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原文传递一种结合SPM和DIC技术的应变场计算方法

专利名称：	一种结合SPM和DIC技术的应变场计算方法
摘要：	一种结合SPM和DIC技术的应变场计算方法，包括如下步骤：在MATLAB软件中随机生成模拟散斑图，并检测散斑图质量是否合格；对待测试件进行机加工、预处理，基于模拟散斑图，采用光刻技术在试件表面制备微纳米散斑；采用带SPM的加载试验机对试件进行分段加载试验，获得试件在变形前的参考图像和变形后的目标图像；对参考图像和目标图像进行数字图像相关分析，计算参考图像和目标图像的零均值归一化的最小平方距离相关函数，获得试件的变形位移场；对位移场进行平滑处理，消除位移场的系统随机误差，得到试件真实的位移场数据；对试件的真实位移场数据进行差分，即可得到待测试件的真实应变场数据；本发明可以大幅提高应变场测量的计算精度。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖南;43
申请人：	湖南省计量检测研究院
发明人：	张遥奇;柏文琦;向德;李庆先;王晋威
专利状态：	有效
申请日期：	2019-07-19T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-12T00:00:00+0800
申请号：	CN201910659769.7
公开号：	CN110441143A
代理机构：	长沙智路知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	张毅
分类号：	G01N3/08(2006.01);G;G01;G01N;G01N3
申请人地址：	410000湖南省长沙市雨花区香樟路396号
主权项：	1.一种结合SPM和DIC技术的应变场计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：采用MATLAB软件，在计算机中生成一系列随机分布的点，构成模拟散斑图，采用统计参数平均灰度梯度衡量散斑图质量的有效参数，当模拟散斑图的平均灰度梯度满足预设条件时，判断模拟散斑图质量合格并进行下一步骤，否则，重新生成模拟散斑图并进行新的质量评价；步骤2：对待测试件进行机加工，通过线切割技术达到设计的几何尺寸，再进行细砂纸打磨、抛光以及清洗操作；步骤3：基于步骤1中质量合格的模拟散斑图，采用光刻技术在待测试件表面形成微纳米尺度散斑；步骤4：选择带扫描探针显微镜(SPM)的加载试验机对待测试件进行分段加载试验，预先调整好扫描探针显微镜的放大倍数和对比度，每段加载结束后通过扫描探针显微镜对试件进行图像采集，并从中选取待测试件在变形前和变形后的典型图像，分别记为参考图像和目标图像；步骤5：结合计算机软件对参考图像和目标图像进行数字图像相关分析(DIC技术)，获得待测试件拍摄区域的变形位移场；步骤6：对待测试件的位移场数据进行自适应平滑处理，对平滑处理后的位移场进行差分处理即可得到高精度应变场。 2.根据权利要求1所述的应变场计算方法，在所述步骤1中，具体通过如下算法确定可用的模拟散斑图：基于如下公式计算模拟散斑图的平均灰度梯度衡量δf值，当δf值大于某一预设阈值时，重新生成随机的模拟散斑图，直至该模拟散斑图的平均灰度梯度衡量δf值低于所述预设阈值：其中，参数W和H分别是模拟散斑图的高度和宽度像素值，表示模拟散斑图中的每个像素点的灰度梯度矢量的模，参数fx(xij)和fy(xij)分别表示像素点xij在x和y方向上的灰度的导数，基于数字图像像素灰度值的计算原理，可以采用如下公式计算： fx(xij)＝f(i+1,j)-f(i,j) fy(xij)＝f(i,j+1)-f(i,j) 其中，参数f(i,j)表示像素点xij的灰度值。 3.根据权利要求1所述的应变场计算方法，在所述步骤3中，采用如下光刻技术在待测试件表面形成散斑图：待测试件经过清洗后，用滴管在试样表面涂HSQ抗蚀剂的胶液，使其在试样表面形成一定厚度的薄膜，然后将试样放入离心机内进行甩胶使试样表面抗蚀剂的胶液厚度均匀，最后将待测试样放入电子束曝光机的载物台上，然后将计算机生成的模拟散斑图导入电子束曝光机中开始控制电子束在试样表面进行曝光，从而在待测试件表面制备出微纳散斑。 4.根据权利要求1所述的应变场计算方法，在所述步骤5中，采用如下公式进行数字图像相关分析，计算参考图像和目标图像的零均值归一化的最小平方距离相关函数CZNSSD，从而获得待测试件的位移场U：其中，f(i,j)和g(i,j)分别表示参考图像和目标图像上的像素点xij的灰度值，fm和gm分别表示参考图像和目标图像的平均灰度值。 5.根据权利要求1所述的应变场计算方法，在所述步骤6中，假设ξ为待测试件位移场数据的随机误差，则待测试件的真实位移场可以表示为： U＝U′+ξ 为消除位移场的随机误差，设置如下计算式作为位移场的最优解：其中，参数C为二阶拉普拉斯算子矩阵，参数α为取值范围(0,1)之间的惩罚因子，其取值大小代表对参数C的惩罚程度，运算符\|\|\|\|为欧式范数，\|\|U-U′\|\|2表示数据逼近程度，并通过如下公式进行计算：上式中，In为单位对角矩阵，参数n表示位移场数据长度，参数β为位移场的平滑因子，并且有β＝α/(α+1)，Λ表示C的特征值构成的对角矩阵，记为Λ＝diag(λ1,λ2,…,λn)；为得到位移场的最优解，先采用广义交叉验证方法对含有随机噪声的位移场U中估计平滑因子β，即：其中，Tr()表示矩阵的迹；再通过如下公式计算出平滑后的位移场估计U′： U′＝IDCT[(In+βΛ2)-1DCT(U)] 上式中，DCT()和IDCT()分别表示矩阵的离散余弦变换和反离散余弦变换；对平滑处理后的位移场U′进行差分，即可得到待测试件高精度的应变场分布。
所属类别：	发明专利