Integration of Fringe Projection and 2D Digital Image Correlation for the measurement of 3D displacements and strains

• Autores: L. Felipe Sesé, Francisco Alberto Díaz Garrido, Philip Siegmann
• Localización: Óptica pura y aplicada, ISSN-e 2171-8814, Vol. 50, Nº. 1, 2017, págs. 25-35
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Integración de Proyección de Franjas y Correlación Digital de Imágenes 2D para la medida de deformaciones y desplazamientos 3D
• Enlaces
  • Texto completo (pdf)
• Resumen
  • español

    Diversas aplicaciones de ingeniería requieren la medida de desplazamientos las tres direcciones espaciales de un objeto sometido a cargas mecánicas, por ejemplo, en pruebas estructurales o en controles de calidad de fabricación. En la actualidad, se emplea comúnmente la técnica Correlación Digital de Imágenes (3D-DIC). Esta técnica utiliza dos cámaras que adquieren imágenes del objeto que está siendo deformado desde diferentes ángulos de visión. Las cámaras deben estar perfectamente sincronizadas y calibradas para poder llevar a cabo la reconstrucción de formas en 3D y el seguimiento de la posición de cada elemento de la superficie del objeto mientras se produce la deformación. El proceso de calibración de esta técnica requiere de la adquisición de una secuencia de imágenes de un objeto de calibración y de una alta cantidad de recursos computacionales. En esta tesis se presenta un novedoso sistema que permite medir los desplazamientos en las direcciones X-, Y- y Z ocurridos en la superficie de un objeto sometido a deformación mediante una sola cámara. El método empleado se basa en combinar las técnicas 2D-DIC y FP para obtener los mapas de desplazamiento medidos en el plano y fuera de éste (3D). Éste sistema propuesto obtiene dichos resultados a partir de la adquisición de tan sólo una imagen por cada etapa de la deformación del objeto, lo que permite la adquisición de datos en tiempo real durante ensayos dinámicos. Uno de los intereses de esta investigación reside en que el sistema permite una alineación perpendicular precisa de la cámara con respecto a un superficie plana de referencia, y también permite la auto-calibración (no se emplea ningún objeto de calibración). Además, permite la determinación de una constante de calibración de proyección de franjas para cada píxel, así como todos los parámetros necesarios para la corrección de los desplazamientos medidos en el plano. Para ilustrar el potencial del sistema propuesto, se ha realizado una serie de experimentos estáticos y dinámicos. El mayor desplazamiento medido fuera de plano ha sido de 20 mm con una incertidumbre de 0,023 mm y de 0,0083 mm para la medida de desplazamientos en el plano. Los resultados se han comparado con los obtenidos empleando un sistema Correlación Digital de Imágenes 3D comercial, manifestando un nivel de concordancia muy alto.

  • English

    In many engineering applications, the measurement of displacements maps in all three spatial directions over the surface of a loaded object is often required, such an example is, structural testing or manufacturing quality control. At present, for this proposes, typically 3-dimensional digital image correlation (3D-DIC) is often used. This technique employs two cameras acquiring images from different viewing angles of the object while it is deformed. The cameras have to be perfectly synchronized and calibrated for both: 3D reconstruction and for tracking each surface element while the deformation occurs. The calibration process of the technique requires acquiring a sequence of several images of a calibration object and a high amount of computational resources. Alternative techniques have been proposed to obtain 3D displacement maps by combining Fringe Projection (FP) with two-dimensional DIC (2D-DIC). The hybrid technique only requires one camera and a fringe projector. In this thesis it is presented a novel device that allows obtaining the maps of displacements in X-, Y- and Z- direction at the surface of an object during deformation. The system is based on a method that combines 2D-DIC and FP to obtain the in- and out-of-plane components of displacement during deformation. The device operates by acquiring only one image of the studied object at each deformation state desired to analyze during the total test, thereby allowing real time data acquisition. The goal of the presented work is that the device allows both: a precise perpendicular alignment respect to a flat reference surface, and a self-calibration (i.e. no calibration object is employed). Thus, a fringe calibration constant is estimated for each pixel as well as all the required parameters for the in-plane displacement correction. To illustrate the potential of the proposed device, a set of static and dynamic experiments have been conducted using hyperelastic materials. The maximum out-of-plane displacement achieved was 20 mm with an uncertainty of 0,023 mm and an in-plane displacement uncertainty of 0,0083 mm. Results have been compared with those obtained using a commercial three dimensional digital image correlation system showing a very high level of agreement.