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

Abstract

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.