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

espanolDiversas aplicaciones de ingenieria requieren la medida de desplazamientos las tres direcciones espaciales de un objeto sometido a cargas mecanicas, por ejemplo, en pruebas estructurales o en controles de calidad de fabricacion. En la actualidad, se emplea comunmente la tecnica Correlacion Digital de Imagenes (3D-DIC). Esta tecnica utiliza dos camaras que adquieren imagenes del objeto que esta siendo deformado desde diferentes angulos de vision. Las camaras deben estar perfectamente sincronizadas y calibradas para poder llevar a cabo la reconstruccion de formas en 3D y el seguimiento de la posicion de cada elemento de la superficie del objeto mientras se produce la deformacion. El proceso de calibracion de esta tecnica requiere de la adquisicion de una secuencia de imagenes de un objeto de calibracion 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 deformacion mediante una sola camara. El metodo empleado se basa en combinar las tecnicas 2D-DIC y FP para obtener los mapas de desplazamiento medidos en el plano y fuera de este (3D). Este sistema propuesto obtiene dichos resultados a partir de la adquisicion de tan solo una imagen por cada etapa de la deformacion del objeto, lo que permite la adquisicion de datos en tiempo real durante ensayos dinamicos. Uno de los intereses de esta investigacion reside en que el sistema permite una alineacion perpendicular precisa de la camara con respecto a un superficie plana de referencia, y tambien permite la auto-calibracion (no se emplea ningun objeto de calibracion). Ademas, permite la determinacion de una constante de calibracion de proyeccion de franjas para cada pixel, asi como todos los parametros necesarios para la correccion de los desplazamientos medidos en el plano. Para ilustrar el potencial del sistema propuesto, se ha realizado una serie de experimentos estaticos y dinamicos. 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 Correlacion Digital de Imagenes 3D comercial, manifestando un nivel de concordancia muy alto. EnglishIn 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.