Ich najväčšou prednosťou je bezkon­taktnosť, vysoká citlivosť a široká varia­bilita merania. Medzi najmodernejšie z nich patrí metóda digitálnej obrazovej korelácie.

Digitálna obrazová korelácia

Metóda digitálnej obrazovej korelácie (DIC) je optická metóda, ktorá slúži na meranie priestorových pomerných defor­mácií a posunutí, k čomu využíva techni­ku digitálnej registrácie obrazu. Prvý krát bola koncipovaná na Univerzite v Južnej Karolíne na začiatku 80. rokov 20. storo­čia. Aj keď je princíp metódy DIC známy už niekoľko desaťročí, k jej najvýraznejším vylepšeniam došlo až v posledných rokoch, čo úzko súvisí s pokrokom dosiahnutým v oblasti digitálnej fotografie a výpočto­vej techniky. Vďaka digitálnym kamerám s vysokým obrazovým rozlíšením je v sú­časnosti táto metóda považovaná za flexi­bilný nástroj, ktorý nachádza široké uplat­nenie nielen v oblasti experimentálnej mechaniky. Aj keď v technickej praxi pre­vláda optický systém s bielym svetlom, me­tóda DIC bola rozšírená aj na mikroskopiu medziatómových síl a elektrónovú mikro­skopiu. Princíp samotnej metódy poskytuje možnosť sledovať rôzne javy počas defor­mácie a/alebo pohybu objektu ľubovoľné­ho tvaru, pričom je aplikovateľná na tes­tovanie širokej škály materiálov. Korelačné systémy sú schopné sledovať široký okruh bodov povrchu, čo umožňuje vizualizovať merané veličiny na celej sledovanej oblasti. Meracie systémy pracujúce na metóde DIC majú voči konvenčným metódam rad vý­hod a predností:

- žiaden kontakt s meraným objektom,

- možnosť merania v ľubovoľnom mieste sle­dovanej oblasti,

- schopnosť zachytiť nehomogénne pole de­formácií na celej oblasti,

- schopnosť priameho merania, ktoré nevy­žaduje numerické ani analytické spracova­nie výsledkov,

- aplikácia na miestach, kde je to nemožné alebo veľmi ťažké.

Princíp metódy DIC

Podstata metódy spočíva v snímaní sto­chastického čiernobieleho škvrnitého vzo­ru vytvoreného na povrchu skúmaného objektu napr. striekaním čiernej farby na biely podklad (obr. 1). Pozorovaná oblasť sa rozdelí virtuálnou mriežkou na menšie podoblasti tzv. fazety tak, aby každá z nich obsahovala charakteristickú časť vzoru s dostatočným kontrastom.

Na základe korelácie odpovedajúcich fa­ziet pred a po deformácií sa určia posu­nutia a pomerné deformácie jednotlivých bodov. V prípade rovinnej obrazovej kore­lácie sú deformácie objektu určené pozoro­vaním cez jednu kameru namierenú kolmo na povrch objektu. Táto procedúra umož­ňuje stanoviť deformáciu objektu v rovine rovnobežnej s obrazovou rovinou kamery. Pri priestorovej analýze sa využíva stereo­skopické (v špeciálnych prípadoch triosko­pické) usporiadanie senzorov. Keď je objekt pozorovaný z dvoch rôznych smerov, pozí­cia každého bodu povrchu je zaostrená na určitý pixel v obrazovej rovine príslušnej ka­mery (obr. 2).

Ak sú známe polohy oboch kamier voči sebe, zväčšenia objektívov a všetky para­metre obrazu (tzv. kalibračné paramet­re), systém vypočíta absolútne trojroz­merné súradnice každého bodu povrchu a vytvorí jeho virtuálny priestorový obrys. Digitalizované snímky zachytené v jednot­livých krokoch merania, kedy sa body na povrchu premiestňujú vplyvom zaťaženia, sú v procese korelácie porovnávané so zvo­leným referenčným krokom [8]. Výsledkom týchto porovnaní sú deformačné polia a polia posunutí povrchových bodov v jed­notlivých časových okamihoch.

Korelačný systém Q-450 Dantec Dynamics

Jedným z meracích zariadení pracujú­cich na princípe metódy DIC je vysoko­rýchlostný korelačný systém Q-450, kto­rý jedinečne kombinuje vysoké obrazové rozlíšenie s vysoko presným časovým roz­líšením. Dynamické meranie je možné vy­konávať (v závislosti na hardvérovej konfi­gurácií a podmienkach merania) v rozsahu frekvencií od 0 až do 20 000 Hz. Systém je schopný merať priestorové posunutia s presnosťou na desiatky centimetrov až mikrometre a pomerné deformácie v roz­sahu od 100 μm/m do niekoľko 100 % [9]. Presnosť merania závisí od rozlíšenia CCD senzora. V súčasnosti sú dostupné kame­ry s rozlíšením až 5 Mpx. Maximálna dĺžka akvizičného intervalu je limitovaná pamä­ťovou kapacitou kamier, ktorá sa pohybuje v rozmedzí od 4 do 32 GB [10].

Základné rysy systému Q-450:

1. flexibilná oblasť merania: mm² až m²,

2. materiálová a geometrická nezávislosť,

3. plne automatizovaná kalibračná procedúra,

4. 3D vizualizácia výsledkov v rôznych súradných systémoch,

5. statické a vysokorýchlostné merania posunutí a povrchových pomerných deformácií.

Praktické možnosti využitia systému Q-450:

1. testovanie súčiastok (posunutia, po­merné deformácie, hlavné pomerné deformácie),

2. testovanie materiálových vlast­ností (Youngov modul pružnosti, Poissonovo číslo, elasticko-plastické vlastnosti),

3. meranie tvaru objektu pre potreby MKP validácie,

4. lomová mechanika,

5. analýza vibrácií a modálna analýza,

6. pohybová analýza.

Flexibilná konštrukcia systému rozširuje možnosti jeho využitia aj na mikroskopické merania na mikroelektronických alebo bi­omechanických materiáloch a veľkoškálo­vé merania na súčiastkach kozmických, au­tomobilových, námorných či železničných strojov.

Na Katedre aplikovanej mechaniky a me­chatroniky je systém Q-450 využívaný v prevažnej miere pri analýze kmitania a pri určovaní modálnych parametrov (obr. 4). V súčasnosti sa v rámci tvorby novej me­todiky merania vlastných tvarov a vlast­ných frekvencií vyvíja špeciálne pre sys­tém Q-450 softvér s názvom Modan, ktorý je schopný separovať vlastné tvary kmita­nia objektu pri jeho širokopásmovom bu­dení [11][12].

Metóda DIC je rovnako úspešne využívaná aj pri určovaní plastických vlastností valco­vaných oceľových plechov a pri deformač­nej analýze súčiastok namáhaných nad me­dzou klzu [13][14].

Systém Q-450 tiež umožňuje exportovať vir­tuálnu priestorovú geometriu povrchu sú­čiastky do súboru STL, ktorý je kompatibilný s väčšinou CAD aplikácií. To je efektívne vy­užívané pri tvorbe konečno-prvkových mo­delov, najmä plochých lisovaných súčiastok, ktorých geometria nie je známa [15].

Záver

Metóda digitálnej obrazovej korelácie pat­rí k vysoko progresívnym optickým metó­dam nachádzajúcim čoraz väčšie uplatne­nie v oblasti experimentálneho testovania mechanických a mechatronických sústav. Vývoj v tejto oblasti rýchlo napreduje a sú­časne korelačné systémy sú schopné vy­hodnocovať merané veličiny s podstat­ne vyššou presnosťou a to aj v reálnom čase, čo opäť rozširuje priestor pre ich prak­tické uplatnenie.

Poďakovanie

Tento článok bol vytvorený realizáciou projektu „Centrum výskumu riadenia technických environmentálnych a humánnych rizík pre trva­lý rozvoj produkcie a výrobkov v strojárstve“ (IMTS:26220120060), na základe podpory operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

Použitá literatúra

[1] CHU, T.C. – RANSON, W.F. – SUTTON, M.A. – PETERS, W.H. 1985. Exp Mech 25, 232 s.

[2] BRUCK, H.A. – MCNEILL, S.R. – SUTTON, M.A. – PETERS, W.H. 1989. Exp Mech 29, 261 s.

[3] KOBAYASHI, A.S. 1993. Handbook on Experimental Mechanics. Seattle: Society for Experimental Mechanics, 1020 s. ISBN1-56081-640-6

[4] SMITH, B.W. – LI, X. – TONG, W. 1998. Exp Tech 22, 19 s.

[5] SUTTON, M.A. – ORTEU, J.J. – SCHREIER, H.W. 2009. Image Correlation for Shape, Motion and Deformation Measurements – Basic Concepts, Theory and Applications, Springer Science+Business Media, ISBN: 978-0-387-78746-6

[6] DANTEC DYNAMICS GmbH: Istra4D / Software Manual Q-450 System, 2008

[7] SIEBERT, T. – SPLITTHOF, K. – STECKLUM, S. – HERBST, Ch.: New features in digital image correlation techniques, 22nd DANUBIA-ADRIA Symposium on Experimental Methods in Solid Mechanics, 2005.

[8] TREBUŇA, P. – PEKARČÍKOVÁ, M.: Modely riadenia produkčných systémov, 2011. In: Manažment podnikov. Roč. 1 (7), č. 1 (2011), s. 55-61. – ISSN 1338-4104

[9] DANTEC DYNAMICS GmbH: Basics of 3D Digital Image Correlation. Application Note: T-Q-400-Basics-3DCORR-002a-EN.

[10] DANTEC DYNAMICS 2010. Q-450 Product Flyer: Advanced full-field 3D vibration analysis, [online]. Dostupne na internete

[11] DANTEC DYNAMICS GmbH: High Speed 3D Digital Image Correlation System. Publication No.: PI-Q-450_09_01.

[12] BOŽEK, P. – PIVARČIOVÁ, E. Registration of Holographic Images Based on Integral Transformation. In Computing and Informatics, 2012, vol. 31, no. 6, s.1369-1383.

[13] TREBUŇA, F. – HUŇADY, R. – ZNAMENÁKOVÁ, M.: Using of Digital Image Correlation Method for Experimental Determination of Modal Parameters. In: Experimentální analýza napětí 2010, 48th International scientific conference: Velké Losiny, Czech Republic, May 31 – June 3, 2010, ISBN 978-80-244-2533-7, str. 451 – 458.

[14] TREBUŇA, F. – HUŇADY, R.: Využitie digitálnej obrazovej korelácie na určovanie vlastných tvarov a frekvencií sústavy, In: Jemná mechanika a optika, Vol. 55, no. 10 (2010), p. 276-279, 2010, ISSN 0447-6441

[15] ŠIMČÁK, F. – ŠTAMBORSKÁ, M. – HUŇADY, R.: Analýza plastickej deformácie materiálov využitím digitálnej obrazovej korelácie. In: Chemické listy. Vol. 105, no. S (2011), p. 564-567. – ISSN 0009-2770

[16] HUŇADY, R.... [et al.] The application of digital image correlation method under the search of facilities of materials and mechanical systems. In: ICMT´11 International Conference on Military Technologies 2011, Brno, Czech Republic, 10 to 11 May, 2011, p. 1693-1701. – ISBN 978-80-7231-787-25

[17] TREBUŇA, F. – HUŇADY, R.: The Creation of Finite Element Model by Using The Digital Image Correlation Method. In: Experimentální analýza napětí 2011, 49th International scientific conference: Znojmo, Czech Republic, 6 to 9 June, 2011, ISBN 978-80-214-4275-7, p. 375-380.

TEXT/FOTO: Prof. Ing. František Trebuňa, CSc., Ing. Róbert Huňady, PhD., Ing. Peter Frankovský, PhD.,KAMaM, SjF TU Košice