Riassunto completo "Sensori e strumenti per misure meccaniche e termiche"

Considerazioni sulla fotocamera

A FOTTOSENSIBILE / AREAA TOTALEE PIXEL 7

Dimensioni della cella di interrogazione

Le dimensioni dell'area interrogata incidono sulla bontà dell'analisi: aree troppo piccole presentano il rischio di non essere univoche, si incorre quindi in errori di rappresentazione. Aree troppo grandi danno una risoluzione di informazione scarsa.

Particelle inseminanti

Si deve scegliere opportunamente l'inseminante in modo che rispecchi la velocità del flusso. Le particelle devono essere piccole per meglio seguire il flusso, ma sufficientemente grandi da riflettere la luce necessaria per essere catturata dalla telecamera.

Errori intrinseci del sistema di misura

Gli errori che possono presentarsi sono di tre tipi: errori periodici, errori di jump e errori di zero bias. Andiamo ad analizzarli singolarmente:

1. La camera CCD registra in punti preferenziali, perciò questo genera un errore periodico: errore sistematico.
2. L'errore di zero bias si verifica quando una particella,

Presente nell'areaErrore di Zero bias:di misura ad un certo istante, non è più presente nell'istante successivo. Chiaramente lo stesso errore si verifica quando una particella entra nell'area di misura solamente al secondo istante di tempo.

L'errore di jump si verifica quando due particelle sovrapposte vengonoErrore di jump:percepite come una sola particella dalla telecamera.

Tecniche di misura 3D della velocità

Con la classica applicazione PIV che abbiamo appena analizzato siamo in grado di rilevare un campo di velocità piano, ovvero possiamo rilevare il vettore di velocità che giace sul piano di misura.

Grazie ad opportune modifiche al sistema classico possiamo realizzare degli strumenti PIV che sono in grado di rilevare tutte e tre le componenti del vettore velocità; in poche parole questi strumenti rilevano il campo di moto tridimensionale.

Possiamo avere due diverse tipologie di sistemi PIV tridimensionali:

• le quali

misurano tre componenti di velocità in due dimensioni

2D3C measurements

le quali misurano tre componenti di velocità in tre dimensioni

3D3C measurements

1Digital Image Correlation (DICC)

La DIC è una tecnica di misura di un oggetto senza contatto, campi di spostamenti e deformazioni dirette. La misura del campo di spostamenti è basata sulla correlazione numerica di immagini acquisite durante l'applicazione di un carico su un qualsiasi sistema oggetto di indagine.

Principali vantaggi della Digital Image Correlation

• Tecnica non distruttiva (non ho contatto tra sistema di misura e misurando)
• Faccile da usare
• Rapida preparazione dei campioni
• Applicabile in corpi ad alte temperature o che si muovono a altissime velocità
• Relativamente poco costosa (rispetto ad esempio alla TSA)
• Possibilità di analizzare completamente

campi di deformazione 2D e 3D

- Accuratezza elevata

- Possibilità di lavorare con distanze considerevoli tra misuratore e misurando

- Non richiede risoluzioni elevate come gli strumenti che impiegano laser utilizzata in molte situazioni diverse

- Può essere utilizzato su tutti i materiali

- Su componenti anche di dimensioni nanometriche

- Combinato con SEM (Scanning Electron Microscopy)

- Versione 2D e 3D (con 2 telecamere)

- Misure di deformazioni su solidi

- Misure di stati tensionali

- Test di fatica meccanica e termica di funzionamento

Principio DIC è una metodologia di lavoro che è alla base della PIV: viene scattata una prima immagine dell'oggetto quando non è presente nessun carico. Successivamente viene applicato un carico che causa deformazioni e spostamenti sulla superficie del campione: questi spostamenti sono visualizzabili andando a ottenere una seconda

Dell'immagine

L'immagine della superficie viene acquisita dal sistema di elaborazione in modalità monocromatica a 256 livelli di grigio.

L'immagine di riferimento e quella di cui sviluppare l'analisi vengono suddivise in finestre di pixel: spesso dette anche costituite da blocchi di posizionamento e analisi celle di interrogazione. Le deformazioni sono calcolate su ogni fotogramma. Per ogni blocco di pixel, ogni finestra d'analisi deve presentare un'alternanza di pixel con vari livelli di intensità di grigio disposti in modo casuale. In questo modo ogni finestra di analisi risulta differente dalle altre e quindi l'algoritmo di confronto riesce bene ad individuare gli spostamenti delle stesse tra un fotogramma ed un altro. La dimensione delle finestre di analisi deve essere scelta tenendo presenti due fattori: il contrasto e la dimensione delle finestre di analisi fra loro. Discretizzerebbero l'intera immagine in blocchi grandi.

otterremmoo oFinnestre tropppo grandiquiindi una basssa accurateezza di immmagine e minnori informazioni sul ccampo di deeformazioniidel misurandoo (se le fineestre sono grandi ho unu minor numeron commplessivo delled stesse,,quiindi ho un minorm numeero di inforrmazioni daato che ho unu dato di ddeformazionne per ogniifineestra).

2- Conn ho pochii pixel su ognio finestraa. Questo immplica il rischio di nonnfinestre trroppo piccooledeffinire le cellle in modo univoco;u coommetterò quindiq errorii nel calcoloo delle defoormazioni.

Anche la deve essere scelta in manniera moltoodimensionee dei puntini che formmano il paatternaccurata.

Consideriaamo ad esemmpio una cellac 3x3 (fformata da 9 pixel). ConC un pattttern troppoo piccolo, aseguito di uuno spostammento, le macchie posssono ancoraa rimanere all’internoa ddei pixel di partenza.p Innquesto moddo in due fotogrammif consecutivvi non vienee evidenziatto spostameento (i toni di grigio diiogni pixel rimangono gli stessi):

Anche se il pattern è troppo grande i pixel costituenti la finestra non cambiano di intensità a seguito del movimento. Non abbiamo quindi una distribuzione casuale omogenea di colorazione e la stima dello spostamento sarà errata.

Supponendo di aver scelto in maniera corretta la grandezza del pattern e delle celle sulla base della risoluzione dell'immagine, andiamo a vedere in che modo i vari fotogrammi vengono correlati e viene calcolata la deformazione.

Il procedimento seguito per identificare gli spostamenti seguiti dal sistema è il seguente:

• Le immagini acquisite sono discretizzate in celle d'interrogazione, su ciascuna il calcolatore applica la FFT (Fast Fourier Transform).
• Si prendono due fotogrammi consecutivi e si applica la cross correlazione tra le loro celle.
• Si identifica lo spostamento della cella tra i due fotogrammi, massimo della correlazione.
• Per ogni

finestra lo spostamento è rappresentato in lunghezza e direzione da un vettore. La correlazione viene ripetuta tra ogni coppia di fotogrammi, finestra per finestra, calcolando un vettore risultante (interpolato).