數位影像相關法應用於跨尺度跨領域靜態及動態全域位移與應變精密量測

Application of Digital Image Correlation Technique in Multi-dimensional and Multi-field problems

張景媖(Chin-Ying Chang)

指導教授 ： 馬劍清

國立臺灣大學/工學院/機械工程學研究所/碩士(2013年)

https://doi.org/10.6342/NTU.2013.01838

摘要

本論文使用實驗室團隊自行開發之數位影像相關法(Digital image correlation, DIC)技術量測次微米級全場變形及應變，其中包含光纖光柵、致冷晶片、形狀記憶合金、負載橋樑、受振動之鋼筋混凝土。本實驗所採用之演算法使用牛頓拉普森法，搭配平行運算技術達到高效能、高精度之分析結果，並與電子斑點干涉術、光纖位移計、NDI光學檢測儀器之量測結果相互吻合。
DIC技術具有非破壞檢測之特性並可提供全域式及非接觸之量測結果，同時具有跨尺度量測之優點，可依照現地狀況搭配不同光學鏡頭，並可依照待測物尺寸如光纖光柵進行次微米量測，或針對橋樑等巨大結構物提供釐米級量測數據，透過數值分析可準確獲得待測物之共振頻與共振模態，更採用短時傅立葉轉換分析暫態訊號並提供時頻分析圖。文中以高空間、時間解析度之攝影系統與量測儀器，建構全域式量測系統，量測跨尺度的變形問題，同時以高精度量測儀器如光纖位移計比對量測結果，使用高速攝影機進行動態問題量測，獲得高時間解析度之影像堆疊，並以DIC進行高效能運算；提升現有拍攝系統於微小變形量測與分析，獲得微奈米級之變形定量量測結果；跨材料與土木試驗，量測大變形與巨型試體之微小變形，並以高精密之三維光學量測儀器比對定量量測結果。
本論文使用之DIC技術其演算法涵蓋位移計算與應變計算之邏輯，並可應用於進行非接觸式位移與應變全域定量量測。量測主題涵括高變動率之動態問題、微奈米級變形量測、以及大變形與大尺度試體之精密定量量測，皆為傳統量測儀器難以精準定量的問題。並進行影像處理獲取全域資訊，此量測方法為實驗室團隊自行研發之技術，核心運算技術包含平行運算技術、向量轉化運算流程，將多維度迴圈轉換為等價之二維向量運算提升運算效能。本論文所提出之演算法，不僅可量測正交方向之位移場 、 ，更可透過區域最小平方法演算法獲得應變場 、 、 ，實驗過程不受光源限制，架設精簡，並可應用於現場量測，除此之外，更擁有0.1畫素級之分析精度。與市售DIC套裝模組相比，本文所用量測技術擁有更高的應用彈性，可進行跨尺度跨領域的應用與量測，且由於量測儀器十分精簡，僅需紀錄影像的相機（靜態問題）或錄影機（動態問題），能適用於各種不同的量測環境，相較於傳統量測方法，擁有高精確度、全域量測、以及非接觸之優點。本論文使用DIC於各種不同問題的量測，顯示此量測技術擁有廣闊的發展空間，可適應更複雜的量測環境如水下，應用於更廣的領域中，或提升核心演算至三維變形量測。

關鍵字

數位影像相關法 ； 影像處理 ； 跨尺度 ； 跨領域 ； 高精密量測

並列摘要

This paper uses the Digital Image Correlation (DIC) technique developed in our laboratory for experimental measurements on the deformation of elastic solids. DIC is a full-field and non-contact measurement technique and this paper tries to extend the applications in multiple-dimensional and multiple-fields problems. Using high-resolution image to record the deformation of object and to construct the information for displacement and strain field through image processing technique from DIC. A high-speed camera is used to record thousands of images for the dynamic problem and uses high-resolution camera and microscope to quantitatively evaluate the deformation in sub-micron sensitivity for fiber grating sensors and thermal deformation. Interdisciplinary application is also an important issue of DIC in this paper. The large deformation for shape memory alloy in material science and the failure in large structure of concrete with steel in civil engineering are also investigated.

並列關鍵字

Digital image correlation ； Image processing ； Multiple dimensions ； Multiple fields ； high-resolution measurement

參考文獻

[37] 曾國舜，馬劍清,「壓電纖維複材與壓電陶瓷雙晶片的動態特性及應用於能量擷取系統之探討」, 碩士論文, 機械工程學研究所, 台灣大學, 2012年。

[38] 莊國治，馬劍清,「多維高解析度布拉格光纖光柵動態位移及應變量測系統之研發並應用於暫態波傳之量測」, 博士論文, 機械工程學研究所, 台灣大學, 2008年。

[39] 王兆祥，馬劍清, 「布拉格光纖光柵感測器之理論分析以及應用於動態量測與監測之探討」, 碩士論文, 機械工程學研究所, 台灣大學, 2010。

[41] 鄭雅方，馬劍清, 「光纖光柵於應變梯度量測的理論分析與應用於形狀記憶合金的特性研究」, 碩士論文, 機械工程學研究所, 台灣大學, 2011。

[42] 林世皓，馬劍清, 「無鉛壓電陶瓷與壓電複材平板動態特性及應用電極設計於鋁板激振之實驗量測與分析」, 博士論文, 機械工程學研究所, 台灣大學, 2012。