第三课时-高速摄影技术课件.ppt

高速摄影测试技术与光测力学1什么是高速摄影？什么是高速摄影？人眼的时间分辨能力只有人眼的时间分辨能力只有1/24s1/24s而电影摄影而电影摄影与放映的频率选为与放映的频率选为2424幅／幅／s s，正是利用这一特，正是利用这一特点，点，以不连续的放映使人获得连续的感受以不连续的放映使人获得连续的感受但对于许多对于许多高速运动的物体或瞬变现象高速运动的物体或瞬变现象，受到人，受到人眼时间分辨率的限制，我们无法看清过程眼时间分辨率的限制，我们无法看清过程而高速摄影，能把而高速摄影，能把高速运动现象的发生、发展高速运动现象的发生、发展和运动规律等和运动规律等清晰地展现在人们的面前，是一清晰地展现在人们的面前，是一种有效的记录方式和研究方法种有效的记录方式和研究方法 高速摄影的定义l高速摄影在信息论信息论中的定义为：对于一个人眼无法跟随的高速流逝过程，高速摄影提供了一种耦合的时空信息系列，其中空间信息用图像来表达，时间信息用拍摄频率来表达 l2004年，在美国召开的第26届“国际高速摄影和光子学会议”上，把高速摄影的定义修改为：速度大于128幅／s，可连续获得3幅以上的摄影l但是现在，构成高速摄影的含意远远超过这些普通摄影的范畴，最短的曝光极限也必须不断的修正。

十年前，这个极限为几亿分之一秒；现在为几兆分之一秒或更少，每秒钟每秒钟可连续拍摄6 6亿亿幅画面 多彩的牛奶 炮弹飞出炮膛 苹果被子弹击穿的瞬间 历史l顾名思义，“高速摄影”，就是拍摄速度很快，曝光时间很短的一种摄影方法但是，不同的历史时期，“高速摄影”的概念也是在不断变化的l在摄影技术诞生的初期，由于感光材料的灵敏度很低，拍摄一张照片往往需要曝光数十分钟乃至几个小时，那个时候，凡以秒计的摄影都可算得上“高速”了摄影先驱——亨利·塔尔博特（HENRY TALBOT）l第一次高速摄影是由英国化学家、语言学家及摄影先驱亨利·塔尔博特完成的l1851年，塔尔博特将《伦敦时报》的一小块版面贴在一个轮子上，让轮子在一个暗室里快速旋转当轮子旋转时，塔尔博特利用来自莱顿电瓶（这是一种聚集电荷的容器，就是现在的电容器的前身）的闪光（速度为1／2000秒），拍摄了几平方厘米的原版面最终结果是获得了清晰的图像，它好像是从一种静止的实体上拍下来的，但实际上却是运动中的实体 闪光摄影之父——哈罗德·埃杰顿l埃杰顿的关键之处是意识到了闪光灯与相机一旦结合起来，将会发挥出巨大的潜力 l他的实验与亨利·塔尔博特有类似之处：一部同步发电机的旋转着的转子，只能见到一片模模糊糊的影像。

这次实验的目的，是为了了解这类电机在经受强烈的震动后如何仍然会保持同步埃杰顿根据实验的部分内容，用汞弧整流器加强发电机转子的励磁突然间，埃杰顿发现在汞弧整流器发出的明亮的闪光照耀下，旋转着的转子似乎一直都是静止不动的 l如果能够控制闪光，使之与旋转着的机器同步，就有可能创造出史无前例的奇迹，使运动“凝结”，藉以研究在运动中的高速发电机l在1931年出版的《电气工程》杂志上，埃杰顿正式宣布了他的这一发现l埃杰顿想到，如能控制用以照明被摄者的光线，则比控制快门来得方便，利用这种方法，他甚至能够用普通的相机来凝结非常快速的运动l很快，埃杰顿和几位志同道合者，利用充有水银蒸汽和其他气体的闪光灯，实现了能够产生时间非常短促的闪光灯——短到只有百万分之一秒，亮度超过阳光 l1940年，他应MGM电影制片公司的紧急请求，证明了用来拍电影的摄影速度至少要快到什么程度，使得由该公司制作的一部名为《眨眼之间》的影片夺得了一项奥斯卡金像奖l第二次世界大战期间，他曾指导美军飞行大队怎样使用闪光弹进行夜间空中侦察摄影这项技术后来在1944年的盟军“D日”(6月6日)突袭战中发挥了极大的作用l他还曾为美国原子能委员会发明地一种拍摄核爆炸的方法，拍摄距离可以近到十英里。

目前一些普通的35毫米照相机已具有最高速度可达1／4000秒的焦平面快门，发光时间在1／10000秒到1／25000秒之间的小型电子闪光也比比皆是所以，现在所说的高速摄影起点就是数千分之一秒，在科技摄影领域，曝光时间在几亿分之一秒甚至几兆分之一秒的已不显见，已经诞生了每秒钟每秒钟可连续拍摄6亿亿幅画面的高速摄影机 高速摄影的应用l高速摄影把动作放慢，可以显示肉眼看不见的瞬间动作 科研领域 l高速摄影在科研领域应用非常广泛，常被用作记录分析物体的运动变化，甚至生物器官、微生物、分子的运动  利用高速摄影记录汽车碰撞瞬间各部位的变化以及人体模型的受力状况，可生产出安全系数更高的汽车人们先把碰撞的过程拍摄成电影，然后以很慢的速度放映，以便观察在碰撞期间车身如何变形，从而发现薄弱的部位  工业上也缺少不了这种摄影技术，事实上，由于有了这种技术，人们才能够使一些生产过程得到改善，因为在这些生产过程中，速度是至关重要的比如，在向玻璃瓶中灌饮料时，如果灌装速度过快，就可能导致容器破碎，但如果过程过于缓慢，那么成本就会提高所以，为了看得更清楚一点，获得更科学的设计方案，必须拍一些照片，以显示出生产线上的薄弱环节。

l这是一套用于分析焊接质量的高速摄影系统，利用摄影记录，可以改进生产工艺军事领域 高速摄影能记录肉眼难以分辨的瞬间变化，在军事领域自然也有非常广泛的用途 可以分析爆炸效果 研究不同弹速的破坏效果 子弹速度越快，切割平面越平滑 子弹对不同材质物体的杀伤效果也能通过高速摄影研究出来  2.相应爆破测试技术ð高速摄影机的分类ð按照摄影频率分类 低高速摄影机：24～300 fps 中高速摄影机：300～104 fps 高速摄影机： 104～ 105 fps 超高速摄影机： >105 fpsð按照工作原理和结构形式 间歇式高速摄影机间歇式高速摄影机 光学补偿式高速摄影机光学补偿式高速摄影机 鼓轮转镜式高速摄影机鼓轮转镜式高速摄影机 夹缝式高速摄影机夹缝式高速摄影机 转镜式高速摄影机转镜式高速摄影机 变象管高速摄影机变象管高速摄影机 脉冲频闪光高速摄影机脉冲频闪光高速摄影机 x光高速摄影机光高速摄影机 等等等等ð高速摄影在爆炸测试中的应用 1. 测量炸药爆轰波速度 2. 测量固体中冲击波速度 3. 聚能效应研究 4. 进行沿途爆破研究 例如：例如：鼓包鼓包→→破裂破裂→→向空间抛掷飞散向空间抛掷飞散 不同瞬间只直观图像不同瞬间只直观图像PhotronBLASTER’S RANGER II 辽宁科技大学爆破课题组BLASTER’S RANGER II 爆破高速摄影仪是由国际著名的矿业软件制造商加拿大MREL公司研制，属于专用爆破记录分析仪器。

该设备采用CMOS互补金属氧化物半导体传感器成像，其最大光圈为1.2，最高拍摄速率为每秒1250帧/s，相机最大分别率为800 600，快门最短时间为0.002ms,根据相机拍摄速率和分别率的不同，相机拍摄时间介于7.078~921.433s之间其快速精准的拍摄效果，可以直观的观察分析爆破瞬间过程高速三维数字影像相关性技术HIGH-SPEED THREE-DIMENSIONAL DIGITAL IMAGE CORRELATION HIGH-SPEED 3D DIC)光测力学对各种测量目标的三维测量技术 投影光栅－三维光学光栅测量技术圆点网格－三维摄影测量技术散斑－数字相关测量技术标志点－三维摄影测量技术VIC-3DVIC-3D 非接触式全场形变测量系统非接触式全场形变测量系统原厂: Correlated Solutions Inc.美国南卡罗来纳州数字影像相关性技术(Digital Image Correlation, DIC)的原创者Vic-2D/3D全场位移及形变量测系统最先进演算技术参考客戶:NASA, Bridgestone, Goodyear, 3M, BMW, DaimlerChrysler, Airbus, Eurocopter, Bayer, MIT, USC, Purdue, Los Alamos National Labs, Army Research Lab, Wright Patterson Air Force Base…l非接非接触触式量式量测测-影像量测技术-使用白光照明-不需感应器粘贴-不受表面材质的影响-快速准确-与传统方式可比较l三三维维量量测测-三维座标量测(X,Y,Z)-面内变形(in-plane),面外变形(out-of-plane)-一次得到变形在XYZ各方向的分量(U,V,W)-应变计算 (exx,eyy,exy,e1,e2)-可计算曲率及速度l全全场场量量测测一次取得成千上万数据点可分析应变或位移的空间分布表面轮廓量测微米到几十米的试件均可量测室内、室外可同时记录拉伸力、温度、压力…等外部参数静态、动态、高速、显微、高温变形量测可消除刚体位移2D contour图形输出, 3D contour图形输出, 动画输出, 剖面曲线绘制, Stress-strain curve, Poisson ratio, COD试件表面灰阶特征(斑点特征,speckle pattern)数字摄影取得变形前后影像选取一子窗格内的特征，做变形前后的影像比对，推算出子窗格的位移依此类推，选取下一个子窗格，以获得全场变形位移的数据，每一子窗格代表一资料点，等同点上一片虚拟应变片3D3D表面重构表面重构 -双CCD镜头定出远近 -三角定位 -校正取得11个参数 -试件表面座标化(x, y, z)待测物表面处理镜头对准及对焦校正量测影像分析结果呈现位移解析度0.01像素in-plane，0.02像素out-of-plane实体位移解析度与”CCD像素”及”镜头视野”有关应变解析度0.01% local，0.005% global应变量测范围0.01%  2000%Example:2M CCD相机(1600 x 1200)，160mm x 120mm试件实体位移解析度:(160mm/1600pixel) x 0.01pixel = 0.001mm=1μm系系统规统规格格(Vic-3D)(Vic-3D)Vic-3D分析软体Vic-snap影像摄取及控制软件工业用1394b黑白CCD(2M、5M、15M pixel)光学镜头(12mm、25mm、50mm、75mm等，可以客户选择搭配)四通道类比资料截取器(DAQ)四核心电脑卤素照明灯固定架校正板可选模块可选模块可选模块可选模块振振动动模模组组( (含相位同步含相位同步装装置，最高置，最高10kHz10kHz振振动动) )高速模高速模组组( (含高速相含高速相机机，最高可，最高可达达每秒一百每秒一百万张万张) )显微显微模模组组( (含光含光学显微镜头学显微镜头及及distortiondistortion修正模修正模组组) )Vic-Gauge(Vic-Gauge(软件软件及及CCDCCD相相机机，，2D2D多多点点即即时应变监测时应变监测) )表面轮廓量测(逆向工程…)材料机械性质(拉伸、压缩、弯曲…)疲劳测试(找出应变集中点、焊接处应变…)元件测试(齿轮、轮胎…)有限元素模拟比对(FEM、CAE)生物力学实验(骨骼、生物材料…)结构变形量测(机器、車辆、土木结构…)可靠度测试(3C产品、主机板…)冷热变形(IC封裝、PCB板…)振动、转动实验(机翼、喇叭、轮胎…)冲击实验(产品落摔、汽车撞击、子弹穿透…)显微量测(生物組织、MEMS、SEM…)表面轮廓量测表面轮廓量测材料拉伸试验材料拉伸试验材料拉伸试验材料拉伸试验 - -应应力力- -应变曲线应变曲线 ( (杨杨氏氏模量模量) ) - -COD (crack opening displacement)COD (crack opening displacement) - -柏松比柏松比 (Poisson(Poisson’’s ratio)s ratio) - -应变应变分佈分佈 - -裂裂缝缝成成长长eyyexxCOD齿轮试验剪应变齿轮试验剪应变齿轮试验剪应变齿轮试验剪应变exx手机受力主受力主应变应变e1e1分布分布机构可靠度试验机构可靠度试验机构可靠度试验机构可靠度试验 应应力、扭力、振力、扭力、振动动、落摔、、落摔、冷热冲击冷热冲击 应变应变集中集中点点 应应力力- -应变应变 曲曲线线 负载负载应应力力应变应变集中集中疲疲劳劳裂裂缝缝破破坏坏 过载过载永久形永久形变变压缩压缩eyyeyy手机落摔落摔, ,永久形永久形变变(125cm(125cm高高, 6, 6次落摔次落摔), ), eyyeyy手冷热冲击机冷热冲击, ,永久永久变变形形(36(36次次冷热循环冷热循环),eyy),eyy稳态振动稳态振动稳态振动稳态振动相位同步相位同步( (用慢速用慢速CCDCCD量量测测快速振快速振动变动变形形) )NASANASA试验试验落摔主应变落摔主应变高速拉伸试验高速拉伸试验非接触式应变量测全场式应变量测三维应变量测三维位移量测三维座标定位三维表面轮廓量测各种应变曲线量测应变集中点找寻动静态量测有限元素模拟验证应用实例（北京理工大学提供）2014年6月27日，-140m水平清渣爆破试验中采用3D DIC技术精确分析爆区前排孔最小抵抗线信息如图1所示。

根据软件分析结果显示：前排孔中，1号孔的抵抗线稍微偏小于设计值，6号的抵抗线与设计值有较大出入，且小于设计值1.5米根据分析结果，对现场调现场装药量进行了相应的调整炮孔位置定位应用实例（北京理工大学提供）谢谢！67。