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