Q400 - DIC Systeme zur flächenhaften Messung von Verformung, Verschiebung und Dehnung

2D und 3D Bildkorrelationssysteme für statische und dynamische Anwendungen

Mit dem Q400 Messsystem wird die 2D und 3D Deformationsanalyse präzise, schnell und anwenderfreundlich durchgeführt. Das flächenhaft und berührungslos messende System arbeitet nach dem Prinzip der Digitalen Bildkorrelation (DIC = Digital Image Correlation) und misst ortsaufgelöst 3D Koordinaten, 3D-Verschiebungen und die Oberflächendehnung. Die Ergebnisse werden anschaulich dargestellt und liefern einen hohen Mehrwert gegenüber Dehnungsmessstreifen (DMS) und taktilen Sensoren. Das modulare Q400 System zeichnet sich durch hohe Flexibilität aus und kann damit für verschiedene Messaaufgaben eingesetzt werden.

Die Messsoftware Istra4D bestimmt zu jedem Messwert (Verschiebung, Deformation, Dehnung, 3D Koordinaten, etc.) auch die dazugehörige Messgenauigkeit als Qualitätsmaß.
Durch die speziellen DIC-Algorithmen kann Istra4D das Dehnungsfeld besonders gut auflösen und damit lokale Effekte z.B. an einer Rissspitze mit maximal hoher Ortsauflösung erfassen.
Über einen besonderen Cluster-Ansatz lassen sich bis zu 16 Kameras in einem Q400 System verwenden wodurch eine bessere Oberflächenabdeckung bei komplexen Bauteilgeometrien und eine höhere Meßgenauigkeit erreicht wird.

Q400 - Messsystem Bildkorrelation für die 3D Deformationsanalyse bei Materialprüfung und Bauteilprüfung

Flexibler Dehnungssensor für ein breites Anwendungsspektrum

Bildfelder von ca. 1x1mm² bis 10x10m²

Einfache Bedienung und vollautomatische Kalibrierung in 20 Sekunden

Die Mehrkamerasysteme liefern einen großen Mehrwert

Integrierte Anwendungsmodule für automatisches Post-Prozessing

Zertifizierbar nach ISO9513 bzw. VDI/VDE2626

Modular von 1 bis 16 Kameras

Die Q400 Systeme sind modular und werden je nach Anwendung mit einer Kamera, als Stereosystem mit 2 Kameras oder als Mehrkamera-System mit bis zu 16 Kameras ausgestattet. Die Kamerauflösung, Bildrate und Schnittstelle werden nach der jeweiligen Anwendung definiert.

Mit einer Kamera können 2D-Bewegungen und Dehnungen an ebenen Bauteilen gemessen werden.
Stereosysteme mit 2 Kameras basieren auf dem Prinzip der Photogrammetrie und liefern 3D Koordinaten, 3D-Verschiebungen, 3D Verformungen und die entsprechenden Oberflächendehnungen an jedem Oberflächenpunkt. Durch die 3D-Messung liefern Stereosysteme eine höhere Messgenauigkeit als ein DIC System mit nur einer Kamera.
Eine Besonderheit stellen die Q400 Systeme mit 3 Kameras: Q400-Triple-Systeme liefern gegenüber den klassischen Stereosystemen eine bessere Sichtbarkeit (Oberfächenabdeckung) und eine höhere Messgenauigkeit.
Die Systeme mit 4 Kameras liefern simultan Messdaten auf der Vorder- und Rückseite einer Zugprobe und auch die Dehnung in Dickenrichtung.
8 Kameras werden eingesetzt für die 360° Rundum-Messung bei einer zylindrischen Probe.
Durch den innovativen Q400-Cluster-Ansatz werden alle Kameras automatisch in ein gemeinsames Koordinatensystem kalibriert und die Messergebnisse werden im gemeinsamen Koordinatensystem berechnet.

Eigenschaften

Ortsaufgelöste Messung von 3D Koordinaten, Verschiebungen und Dehnungen
Modulares Hardware Paket mit Kamera, Objektiv, Beleuchtung, Stativ etc.
Modulares Software Paket mit Bildaufnahme, Auswertung und Visualisierung
Darstellung der Messwerte als 2D Bildüberlagerung oder als 3D Modell
Vollautomatische Kalibrierung mit Echtzeit-Tracking und Qualitäts-Angabe
Leistungsfähige Integration von hochauflösenden Kameras und Hochgeschwindigkeitskameras
Die erreichte Messgenauigkeit wird für jede Messgröße und jeden Messpunkt angegeben und gibt dem Anwender Datensicherheit
Synchronisierte Bildaufnahme mit bis zu 8 analogen Eingangssignalen
Benutzerdefinierte Koordinatensysteme
Open-Source Datenformat HDF5 erlaubt den direkten Daten-Zugriff aus Matlab, Scilab, etc.
Programmierbare Bildaufnahmeprozeduren zur Realisierung von komplexen Aufnahmeprozessen

Mittels Q400 gemessene Dehnung auf einer Wasserrohrzange

Messergebnis einer flächenhaften Dehnungsmessung an einer Wasserrohrzange. Durch die Belastung beim Zusammendrücken werden die roten Bereiche auf Zug und die blauen Bereiche auf Druck belastet.

Technische Spezifikationen

Systemvariante	Eigenschaft	Anwendung
Q-400-2D	2D-DIC "Einsteigersystem" mit einer Kamera.	Messung an flachen Proben
Q-400-3D	3D-DIC Stereo-System	Messung an beliebigen Objektgeometrien
Q-400-EDU	3D-DIC System für Bildungseinrichtungen	Flexibles System für den Einsatz in der Lehre und in Praktika
Q-400-TRIPLE	3D-DIC System mit 3 Kameras	Bessere Messgenauigkeit als mit 2 Kameras erreicht Bessere Oberflächenabdeckung bei komplexen Oberflächen
Q-400-4CAM	3D-DIC System mit 4 Kameras (2x 2 Kameras)	Für die Messung der Dehnungsverteilung auf Vorder- und Rückseite sowie von Dicke, Dickenänderung und Volumen bei der Materialprüfung
Q-400-MultiCAM	Mehrkamera-System mit bis zu 16 Kameras	Bessere Oberflächenabdeckung bei komplexen Oberflächen 8 Kameras für die 360°-Messung bei zylindrischen Objekten
Q-400-µDIC	DIC System mit Stereomikroskop	Messung an kleinen Bildfeldern (ca. 0,5 x 0,5mm bis 17x17mm)
Q-400-Vibro	Q400 kombiniert mit unserem Strobe-CAM Trigger	Für Schwingungsmessung/Modalformen bei periodischer Anregung
Q-450	System mit Hochgeschwindigkeitskameras	Für dynamische Anwendungen und für Vibrationsmessung bei nicht-periodischen Anregungen

Durch das modulare Konzept können die Systeme um zusätzliche Kameras erweitert werden.

Eigenschaften (abhängig von der gewählten Hardware):

Messfeldgrößen	1mm² bis 100m²
Genauigkeit für 3D-Bewegung	0,01 Pixel (entspricht 1µm bei 1MPixel-Kamera und 100x100mm Messfeld)
Genauigkeit für Dehnung	50 µstrains (=0.005%) bei Messung mit hoher Ortsauflösung 5 µstrains als Extensometer
Dehnungsmessbereich	1µstrain bis 1000%
Kameraauflösung	0,3MPixel bis 65MPixel Die Q400 Systeme können aus einer großen Auswahl an Kameras ausgestattet werden: Standardsystem: 12MPixel bei 30 Hz Bildrate (USB3)
Bildaufnahmerate	Statische Systeme: z.B. 12MPixel@30Hz (USB3), 24Mpixel@50Hz (10GigE) Midspeed-Systeme: z.B. 5MPixel@700Hz (CoaxExpress), 16MPixel@285Hz (CoaxExpress), 25MPixel@150Hz (CoaxExpress) Highspeed-Systeme: bis 2.000.000 Bilder/s bis 8MPixel Auflösung
Kameraschnittstellen	GigE, USB3, 10GigE, Coax-Express
Echtzeit-Auswertung	Optionales Softwaremodul

Anwendungen

Das Anwendungsspektrum der Q400-Systeme ist sehr breit gefächert und nur begrenzt durch folgende Voraussetzung:

die zu messende Bauteiloberfläche muss optisch zugänglich sein
auf der Oberfläche muss ein natürliches Muster vorhanden sein oder ein "Specklemuster" aufgebracht werden können

Es kann auf nahezu allen Materialen gemessen werden: Holz, Metalle, Kunststoffe, (Metall)-Schäume, Gummi, Verbundmaterialien (Composites), Papier, u.v.m.

Typische Einsatzgebiete:

Materialprüfung zur Bestimmung von Materialparametern wie E-Modul, Poisson-Zahl, Bruchdehnung, u.v.m.
Bauteilprüfung: Komponententests, Festigkeitsprüfung, Tests in Belastungsrahmen, Prüfständen, Temperaturkammern, Zugprüfmaschinen
Validierung von FEM-Simulationen
Rißdetektion, Rißöffnung, Rißwachstum
Delaminationsversuche
Bruchmechanische Untersuchungen
Dynamische Tests: Crashtests, Fussgängerschutz, Airbagprüfung, Schnellzerreissversuche
Vibrationsmessung, Schwingungsprüfung, Modalformanalyse
Ermüdungsversuche, Zeitstandversuche
Messung von Wärmeausdehnungskoeffizienten

Zur Liste von wissenschaftlichen Veröffentlichungen bei denen das Q400-System eingesetzt wurde.

Anwendungsbeispiel-Kategorien:

Deformationsanalyse & Bauteilprüfung

Dehnungsmessung

Materialprüfung

Schwingungsanalyse

Messprinzip DIC (Digitale Bildkorrelation / Grauwertkorrelation)

Das Q400 System arbeitet nach dem Prinzip der Digitalen Bildkorrelation (DIC = Digital Image Correlation):
Eine oder mehrere digitale Kameras zeichnen den Verformungsvorgang auf. Die Objektoberfläche verfügt über ein stochastisches (natürliches oder präpariertes) Muster ("Specklemuster"). Die Bilder werden automatisch mittels subpixelgenauer Bildkorrelationsalgorithmen (Grauwertkorrelation, digitale Bildkorrelation) ausgewertet. Dabei wird das lokale Oberflächenmuster in den Kamerabildern präzise zugeordnet.

Mustererkennung

Beim Bildkorrelationsverfahren wird das Grauwertmuster ("Specklemuster") in kleinen Nachbarschaftsumgebungen ("Subset" oder "Facette"), hellblau in der Abbildung eingezeichnet) in den aufgezeichneten Kamerabildern verfolgt und die Verschiebung zum Ausgangszustand subpixelgenau mittels Mustererkennungsverfahren (=Bildkorrelation) gemessen.

Messprinzip der digitalen Bildkorrelation - Deformation der Subsets

Referenzzustand vs. Verformter Zustand

Ortsaufgelöste Messergebnisse

Bei der Auswertung von Bildern und Bildsequenzen mit digitaler Bildkorrelation wird die Verschiebung und Verformung der Bauteiloberfläche an jedem Kamerapixel gemessen. Die daraus gewonnenen flächenhafte Information ist sehr aussagekräftig.

Die Abbildungen zeigen das Specklemuster eines Bauteils vor und nach der Belastung sowie die daraus berechnete Dehnung.

Ausgangszustand	Endzustand	Dehnungsverteilung
		Hauptdehnung E1 der Bildsequenz als Animation.

3D-Bildkorrelation mit 2 Kameras

Bei der 3D-Bildkorrelation werden während der Objektverformung Stereobilder mit zwei Kameras aufgezeichnet. Aus der Stereo-Korrelation zwischen linkem und rechtem Kamerabild wird die Geometrie und die Lage des Objektes für jeden Verformungszustand gemessen. Die zeitliche Korrelation erlaubt die Bestimmung der 3D-Verschiebung und 3D-Verformung des Bauteils. Die beiden Specklebilder sind zeitgleich mit der linken und rechten Kamera eines Stereosystems aufgezeichnet.

Messung der 3D Bauteilgeometrie durch Stereokorrelation

3D-Geometrie durch Stereokorrelation

Zeitverlauf

Aus der zeitlichen Korrelation der Stereobilder einer Sequenz werden die 3D Verschiebungen und Verformungen sowie die Oberflächendehnungen zum Referenzzustand berechnet.

Ortsaufgelöste Messung der Oberflächendehnung an einem Flügel beim Biegeversuch mittels Bildkorrelationsverfahren

Dehnungsberechnung durch Stereokorrelation und zeitliche Korrelation.

Software

Software

Funktionalität

Istra4D

Modulare Software mit integrierter

Kamerasteuerung
Echtzeit-Kalibrierung
Bildaufnahme
Auswertung

Import und Export von externen Bildquellen (z.B. von Hochgeschwindigkeitskamera, Mikroskop)

Visualisierung der ortsaufgelösten Messergebnisse als 2D-Farboverlay oder als 3D-Darstellung

Datenanzeige an Punkten, Linien, Polygonlinien sowie kreisförmigen und polygonförmigen Bereichen

Definition von "virtuellen Dehnungsmessstreifen"

Definition von "virtuellen Extensometern" mit definierbarer Länge

Diagrammdarstellung von zeitlichen Verläufen und Polygonschnitten

Vielfältige Möglichkeiten des Datenexports (ASCII, STL, HDF5)

Erzeugung von AVI-Videos und Bildexport der Ergebnisbilder

Integrierte Auswertemodule (Skripting)

Automatische Berechnung von komplexen Messgrößen
Erzeugung von Ergebnisdiagrammen
Im Lieferumfang sind vielfältige Auswertemodule z.B. für die Bestimmung von Materialparametern
Einfache Anpassung der Auswertemodule durch den Anwender oder LIMESS

Software-Downloads

Datenblätter:

Q400 Flyer Deutsch

Download

Veröffentlichungen:

Q400 Multi-Kamera-DIC

Download

Q400 - Mehr Kameras für mehr Nutzen

Bildkorrelation, Dehnungssensor und Dehnungsmessung in der Industrie

Die Bildkorrelation bzw. digital image correlation ist ein bewährtes Verfahren zur Messung kleinster Verschiebungen und Dehnungen. Sie beruht im Allgemeinen auf der digitalen Bildanalyse einer Reihe von Bildern, die während der Verformung des zu untersuchenden Objekts aufgenommen wurden, mit dem Ziel, Bereiche mit ähnlichem Aussehen in verschiedenen Bildern zu identifizieren. Mit diesem Verfahren können sehr kleine Verschiebungen gemessen werden, die mit anderen Mitteln nicht feststellbar sind.

Dehnungsmessung im Überblick

Es gibt viele verschiedene Arten von Dehnungssensoren, jeder mit seinen eigenen Vor- und Nachteilen. Der häufigste Typ ist der piezoelektrische Dehnungssensor, der mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Andere Arten von Dehnungssensoren sind Bragg-Gitter-Sensoren aus optischen Fasern und Sensoren aus Kohlenstoffnanoröhren.

Bei der Dehnungsmessung werden die Größe und die Richtung der Objekverformung gemessen. Dies kann durch direkte oder indirekte Methoden geschehen. Bei der direkten Methode wird die Verformung direkt mit einem Messgerät wie einem Mikrometer oder einem digitalen Messschieber gemessen. Bei der indirekten Methode wird die Verformung aus anderen Messungen abgeleitet, z. B. aus Änderungen der Länge, Breite oder Dicke.

Die Dehnungsmessung wird in vielen verschiedenen Branchen zur Qualitätskontrolle und Überwachung eingesetzt. Besonders wichtig ist sie in der Automobilindustrie, wo sie zur Überwachung des Herstellungsprozesses von Autoteilen und zur Sicherstellung der Einhaltung von Sicherheitsnormen eingesetzt wird. Auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie wird die Dehnungsmessung eingesetzt, um Flugzeugteile während der Herstellung und Prüfung zu überwachen.

Häufig sicherheitsrelevant: Dehnungsmessungen, Bildkorrelation und Co.

Bildkorrelation, Dehnungssensor und Dehnungsmessung sind allesamt unverzichtbare Werkzeuge in vielen Branchen. Mit ihrer Hilfe können Ingenieure und Techniker die Qualität der Produkte, Maschinen und Konstruktionen und damit auch die Sicherheit der Anwender und Nutzer gewährleisten.