。考核车辆和零部件的强度、抗疲劳特性和可靠性指标。
应用包括：车身结构强度实验（测量区域振动或者关键点变形），汽车座椅分级加载实验，汽车轮胎受力变形实验等。
3 系统应用于汽车材料实验室
3-1 汽车材料实验室介绍
汽车材料试验室，主要开展对汽车新型材料及相关基础性工作的研究和探索。
三维应变位移振动综合测量系统在材料试验室里一般有以下的基本功能：
（1）汽车材料常规力学性能方面的测试，得到各种工况下的应变变形；
（2）汽车材料焊接的应变变化情况测量；
（3）板料成形应变及板料成形极限曲线测量。
3-2 汽车材料试验常规配合使用设备
力学实验系统：高温蠕变试验机、扭转试验机、疲劳试验机、杯突试验机等。
焊接相关设备：焊枪、焊机等。
3-3 系统在汽车材料实验室中应用的相关实验
采集测量系统：三维应变位移振动综合测量系统。
配合使用系统：力学实验系统、焊接相关设备。
实现功能1—材料应变变形测量实验。通过对材料进行常规的拉压弯等实验，进行相关材料的力学性能测定。
应用包括：金属材料拉伸实验，复合材料大变形测量，碳纤维材料实验等。
实现功能2—汽车焊接相关试验。考核汽车相关焊接实验的应变和变形。
应用包括：焊接全场应变测量，高温焊接变形测量等。
实现功能3—板料成形相关实验。板料成形过程中的全场应变变形测量和板料成形极限曲线（配合杯突试验机）。
应用包括：板料成形应变实验、板料成形极限曲线测定实验。
4 系统在汽车工程研究方面典型实验案例展示
4-1 汽车振动实验
模拟汽车在各种情况下的振动情况，测量振动数据，为汽车设计的平顺性和延长车辆使用寿命方面的研究提供数据支持。

图3 发动机模态分析

图4 车门动态实验

4-2 汽车碰撞实验
模拟汽车高速碰撞，观测车体侧面和上方特定区域的变形状况，为车身安全设计提供数据支撑。

图5 汽车碰撞实验现场

4-3 轮胎变形实验
轮胎实验是模拟实际行驶中各种路况和各种应急情况下，轮胎的性能，包括轮胎高空跌落、轮胎不同路况下的受压变形等。

图6 模拟尖锐路面轮胎受力变形

图7 实验得到的部分测量数据

4-4 座椅疲劳实验
通过对座椅各个方向进行加载，模拟座椅可能遇到的各种特殊情况，进行疲劳试验，得到各个方向关键点的位移和变形。

图8 汽车座椅侧面及测得的某点数据

4-5 金属材料拉伸实验
汽车金属材料等力学性能的测定。

图9 45钢试件实验现场及测定数据

图10 铝试件测量图及多向拉伸应变

4-6 汽车焊接相关实验
高温情况下的变形应变很难准确测定，非接触式的光学测量方法，是目前国际上比较领先的一种高温应变变形测量手段。目前我们的三维应变位移振动综合测量系统在焊接过程变形检测、焊接后焊缝区材料力学实验、盲孔法残余应力检测、大型构件焊接变形检测等方面均有应用。同时，焊接件的力学性能测定中，该系统也可以使用。