Bezkontaktní měření deformace a průtažnosti

Pro správné měření a spolehlivost měřených dat je důležité správné umístění extenzometru vzhledem k měřené délce vzorku a předpokládanému vývoji deformace. Schéma umístění bezkontaktního měřicího systému pro správné snímaní měřené délky vzorku znázorňuje obrázek vlevo.

Zorné pole (Field of View) – plocha nebo objem viditelný použitému bezkontaktnímu měřicímu systému, musí být větší než měřená délka (gauge length) plus očekávané prodloužení, ohyb nebo kontrakce vzorku.

Pracovní vzdálenost (Working Distance) – vzdálenost použitého bezkontaktního měřicího systému od vzorku.

Extenzometry s bezkontaktní technologií dělíme do různých skupin, např. laserové, optické a video extenzometry, nebo jedno-, dvoj- a troj-dimenzionální (1D, 2D, 3D) v závislosti na možnosti měření v jednom nebo více směrech najednou.

Laserový a optický extenzometr

1. Laserový extenzometr
   Systém laserového extenzometru (obrázek vpravo znázorňuje tento princip měření) se skládá z pohyblivého zdroje laserového světla, čočky, čárové skenovací kamery a rotujícího zrcadla, které umožňuje skenování povrchu vzorku v oblasti měřené délky. Měřená délka vzorku je vyznačená reflexními body. V průběhu měření pohyblivý laserový paprsek snímá povrch vzorku v oblasti zorného pole a zaznamenává pohyb značek měřené délky v čase, zaznamenaná data sytém přepočítává na prodloužení.

2. Optický extenzometr

Systém optického extenzometru (obrázek vlevo znázorňuje tento princip měření) nevyužívá laser, ale zdroj monochromatického světla, které osvětluje povrch vzorku. Na povrchu vzorku jsou umístěny reflexní nebo barevné značky. Systém se skládá z kamery snímající stupně šedi nebo z čárové skenovací kamery, která rozeznává přechod mezi tmavým a světlým, a telecentrického nebo entocentrického dvou-čočkového systému.

1. 2D DIC měřící systém

Jedná se o bezkontaktní video extenzometr (obrázek vpravo znázorňuje princip tohoto měření), který se skládá z video kamery, telecentrického nebo entocentrického otického systému a zdroje monochromatického nebo LED světla osvětlujícího vzorek v závislosti na aplikaci nebo požadovaném kontrastu. 2D video extenzometr umožňuje snímaní dat v rovině vzorku ve dvou směrech – dvounásobné snímaní v ose působící síly; jednoosé a jedno příčné snímaní; snímání smykových napětí ve dvou na sebe kolmých směrech nebo rozevírání trhliny.

Na povrch vzorku jsou umístěny značky, které mohou být v závislosti na aplikaci a použitém měřicím systému vyznačeny jako síť rovnoměrně nebo náhodně rozmístěných bodů. Na vzorku jsou umístěny dvě oblasti měření s určitým počtem binů, které umožňují v průběhu deformace sledovat a měřit každý jednotlivě vyznačený bod. Podstatou tohoto měření je sledování velkého počtu bodů v definované oblasti vzorku a následně jejich zprůměrování matematickým přepočtem do jednoho bodu.

Tento systém ukládá video záznamy, které mohou být použity i pro následné zpracování dat pomocí takzvané dvou rozměrné korelace digitálního obrazu (2D DIC) pro výpočet 2D napěťových map (viz obrázek vlevo – 2D napěťová mapa okolí kruhového otvoru po deformaci). 2D DIC systém může být použitý i pro 1D měření.

2. 3D DIC měřící systém

3D DIC měřicí systém (obrázek vpravo znázorňuje princip tohoto měřicího systému) se také nazývá video extenzometr, protože je velmi podobný 2D systému, avšak místo jedné kamery využívá 2 kamery umístěné pod určitým úhlem, přičemž obě měří stejnou oblast povrchu vzorku. Použití dvou kamer a matematického přepočtu umožňuje vždy využívat entocentrický otický systém a sledovat jednotlivé body na povrchu vzorku s velikou přesností. Toto rozložení kamer dovoluje získat 3D mapy celého zorného pole obrazu. V závislosti na použité velikosti binů je možné sledovat konkrétní bod povrchu vzorku v osách x, y, z. Velice důležitým parametrem je nastavení měřeného objemu, tedy hloubky zorného pole v ose z, a velikost měřeného zorného pole v osách x, y.

V živém režimu snímání je možné sledovat individuální body, nebo při následném zpracování dat určit deformaci mezi dvěma body ve vybraném směru (např. v ose namáhání). V průběhu testu se ukládají data i video záznamy za účelem následného zpracování dat pomocí třírozměrné korelace digitálního obrazu pro výpočet a analýzu napěťových map, deformace a posunutí (průhybu, prodloužení, kontrakce) v osách x, y, z. 

Na obrázku vlevo vidíte napěťovou mapu rozložení napětí při 3-bodovém ohybu pro celé zorné pole a jeho příčného průřezu (barevné rozložení napětí z oblasti pod vrchním trnem vložené v grafu napětí – deformace).

Z hlediska množství snímaných dat a náročnosti zpracování obrazu vyžaduje 3D analýza zpracování dat až po ukončení testu, živé zpracování dat má určitá omezení.