隨著先進結構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，研究物質在極端環(huán)境下的力學性能和響應規(guī)律，已成為未來具有引領性的前沿方向之一。

其中，突破極端條件下的高精度DIC測量方法，既是實驗力學領域中的研究熱點與難點，也是發(fā)現極端力學新原理、新現象的重要技術，是支撐和服務國家重大項目和科研需求的重要切入點。

極端條件下DIC測試難題

高溫: 熱輻射與散斑品質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致圖像扭曲

高速: 同步和校準高速相機的復雜操作，振動工況持續(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)相機更為復雜扭曲；要實現巨大的視野(FOV)，必須校準多個攝像頭，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，是國內最早的專業(yè)DIC技術研究的高新技術企業(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，實現了在高溫、高速、多尺度以及水下等典型極端條件中的應用。

1、高溫環(huán)境

在高溫實驗中，樣品通常被放置在加熱設備中，相機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據時，主要面臨三個挑戰(zhàn)：

1）試樣發(fā)出的熱輻射，可導致圖像過曝光；

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

3) 試樣與相機之間的熱霧，使光路發(fā)生偏轉從而導致圖像失真。

新拓三維XTDIC三維全場應變測量系統(tǒng)，在高溫應用領域有著豐富的項目經驗，可靠、高精度的測試數據驗證了DIC試驗的可行性，可實現3000攝氏度內的高溫全場應變測量。

針對高溫熱輻射對圖像采集的干擾問題，采用藍/紫外光、光學濾波和氣刀技術，以濾除藍/紫光以外波段，降低熱輻射造成的影響；

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

此外，為了提高散斑質量的穩(wěn)定性，結合耐高溫材料，使用參數化散斑制備技術，保證散斑可靠性。在實驗前，進行散斑預氧化，減少對位移場計算不利影響。

材料高溫環(huán)境下拉伸試驗

溫度場與應變場耦合

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變場融合，進行同步測量。

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

XTDIC三維全場應變測量系統(tǒng)，結合紅外相機幾何標定技術，并將紅外相機的局部坐標系與DIC系統(tǒng)的坐標系連接起來，實現紅外相機的全場溫度和位移的空間/時間同步分析。

合金片溫度場與應變場耦合測量

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雜畸變。圖像失真被分解為兩個組成部分——折射失真和透鏡失真。

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

水下高壓密閉環(huán)境-漁網拖動位移分析

水下模擬實驗室測試，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。

在海洋湖泊等復雜的情況下，水會阻礙DIC裝置相機對水下結構獲得完整的視圖。因此，采用特殊防水密封裝置，將DIC設備相機置于水下的密封容器中。

3、高速場景

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

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

XTDIC-SPARK三維高速測量系統(tǒng)已廣泛應用高速沖擊、高速振動、高速變形以及高速運動工程領域，可計算追蹤點的位移、軌跡姿態(tài)、速度、加速度等數據。

3.1、高速運動

汽車輪胎過障瞬態(tài)變形分析

風洞測試-高速運動姿態(tài)分析

3.2、高速沖擊

高速沖擊下瞬態(tài)變形分析

3.3、高速變形

霍普金森桿/高速拉伸動態(tài)變形

3.4、爆炸沖擊

爆炸沖擊瞬態(tài)最大主應變

4. 宏觀大尺寸/微小尺度

在材料科學領域，觀察材料的微觀結構十分必要；在大型構件的健康監(jiān)測中，復雜結構測量也必不可少。

4.1、微觀尺度

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

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

力學應用——材料受力

熱學應用——熱膨脹/熱翹曲測量

4.2 宏觀大視場

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

大視野全場應變測量

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

幾十米超大尺寸風力葉片-全場揮舞位移云圖

多相機DIC方案-360°全周測量

新拓三維XTDIC三維全場應變測量系統(tǒng)，多相機DIC方案，采用多組測量頭，通過提前標定在統(tǒng)一坐標或校準對齊，逐幀對齊的方式實現三維空間的坐標統(tǒng)一。

四測頭方案-測量車輪輪轂內壁與外壁

反射鏡輔助DIC觀測

對于內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三維全場應變測量系統(tǒng)結合近景攝影測量技術，可解決多個雙目測量單元的坐標統(tǒng)一問題，實現結構內部多個分散表面的同步測量。

關于DIC裝備相機鏡頭畸變與反射鏡表面反射質量問題，通過標定方法進行精度補償，獲得較高的的測量結果。

反射鏡方案-航空機匣內部四測頭同步測量