隨著先進(jìn)結(jié)構(gòu)和高端裝備等研究對象的尺度、性能及其服役環(huán)境日趨極端，研究物質(zhì)在極端環(huán)境下的力學(xué)性能和響應(yīng)規(guī)律，已成為未來具有引領(lǐng)性的前沿方向之一。

其中，突破極端條件下的高精度DIC測量方法，既是實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)，也是發(fā)現(xiàn)極端力學(xué)新原理、新現(xiàn)象的重要技術(shù)，是支撐和服務(wù)國家重大項(xiàng)目和科研需求的重要切入點(diǎn)。

極端條件下DIC測試難題

高溫: 熱輻射與散斑品質(zhì)下降引起的圖像扭曲和噪音

水下: 水-窗口-空氣界面處的光折射導(dǎo)致圖像扭曲

高速: 同步和校準(zhǔn)高速相機(jī)的復(fù)雜操作，振動(dòng)工況持續(xù)的背景噪聲

微小或超大尺度: 在小尺度顯微鏡拍攝的圖像比用傳統(tǒng)相機(jī)更為復(fù)雜扭曲；要實(shí)現(xiàn)巨大的視野(FOV)，必須校準(zhǔn)多個(gè)攝像頭，利用算法拼接合并

新拓三維DIC測量系統(tǒng)起源于西安交大，是國內(nèi)最早的專業(yè)DIC技術(shù)研究的高新技術(shù)企業(yè)之一。新拓三維在十余年來一直投入算法、軟件功能模塊的研發(fā)以及硬件性能提升，克服了極端條件下的圖像畸變和噪音干擾，實(shí)現(xiàn)了在高溫、高速、多尺度以及水下等典型極端條件中的應(yīng)用。

1、高溫環(huán)境

在高溫實(shí)驗(yàn)中，樣品通常被放置在加熱設(shè)備中，相機(jī)通過指定的觀察窗口捕捉圖像。這窗口的尺寸通常受到限制，以避免降低加熱裝置的隔熱性。

在高溫下使用DIC獲取精確的變形場數(shù)據(jù)時(shí)，主要面臨三個(gè)挑戰(zhàn)：

1）試樣發(fā)出的熱輻射，可導(dǎo)致圖像過曝光；

2) 散斑圖案的可靠性降低，高溫可導(dǎo)致散斑受熱膨脹過程中脫落，或是因高溫而燒蝕；

3) 試樣與相機(jī)之間的熱霧，使光路發(fā)生偏轉(zhuǎn)從而導(dǎo)致圖像失真。

新拓三維XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，在高溫應(yīng)用領(lǐng)域有著豐富的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，可靠、高精度的測試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了DIC試驗(yàn)的可行性，可實(shí)現(xiàn)3000攝氏度內(nèi)的高溫全場應(yīng)變測量。

針對高溫?zé)彷椛鋵D像采集的干擾問題，采用藍(lán)/紫外光、光學(xué)濾波和氣刀技術(shù)，以濾除藍(lán)/紫光以外波段，降低熱輻射造成的影響；

對于熱流擾動(dòng)，在加熱裝置與鏡頭之間使用氣刀或是風(fēng)扇等加速空氣流通，以減輕熱霧效應(yīng)。

此外，為了提高散斑質(zhì)量的穩(wěn)定性，結(jié)合耐高溫材料，使用參數(shù)化散斑制備技術(shù)，保證散斑可靠性。在實(shí)驗(yàn)前，進(jìn)行散斑預(yù)氧化，減少對位移場計(jì)算不利影響。

材料高溫環(huán)境下拉伸試驗(yàn)

溫度場與應(yīng)變場耦合

高溫環(huán)境DIC測試，通常采用高溫爐，特殊場景下需要將溫度場與應(yīng)變場融合，進(jìn)行同步測量。

XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，可與紅外熱像儀融合，同步測量試件在高溫環(huán)境下的溫度場和應(yīng)變場。

XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，結(jié)合紅外相機(jī)幾何標(biāo)定技術(shù)，并將紅外相機(jī)的局部坐標(biāo)系與DIC系統(tǒng)的坐標(biāo)系連接起來，實(shí)現(xiàn)紅外相機(jī)的全場溫度和位移的空間/時(shí)間同步分析。

合金片溫度場與應(yīng)變場耦合測量

2、水下環(huán)境

水下環(huán)境DIC測量面臨的主要挑戰(zhàn)，包括光的多次折射帶來的復(fù)雜畸變。圖像失真被分解為兩個(gè)組成部分——折射失真和透鏡失真。

XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，通過建立不同的折射校正模型，精確地確定相機(jī)的固有矩陣、外部矩陣和變形參數(shù)，對透鏡的畸變進(jìn)行修正，以提高DIC系統(tǒng)在測量水下目標(biāo)時(shí)的精度。

水下高壓密閉環(huán)境-漁網(wǎng)拖動(dòng)位移分析

水下模擬實(shí)驗(yàn)室測試，通常將DIC裝置放于空氣中，并通過窗口或透明容器拍攝樣本在水中的照片。光線通常可以被很好地控制，而且還可以確保水透明無雜質(zhì)。

在海洋湖泊等復(fù)雜的情況下，水會阻礙DIC裝置相機(jī)對水下結(jié)構(gòu)獲得完整的視圖。因此，采用特殊防水密封裝置，將DIC設(shè)備相機(jī)置于水下的密封容器中。

3、高速場景

高速攝影技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了瞬態(tài)事件的觀測，使其便于研究彈道學(xué)、爆炸、霍普金森壓桿和高速碰撞等現(xiàn)象。

高速DIC測量面臨的主要挑戰(zhàn)，包括兩臺高速相機(jī)同步以及光照不穩(wěn)定問題。XTDIC-SPARK三維高速測量系統(tǒng)，可直接控制高速相機(jī)采集；采用激光光源輔助照明，減少對DIC測量結(jié)果的影響。

XTDIC-SPARK三維高速測量系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用高速?zèng)_擊、高速振動(dòng)、高速變形以及高速運(yùn)動(dòng)工程領(lǐng)域，可計(jì)算追蹤點(diǎn)的位移、軌跡姿態(tài)、速度、加速度等數(shù)據(jù)。

3.1、高速運(yùn)動(dòng)

汽車輪胎過障瞬態(tài)變形分析

風(fēng)洞測試-高速運(yùn)動(dòng)姿態(tài)分析

3.2、高速?zèng)_擊

高速?zèng)_擊下瞬態(tài)變形分析

3.3、高速變形

霍普金森桿/高速拉伸動(dòng)態(tài)變形

3.4、爆炸沖擊

爆炸沖擊瞬態(tài)最大主應(yīng)變

4. 宏觀大尺寸/微小尺度

在材料科學(xué)領(lǐng)域，觀察材料的微觀結(jié)構(gòu)十分必要；在大型構(gòu)件的健康監(jiān)測中，復(fù)雜結(jié)構(gòu)測量也必不可少。

4.1、微觀尺度

新拓三維XTDIC-MICRO顯微應(yīng)變測量系統(tǒng)，將DIC技術(shù)與體式顯微鏡集成，通過自主研發(fā)的DIC標(biāo)定及校正算法，計(jì)算立體顯微鏡非參數(shù)變形區(qū)域，在測量中校正空間失真造成的誤差干擾。

XTDIC-MICRO顯微應(yīng)變測量系統(tǒng)可集成不同設(shè)備（溫控箱/冷熱臺、原位試驗(yàn)機(jī)），提供不同溫度、不同場景、更高精度應(yīng)變測量。

力學(xué)應(yīng)用——材料受力

熱學(xué)應(yīng)用——熱膨脹/熱翹曲測量

4.2 宏觀大視場

處理較大的物體時(shí)，物體的表面具有復(fù)雜的幾何形狀，DIC裝備兩個(gè)攝像頭提供的覆蓋面可能不足以進(jìn)行全面分析。

大視野全場應(yīng)變測量

XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，支持內(nèi)、外參數(shù)分離的標(biāo)定方式，解決大視野下的標(biāo)定難題；為使所有圖像在單一、統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)中排列，從而進(jìn)行重建，可指定一個(gè)攝像機(jī)的局部坐標(biāo)系統(tǒng)作為主要參考。

幾十米超大尺寸風(fēng)力葉片-全場揮舞位移云圖

多相機(jī)DIC方案-360°全周測量

新拓三維XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，多相機(jī)DIC方案，采用多組測量頭，通過提前標(biāo)定在統(tǒng)一坐標(biāo)或校準(zhǔn)對齊，逐幀對齊的方式實(shí)現(xiàn)三維空間的坐標(biāo)統(tǒng)一。

四測頭方案-測量車輪輪轂內(nèi)壁與外壁

反射鏡輔助DIC觀測

對于內(nèi)部空間狹小且測量區(qū)域分散的場景，采用反射鏡面輔助，XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)結(jié)合近景攝影測量技術(shù)，可解決多個(gè)雙目測量單元的坐標(biāo)統(tǒng)一問題，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部多個(gè)分散表面的同步測量。

關(guān)于DIC裝備相機(jī)鏡頭畸變與反射鏡表面反射質(zhì)量問題，通過標(biāo)定方法進(jìn)行精度補(bǔ)償，獲得較高的的測量結(jié)果。

反射鏡方案-航空機(jī)匣內(nèi)部四測頭同步測量