StrainMaster

StrainMaster: системы цифровой корреляции изображений для полнопольного измерения формы, перемещений и деформаций

Оптические методы измерения деформаций занимают важное место в современной экспериментальной механике материалов и конструкций. В отличие от традиционных контактных датчиков, таких как тензорезисторы и экстензометры, методы цифровой корреляции изображений позволяют получать распределения перемещений и деформаций по всей видимой поверхности образца. Такой подход особенно ценен при исследовании неоднородных полей деформации, локализации напряжений, зарождения и распространения трещин, сложных геометрий, динамических процессов и испытаний в условиях, где установка контактных датчиков затруднена или невозможна.

Семейство StrainMaster разработано как модульная платформа для 2D- и 3D-анализа деформаций. При наличии оптического доступа система обеспечивает бесконтактное, невозмущающее и устойчивое измерение поверхностных деформаций в полном поле. Области применения включают испытания на растяжение, сжатие, усталость, трех- и четырехточечный изгиб, ударные нагрузки, циклические испытания, усадку, многоосное нагружение, высокотемпературные исследования, микромасштабную механику, цифровую объемную корреляцию и экспериментальную валидацию задач взаимодействия потока и конструкции.

Общие характеристики систем StrainMaster

Системы StrainMaster обеспечивают полную интеграцию камер, включая высокоскоростные устройства, синхронизацию периферийного оборудования и регистрацию аналоговых сигналов от испытательных машин. Управление измерением, анализ изображений, обработка данных и формирование результатов выполняются в единой программной среде DaVis.

К числу ключевых возможностей относятся полная интеграция камер и источников освещения, использование блока Device Control Unit 11 для синхронизации устройств и сбора аналоговых данных, управление записью и анализом в одном программном пакете, доступ к исходным изображениям на всех стадиях обработки, компактная и жесткая механическая конструкция, трехмерный режим живого видеоэкстензометра, трехмерная визуализация результатов, построение графиков виртуальных тензодатчиков и экстензометров, экспорт в инженерные и научные форматы, включая Python, MATLAB и ABAQUS INP, а также включенная поддержка и постепенные обновления программного обеспечения.

Метод цифровой корреляции изображений

Цифровая корреляция изображений основана на отслеживании перемещения и деформации случайного поверхностного рисунка при механическом, термическом или ином нагружении объекта. Такой рисунок может быть естественной структурой поверхности либо искусственно нанесенной спекл-структурой. Изображения поверхности, зарегистрированные камерой, разбиваются на малые расчетные области, или подмножества. Для каждого подмножества алгоритм ищет соответствующий участок в деформированном состоянии.

Сопоставление выполняется по распределению уровней серого в пикселях. Обычно используется метод наименьших квадратов в сочетании с функцией формы подмножества, которая учитывает преобразования рисунка, включая растяжение и поворот. Результатом вычислений является вектор перемещения с субпиксельной точностью, направленный из центра исходного подмножества в новое положение того же фрагмента рисунка в деформированном состоянии.

После отслеживания всех подмножеств формируется плотная карта векторов перемещения. Далее на основе поля перемещений рассчитываются производные величины, прежде всего компоненты деформации. Деформация вычисляется по локальному набору векторов перемещения, например путем аффинной аппроксимации в окрестности NxN. По сути, карта деформаций эквивалентна наличию тысяч миниатюрных виртуальных тензодатчиков или экстензометров, распределенных по всей поверхности объекта.

Метод DIC не ограничивается определенными типами материалов, размерами объектов или диапазонами деформации. В отличие от традиционных контактных датчиков, он может применяться для очень больших деформаций. Режим корреляции по сумме дифференциальных приращений позволяет регистрировать деформации, превышающие 1000 %.

2D DIC и 3D Stereo-DIC

В двухмерной DIC-системе поверхность объекта наблюдается одной камерой. Такой подход эффективен для плоских образцов и деформаций, происходящих преимущественно в плоскости наблюдения. Однако движение образца к камере или от камеры может приводить к искусственным перемещениям и ошибкам в вычисленных деформациях.

В трехмерной стереоскопической DIC-системе поверхность образца одновременно наблюдается двумя камерами. Камерная система калибруется таким образом, чтобы была известна связь между изображениями и реальным пространством объекта. Сопоставляя поверхностный рисунок между двумя камерами и используя калибровочную модель, система определяет форму поверхности, ее высоту и перемещение по оси z. Принцип подобен человеческому зрению: две проекции объекта дают информацию о глубине.

Stereo-DIC позволяет вычислять реальную деформацию поверхности даже в случаях, когда объект движется к системе камер или от нее. В однокамерной 2D-системе такое движение может вызывать значительные ошибки, тогда как стереоскопическая конфигурация измеряет внеплоскостные перемещения напрямую и исключает соответствующий источник неопределенности.

Калибровка измерительной системы

Понятие калибровки в системах StrainMaster относится к определению параметров оптической схемы конкретного эксперимента. Регулярная заводская калибровка системы не требуется, поскольку пользователь выполняет калибровку для своей камеры, объектива, рабочего расстояния и положения объекта.

Цель калибровки состоит в определении внутренних и внешних параметров модели камеры. Внутренние параметры описывают характеристики объектива, включая фокусное расстояние, радиальные и тангенциальные искажения. Внешние параметры определяют расстояние до объекта и пространственное положение камеры.

Простейшей калибровкой для 2D-системы является масштабирование в пикселях на миллиметр. Однако такой подход не учитывает оптические искажения, например подушкообразную дисторсию короткофокусного объектива. Без коррекции дисторсии перемещение рисунка от центра изображения к краю может привести к появлению искусственных деформаций. Полная калибровка позволяет компенсировать такие искажения и корректно преобразовывать координаты изображения в реальные координаты объекта.

На практике пользователь выбирает тип калибровочной пластины, например пластину с QR-кодом, размещает ее перед образцом, а программное обеспечение автоматически обнаруживает калибровочные маркеры и оценивает качество калибровки. В стандартных условиях процедура занимает менее пяти минут. Калибровочная пластина может находиться внутри камеры испытаний или даже в жидкости.

Точность и прецизионность измерений

Точность DIC-измерений в первую очередь определяется качеством изображения. Поверхностный рисунок является носителем информации, поэтому чем выше контраст, четкость и устойчивость рисунка, тем выше качество результата. Основные источники ошибок включают шум камеры, недостаточный контраст, расфокусировку, отражения, блики, неравномерное освещение и недостаточное качество спекл-структуры.

На результат также влияют параметры вычислительной схемы, например размер корреляционного подмножества. Увеличение подмножества обычно повышает точность вектора перемещения, но снижает пространственное разрешение. Следовательно, в DIC всегда существует компромисс между пространственным разрешением и точностью измерения.

При оптимизированном эксперименте достижимы точности перемещения лучше 0,01 пикселя и прецизионность деформации порядка 50 микродеформаций или лучше. Для виртуальных экстензометров и виртуальных тензодатчиков прецизионность может быть еще выше, поскольку эффективная база измерения и измеряемая область больше, чем при локальном расчете деформации.

Цифровая объемная корреляция

Цифровая объемная корреляция, или DVC, является естественным расширением DIC с двумерных изображений поверхности на трехмерные объемные изображения. Для DVC используются данные рентгеновской компьютерной томографии, магнитно-резонансной томографии, оптической когерентной томографии и других объемных методов визуализации. Возможна также обработка объемных данных, полученных томографическими системами LaVision для жидкостей и прозрачных материалов.

Объемная система визуализации регистрирует множество проекций объекта, на основе которых реконструируется трехмерный объем в исходном и деформированном состояниях. Затем эти объемные изображения импортируются в модуль DaVis DVC для обработки. Подобно DIC, объем разбивается на малые подъемы, и внутренний рисунок каждого под объема сопоставляется с деформированным состоянием. Это позволяет рассчитывать полную трехмерную карту перемещений и деформаций внутри материала.

Как и в поверхностной DIC, носителем информации является рисунок. Поэтому DVC требует наличия естественной или искусственно созданной внутренней структуры. Кости, пены, грунты, бетон и металлы могут обладать естественными неоднородностями, создающими различие в ослаблении рентгеновского излучения. В экспериментах с порошковым уплотнением или песчаными моделями может добавляться небольшая доля другого порошка, формирующая необходимый контраст.

Программная платформа DaVis

Программные модули 2D и 3D DIC входят в платформу DaVis. Программное обеспечение предназначено для получения, обработки и анализа полнопольных данных о форме поверхности, перемещениях, вибрациях и деформациях. Оно применяется как в рутинных промышленных испытаниях, так и в исследовательских и учебных задачах.

DaVis обеспечивает управление сбором данных, обработку изображений, калибровку, синхронизацию устройств, визуализацию, построение графиков и формирование отчетов. Интерфейс построен логично и ориентирован на последовательный рабочий процесс: калибровка, запись, расчет деформаций, анализ и экспорт.

После калибровки пользователь настраивает запись изображений и аналоговых сигналов от испытательной машины, например силы и перемещения траверсы. Поддерживается многоканальная аналого-цифровая регистрация, возможность приостанавливать испытание без повреждения данных, высокие частоты кадров для динамических процессов, непрерывный режим живого просмотра образца и выбор области интереса. Последовательности изображений автоматически сохраняются в проекте.

Расчет деформаций в DaVis

После записи изображений пользователь выполняет расчет полей перемещений и деформаций. Можно обрабатывать всю последовательность или только ее часть, выбирать области интереса либо применять AutoMask для автоматического отделения поверхности материала от фона. Доступны режимы расчета, оптимизированные либо на максимальную точность перемещений и деформаций, либо на высокое пространственное разрешение.

DaVis поддерживает двумерное отображение результатов с исходным изображением на фоне, трехмерную визуализацию формы поверхности, цветовые карты компонентов перемещения и деформации, различные определения деформации, включая инженерную, Грина–Лагранжа и Хенки, а также осевые, поперечные, сдвиговые и главные деформации. Дополнительно могут рассчитываться коэффициент Пуассона, локальные и интегральные параметры деформирования.

Получаемый набор данных охватывает всю наблюдаемую поверхность. Это позволяет выявлять зоны концентрации деформаций, определять места зарождения трещин, отслеживать их распространение и экспортировать результаты в виде изображений, текстовых файлов или форматов, пригодных для конечно-элементного анализа.

Виртуальные датчики и экстензометры

Одним из преимуществ DIC является возможность размещать виртуальные тензодатчики и экстензометры уже после проведения испытания. Пользователю не нужно заранее знать, где именно следует установить датчик. После обработки данных можно определить несколько виртуальных датчиков, ориентировать их по локальному направлению измерения, строить графики деформации во времени, а также сопоставлять результаты с зарегистрированными аналоговыми сигналами, такими как нагрузка или перемещение траверсы.

Такой подход особенно важен при сложных или неизвестных заранее картинах деформации, поскольку позволяет анализировать интересующие зоны без повторения эксперимента.

Применимость DaVis к стандартным испытаниям

Программный пакет DaVis включает функции для типичных квазистатических DIC-испытаний, включая растяжение, сжатие, трех- и четырехточечный изгиб, а также усталостные испытания. Платформа поддерживает аппаратные системы StrainMaster Compact и StrainMaster Portable, которые оптимальны для большинства квазистатических сценариев.

DaVis не ограничен определенным типом материала и может использоваться в 2D- или 3D-конфигурациях. Типичный диапазон размеров измеряемых областей составляет примерно от 20 мм до 2000 мм. Программное обеспечение может импортировать изображения из внешних источников, поддерживает дополнительное оборудование для высокотемпературных испытаний и содержит калибровочные процедуры, пригодные для работы с образцами внутри испытательных камер.

К числу программных возможностей относятся гибкий сбор данных и синхронизация устройств, синхронизация с внешними событиями и пользовательскими триггерами, 2D- и 3D-визуализация полей деформации, импорт и экспорт данных в форматы AVI, TIFF, PNG, Tecplot, ABAQUS, MATLAB, HDF, ASCII и CSV, прямой доступ к данным через Python-интерфейс, измерение деформаций от 0,01 до 1000 пикселей и работа под 64-битной Windows.

Расширенные функции обработки

Модульная структура DaVis позволяет расширять систему дополнительными программными модулями LaVision, включая трехмерный объемный анализ деформаций, цифровую объемную корреляцию и анализ взаимодействия жидкости и конструкции. Расширенное управление аппаратурой позволяет синхронизировать до восьми камер, запускать несколько источников освещения, регистрировать данные с восьмиканального аналого-цифрового преобразователя и управлять дополнительными устройствами, такими как моторизованные перемещающие столы.

Пакетная обработка позволяет анализировать несколько наборов данных одинаковой структуры с одними и теми же параметрами после одной команды запуска. Библиотека процедур управления данными, фильтрации и статистической обработки дополняет функциональность системы. Распределенная обработка выполняет вычисления в фоновом режиме, позволяя пользователю продолжать работу в DaVis и готовить следующее измерение.

Семейство систем StrainMaster

Системы StrainMaster построены по модульному принципу. Отдельные аппаратные и программные компоненты могут быть заменены или расширены в соответствии с требованиями пользователя. В сочетании с блоком управления устройствами DCU и одной или несколькими камерами пользователь получает полный контроль над параметрами сбора и записи данных.

Стандартный программный пакет может использоваться как самостоятельное решение, способное импортировать и обрабатывать изображения из внешних источников, например со сканирующих электронных микроскопов. Лицензии доступны в одно- и многопользовательских вариантах. Дополнительные модули и сетевые рабочие места могут быть добавлены в любое время. Единовременная стоимость лицензии включает инкрементные загружаемые обновления, а также поддержку по телефону и электронной почте в течение срока службы программного обеспечения. Ежемесячная или ежегодная плата за обслуживание не взимается. Для обучения и тренингов могут предоставляться специальные сетевые лицензии.

Семейство StrainMaster можно разделить на три основные категории: Compact, Portable и R&D. Дополнительно предлагается программное обеспечение для цифровой объемной корреляции данных, полученных методами CT, OCT или MRI.

StrainMaster Compact

StrainMaster Compact представляет собой компактную стерео-DIC-систему, ориентированную на простоту использования и малые габариты. Предварительно откалиброванная система содержит две камеры и источник света в едином корпусе. Она подходит для повторяющихся испытаний, учебных задач и измерений в труднодоступных местах.

Типовая система включает измерительную головку StrainMaster Compact, программное обеспечение DaVis DIC 3D, контроллер DCU 11 с аналого-цифровым преобразователем и штативное крепление. Доступны четыре варианта, различающиеся размерами измерительной области.

StrainMaster Compact является легкой стерео-DIC-системой с двумя USB 3.0 камерами и ярким белым или синим LED-источником в компактном корпусе. Благодаря пассивному охлаждению система работает бесшумно. Переднее окно может оснащаться полосовыми фильтрами для фотогенного паттернирования или линейными поляризационными фильтрами для уменьшения бликов на отражающих поверхностях.

Рабочее расстояние составляет 25 см, глубина резкости около ±2 см. Варианты SMC 2M-280, SMC 2M-200, SMC 5M-180 и SMC 5M-140 отличаются разрешением камер, объективами, полем зрения и эффективным пространственным разрешением. Для камер 2 Мп частота кадров при максимальном разрешении достигает 150 Гц при 8 бит и 100 Гц при 12 бит. Для камер 5 Мп — до 75 Гц при 8 бит и до 50 Гц при 12 бит. Диапазон экспозиции составляет от 34 мкс до 166 мс. Максимальный коэффициент заполнения LED-источника составляет 25 %, что контролируется электроникой.

Полная система состоит как минимум из измерительной головки, блока управления DCU и программного пакета DaVis DIC. Опционально может использоваться удаленный ноутбук. Измерительные головки легко заменяются при сохранении существующего DCU.

Преимущества StrainMaster Compact включают полную интеграцию и простоту использования, отсутствие сложной настройки, малый форм-фактор, жесткую конструкцию, уменьшающую необходимость повторной калибровки перед каждым измерением, минимальное количество кабелей и удобство применения с одноосными испытательными машинами. Интегрированная функция видеоэкстензометра соответствует классу 0.5 по ISO 9513 и классу B1 по ASTM E83 при максимальной базе измерения.

StrainMaster Portable

StrainMaster Portable представляет собой гибкую и легкую платформу для 2D- и 3D-DIC. Она предназначена для широкого диапазона приложений, где важны портативность и возможность быстрой настройки. Система позволяет получать полнопольные данные по всей поверхности материала и подходит для объектов различных размеров.

Стандартная 2D-система включает тяжелый штатив для максимальной стабильности, легкую горизонтальную рейку длиной 1 м, головку камеры на скользящем креплении, два LED-источника, блок Device Control Unit X и одну USB 3.0 CCD-камеру выбранной модели.

Стандартная 3D-система строится на базе 2D-комплекта и дополнительно включает вторую головку камеры на скользящем креплении, вторую USB 3.0 CCD-камеру и дополнительную головку LED-осветителя на скользящем креплении.

Дополнительные механические опции включают рейки для измерений с большим вылетом или вертикальной ориентацией камер, удлиненные рейки для увеличенного межкамерного расстояния и решения для крепления к испытательным машинам. Для безопасной транспортировки компоненты, включая рейки, крепления, камеры, объективы, LED-источники и кабели, могут размещаться в жестком роликовом кейсе. DCU, штатив и опциональный ноутбук транспортируются в переносных тележках и мягких кейсах.

StrainMaster R&D

Системы StrainMaster R&D предназначены для наиболее требовательных исследовательских задач и могут быть адаптированы под конкретные потребности пользователя. Они применяются для микромасштабных измерений, высокоскоростных испытаний, специализированных механических конфигураций и комплексных исследований.

Типовой универсальной конфигурации для R&D не существует, поскольку система проектируется под задачу. Возможные компоненты включают платформу DaVis с модулями DIC 2D или 3D, высокопроизводительные ПК с увеличенным объемом оперативной памяти и RAID-массивами, PTU X с опциональной поддержкой высокоскоростной визуализации, индивидуальные крепления с трансляционными столами или роботизированными узлами, стереомикроскопы с высоким увеличением, высокоскоростные камеры с частотами кадров в килогерцовом диапазоне и комбинации DIC с PIV для исследования взаимодействия жидкости и конструкции.

Device Control Unit 11

Device Control Unit 11 является центральным контроллером системы StrainMaster. Он отвечает за синхронизацию камер, связь с периферийными устройствами, регистрацию аналоговых сигналов от испытательной машины и питание двух LED-источников StrainMaster.

Параметры работы камер, запуска и аналого-цифрового преобразователя задаются в интерфейсе DaVis. DCU 11 поддерживает управление несколькими устройствами, полностью синхронизированную запись, низкоскоростную регистрацию, питание LED-источников, изменение частоты записи камеры внешним триггером во время сбора изображений, выходные триггеры для внешних устройств, внешние стартовые триггеры для последовательности записи или отдельных изображений, встроенную установку DaVis DIC, обновление прошивки в системе, три или восемь каналов АЦП для сбора аналоговых данных и опциональное удлинение кабелей до 5 м для камер и LED-источников.

DCU 11 может использоваться в двух режимах. В настольном режиме к нему подключаются монитор и клавиатура, после чего устройство работает как стандартный ПК. В мобильном режиме управление выполняется с удаленного ноутбука, который выполняет функцию монитора и клавиатуры. Это удобно, когда пользователь не может находиться рядом с системой из-за ограниченного пространства или требований безопасности.

DCU 11 имеет встроенный компьютер Windows, SSD для операционной системы, отдельное устройство хранения измерительных данных и стандартные интерфейсы ПК, включая LAN, USB и HDMI. DaVis устанавливается непосредственно на DCU 11 и используется как для записи изображений, так и для обработки результатов.

Программируемый блок синхронизации PTU

Programmable Timing Unit, или PTU, предназначен для управления сложными схемами запуска стандартной и высокоскоростной съемки с несколькими устройствами. Он применяется в сложных условиях, включая неравномерно работающие двигатели, ударные трубы, моторные стенды и установки с высоким уровнем электрических помех. Современные интерфейсы PCIe и USB обеспечивают удобное подключение. Улучшенные входные и выходные драйверы повышают устойчивость в жесткой электрической среде. Программно выбираемые входные сопротивления 50 Ом и High-Z, а также низкочастотные фильтры 1 МГц повышают помехозащищенность без изменения кабельной разводки.

Внешний блок PTU подключается через USB; при необходимости LaVision может предоставить проверенный USB-удлинитель. Внутренняя карта PTU использует интерфейс PCI Express и совместима с распространенными материнскими платами ПК. Светодиодная индикация на передней панели отображает основное состояние системы.

PTU обеспечивает полностью синхронизированную запись, управление несколькими устройствами, фазовую синхронизацию триггера, пользовательские триггеры, управление задержками устройств, графический интерфейс подключения, обновление прошивки в системе, различные частотные стратегии, мультиэкспозицию, синхронизацию двигателей, независимые времена отсчета и поддержку высокоскоростной съемки. Система может запускать одиночные и двухкадровые камеры, переключаться между внутренними и внешними источниками запуска, начинать видеозапись по входному триггеру, синхронизировать камеры, лазеры, АЦП и другие устройства, автоматически изменять временные соотношения между устройствами и триггером, выполнять временное сканирование и сканировать фазу периодического процесса.

PTU не только запускает устройства в нужный момент с шагом до 10 нс и джиттером менее 50 пс, но и обеспечивает синхронизированное считывание данных из всех источников. Все версии поддерживают фазовый запуск при наличии периодического источника триггера. Пользователь может задавать запуск не только во времени, например в миллисекундах, но и по фазе, например при 120° и 180°. Для двигателей можно определить, соответствует ли полный цикл 360° или 720° для четырехтактных двигателей.

Конфигурации систем

Конфигурация DaVis DIC – DCU 11 – Compact является наиболее простой 3D-DIC-системой для повторяющихся испытаний, обучения и труднодоступных зон. Она включает программное обеспечение 3D DIC, поддерживающее компактное оборудование, DCU 11 с клавиатурой и мышью, опциональный ноутбук для удаленного рабочего стола или настольный ПК с PTU и АЦП, а также измерительную головку StrainMaster Compact 3D DIC.

Конфигурация DaVis – DCU 11 – Portable представляет собой гибкую и портативную 2D- или 3D-DIC-систему, подходящую для большинства квазистатических испытаний. Она включает DaVis, модуль поддержки оборудования StrainMaster Portable, DCU 11 с клавиатурой и мышью, камеры, LED-источник, опциональный синий LED для высокотемпературных экспериментов, флуоресценции или FSI, объективы C-mount или F-mount, а также опциональные поляризационные или полосовые фильтры.

Конфигурация DaVis DIC – Desktop PC – PTU является максимально гибкой и настраиваемой системой для различных испытательных задач. Она включает программное обеспечение 2D или 3D DIC, модуль поддержки StrainMaster Portable, настольный ПК, внутренний PCIe или внешний USB PTU 11, внутренний PCIe или внешний USB АЦП, поддержку нескольких камер, включая высокоразрешающие и высокоскоростные, выбранные источники освещения, крепежную систему или раму, объективы C-mount и F-mount, фильтры, адаптеры Шаймпфлюга и другое совместимое оборудование LaVision. Эта платформа может служить основой для систем исследования взаимодействия жидкости и конструкции.

Конфигурация DaVis – Desktop PC – PTU – Micro-DIC обеспечивает максимальное увеличение. Обычно она включает DaVis 2D или 3D DIC, модуль поддержки StrainMaster Portable, настольный ПК, внутренний PCIe или внешний USB PTU, внутренний PCIe или внешний USB АЦП, поддержку нескольких камер, включая высокоразрешающие и высокоскоростные, малодиаметральный белый или синий LED и контроллер, стереомикроскоп Zeiss V12 или аналогичный прибор, а также выбор микроскопических объективов с различным увеличением и рабочими расстояниями. Среди опций доступны трансляционные столы, монтажная рама и синие полосовые фильтры для фотогенного паттернирования.

Конфигурация DaVis – PTU-HS – High-speed DIC предназначена для временного разрешения в килогерцовом диапазоне. Она включает DaVis 2D или 3D DIC, модуль поддержки StrainMaster Portable, настольный ПК, внутренний PCIe или внешний USB PTU с высокоскоростным обновлением, внутренний PCIe или внешний USB АЦП 1,25 МГц, полную интеграцию высокоскоростных камер Phantom и Photron, импульсные источники света с частотами в несколько килогерц и объективы F-mount. Опционально доступны специальные монтажные системы.

Высокоскоростная DIC

Высокоскоростные камеры все шире используются в исследовании материалов для анализа ударных, компрессионных и разрушительных испытаний методом цифровой корреляции изображений. LaVision предлагает камеры с частотами до нескольких сотен тысяч кадров в секунду. Индивидуальные системы адаптируются под конкретный эксперимент и включают запуск камер и осветительных устройств через контроллер PTU High-Speed.

В рамках одного программного пакета выполняются запись, корреляция изображений и построение графиков. Возможен импорт изображений от внешних камер, полный доступ к параметрам записи, таким как частота кадров и экспозиция, а также использование нескольких схем запуска.

Аналоговые данные, включая силу и перемещение, могут регистрироваться с помощью опционального аналого-цифрового преобразователя с частотой до 1,25 МГц. DaVis обеспечивает запись изображений с пред- и посттриггером, расчет 2D или Stereo-DIC, а также последующую оценку с виртуальными экстензометрами и тензодатчиками.

Микроскопическая DIC

StrainMaster μDIC предназначен для полнопольного измерения деформаций в малом масштабе. Он может поставляться как полная система или как автономное программное обеспечение для импорта и обработки изображений из внешних источников с большим увеличением, например сканирующего электронного микроскопа. Это обеспечивает широкий диапазон полей зрения и рабочих расстояний.

Системы могут комплектоваться различными камерами LaVision в зависимости от скорости деформирования и требуемой частоты кадров. Доступны камеры с частотой до нескольких сотен килогерц и разрешением от 1 до 25 мегапикселей.

Если требуется высокое разрешение и большое увеличение, а рабочее расстояние не ограничено, может использоваться зум-объектив с высоким увеличением. Возможны варианты с увеличением 3,5× при рабочем расстоянии 341 мм и 28× при рабочем расстоянии 37 мм.

В 2D μDIC применяются микроскопы с большим диапазоном зумирования и высокой оптической разрешающей способностью. Они могут сочетаться с различными камерами и устанавливаться вертикально или горизонтально для удобства настройки и фокусировки на нужной области интереса.

В Stereo-μDIC используются две камеры. Это особенно важно, поскольку движение образца к камере или от нее в однокамерной схеме не может быть корректно измерено и проявляется как искусственные перемещения и деформации. В микромасштабных экспериментах трудно идеально ограничить перемещения образца одной плоскостью, а даже небольшие несоосности на уровне микрометров могут вызывать ошибки. Поэтому для μDIC LaVision рекомендует стереоскопическую конфигурацию. Система может быть выполнена в вертикальной ориентации для настольных испытаний или в горизонтальной ориентации для наблюдения традиционных испытаний на универсальных машинах.

Высокотемпературная DIC

При высокотемпературных испытаниях неоднородное распределение температуры в образце часто приводит к неоднородным полям деформации. Определение такого поведения важно при разработке материалов и компонентов. Задача усложняется, если образец не является плоской деталью, а представляет собой компонент сложной геометрии.

Физические датчики, такие как тензорезисторы и экстензометры, в этих условиях быстро достигают ограничений. Высокая температура или невозможность механически закрепить датчик в нужном месте ограничивают их применение. Кроме того, для правильного выбора положения датчика до начала испытания требуется значительный опыт.

Нагретые образцы излучают как абсолютно серое или черное тело, и это излучение может перекрывать видимый поверхностный рисунок. Для подавления свечения используется комбинация синего освещения и соответствующего фильтра. LaVision также предоставляет рекомендации по подготовке поверхности для очень высоких температур, включая температуры выше 1000 °C.

Преимущество DIC при высокотемпературных испытаниях заключается в возможности полнопольного анализа поверхности, размещения виртуальных датчиков после завершения эксперимента, отсутствия влияния на образец во время испытания и пригодности метода для высоких температур. Интересные области и аномалии поведения материала можно изучать без дополнительных экспериментов.

Фотогенное паттернирование и подготовка поверхности

Качество поверхностного рисунка критически важно для DIC. Для подготовки образцов используется удобный набор инструментов для нанесения спекл-структуры. Для сложных случаев, включая сильно глянцевые или прозрачные поверхности, применяется Photogenic Patterning, обеспечивающее улучшенный контраст. При использовании синего освещения и соответствующих фильтров такая технология также может применяться в высокотемпературных измерениях.

Взаимодействие жидкости и конструкции

Взаимодействие жидкости и конструкции изучает случаи, когда поток жидкости или газа вызывает деформацию поверхности или конструкции. Поскольку изменение формы поверхности влияет на путь потока, поведение среды зависит от формы конструкции, а форма конструкции — от сил со стороны потока. Такая связь может приводить к периодическим или циклическим неустойчивостям и возбуждению вибраций, индуцированных потоком.

LaVision предлагает системы, которые одновременно измеряют и количественно описывают поведение потока и поверхности. Для этого объединяются PIV и DIC. Particle Image Velocimetry использует короткие импульсы лазерного света с известным временным интервалом для освещения плоскости или объема засеянного потока. По изображениям частиц рассчитывается карта скоростей. Digital Image Correlation регистрирует поверхность и отслеживает ее форму и деформацию.

Совмещение PIV и DIC позволяет измерять взаимодействие потока и конструкции, валидировать и оптимизировать численные модели. Такие явления могут быть сложными и нелинейными, особенно при использовании современных гибких легких материалов и компонентов, поэтому экспериментальная проверка становится все более важной.

Системы FSI могут работать в различных режимах: одновременное измерение поведения потока и конструкции, получение мгновенных снимков, усредненных по времени или фазово-синхронизированных данных, а также выявление переходных связанных процессов.

Компоненты и принадлежности

Системы StrainMaster могут адаптироваться к различным испытательным установкам за счет широкого набора аксессуаров. Доступен большой выбор камер для анализа деформаций и перемещений. В зависимости от задачи предлагаются высокоразрешающие и высокочастотные камеры, USB-камеры с высокой чувствительностью и высоким качеством изображения, CoaXPress-камеры для среднескоростных приложений с частотами в несколько сотен герц, а также камеры Photron и Phantom для временно-разрешенных высокоскоростных испытаний, включая ударные процессы.

Оптические компоненты включают стандартные объективы C-mount и F-mount для различных рабочих расстояний и полей зрения, 2D- и стереомикроскопы, зум-объективы, дальнодействующие микроскопы с высоким увеличением и разрешением при сохранении большого рабочего расстояния, а также фильтры для поляризованного, ультрафиолетового или синего света.

Источники освещения включают белые LED-источники в постоянном или импульсном режиме, синее LED-освещение для фотогенного паттернирования и высокотемпературных экспериментов, UV LED-панели, поляризованный свет для подавления бликов и зеркальных отражений, а также мощные одиночные или матричные LED-источники.

Калибровочные пластины являются основой точных многомерных измерений деформаций. Для стереоскопических камерных систем LaVision предлагает одно- и двухсторонние 2D-пластины, черно-белые и фотогенные, двухуровневые пластины и микрокалибровочные пластины.

Крепежные элементы включают дополнительные рейки длиной 1 м и фиксирующие крепления для задач с большим вылетом или вертикальной ориентацией, «магические руки» с магнитными держателями для индивидуального позиционирования осветителей или легких камер, а также индивидуальные крепления для стационарного использования системы.