为从数字图像相关方法得到的含噪位移场中提取到光滑、准确的应变场，引入移动最小二乘（MLS）拟合方法进行计算。针对MLS拟合方法对大量数据求解困难且求解不稳定的问题，提出逐点移动最小二乘（PMLS）拟合方法进行改进，以提高计算效率和稳定性。采用PMLS拟合方法对模拟实验在连续位移场和不连续位移场两种情况下拟合的应变场精度和可行性进行分析和验证，进而获取连续位移场实验和带裂缝实验两组实测数据图像的应变场。将PMLS拟合方法与经典的逐点最小二乘（PLS）法和MLS拟合方法进行对比。结果表明：所提方法的精度较PLS法得到有效提高，且在窗口较大时可提高16%以上；计算效率较MLS法提高27倍以上，并显著提高MLS法的稳定性；对于不连续位移场，能够有效解决不连续区域出现应变值失真的问题，证明了对不连续位移场的适用性。

在数字图像相关方法中,光噪声和电子设备噪声等因素会影响应变场的计算精度。基于单点的冗余应变信息提出利用概率密度函数或者构造指数权重函数,通过加权求和逐点抑制应变场中的噪声。将该方法运用于逐点最小二乘法识别了模拟数字散斑图像仿真实验,带孔板拉伸实验和带裂缝的钢筋混凝土柱的受弯实验的应变场。结果表明:相较于经典的逐点最小二乘法,在均匀变形情况下,本文方法能够有效提高应变场精度;当两个方法获得相同精度的应变场时,本文方法的计算速度提高了65%以上;在裂缝附近,本文方法能够获得更可靠的应变值,适用范围更广;相较于基于正则化平滑的有限单元应变方法,本文方法的计算精度更高,而且计算速度更快。

针对基于数字图像相关(DIC)技术测量非均匀变形的应变方法需人为选择参数且精度受参数选择影响较大的问题,基于对偏最小二乘(PLS)方法和正则多项式平滑(RPS)方法的误差分析,提出了一种基于DIC的自适应应变场计算方法。该方法通过搜索给定参数范围内的最小总误差参数组合,用最佳参数得到精度较高的应变场,且测量结果受变形场类型的影响较小。模拟实验结果表明,本方法的计算精度接近最佳参数下的PLS方法,有效解决了PLS和RPS方法的最优参数选择问题。

数字图像相关(DIC)法是一种非接触式的全场变形测量方法。三维DIC系统突破二维DIC系统对试验件表面为平面的要求,通过双目或多目相机系统获得试验件表面的三维位移场数据。通过建立局部子区拟合最小二乘平面,将三维空间曲面上的离散点投影到二维平面内,再利用Savitzky-Golay滤波器拟合求解局部应变张量。利用三维DIC法,实现了自由曲面试验件应变场的表征。重点研究了小平面投影算法的误差,结果表明,投影过程导致的应变场计算误差远小于位移场误差的传递量;当应变子区半径M=5时,应变场误差约为30 με;当M=10时,应变场误差约为10 με。

受离面刚体位移的影响,普通二维数字图像相关(DIC)方法测得的应变结果往往精度较差。基于双45°双反射镜成像技术,提出了一种改进的二维DIC方法来提高应变测量精度。利用双反射镜成像,将试样正反面散斑图案记录到同一张图像中,对左右图像中对应点的应变取平均值,可自动消除试样离面刚体位移的影响,获得准确的全场应变。开展了两组拉伸实验来验证该方法的可行性。实验结果表明:对于均匀变形,由改进的二维DIC方法得到的双向应变与电测法的结果相吻合;对于非均匀变形,得到的结果与有限元法结果相一致。因此,本文提出的二维DIC方法具有较高的应变测量精度,是一种便捷、有效、高精度的应变测量方法。

数字图像相关法测量具有非接触式、全场测量、结构简单等优点而得到广泛研究和应用。传统的应变场计算方法以位移场局部最小二乘拟合过程为核心, 使用全场统一的子区大小进行计算。在非均匀变形测量过程中, 这种计算方式存在较大的算法误差。较大的应变子区会使局部的变形梯度平滑, 而较小的应变子区不能对位移场误差进行有效地抑制。因此, 根据位移场局部梯度强度提出了一种位移场修正和动态选择应变计算子区大小的方法, 并且模拟生成散斑图像进行仿真。结果表明：所提方法有效降低了数字图像相关法在非均匀变形测量过程中的计算误差, 同时系统精度也得到提升。基于位移场局部梯度强度的动态子区选择算法原理简单, 计算准确度高。

光纤传感技术以其抗电磁干扰、 高精度、 易组网等优势在航空航天及地下工程领域的声发射传感中得到了广泛应用。 针对光纤光栅声发射监测系统, 目前研究侧重于均匀光纤光栅的动态应变场传感特性, 基于相移光纤光栅(phase-shifted fiber Bragg grating, PS-FBG)这一新型光纤光栅器件, 重点研究声发射激励产生的动态应变场下相移光纤光栅的光谱特性变化规律。 首先利用传输矩阵理论, 建立PS-FBG的动态应变传感模型, 利用指数衰减的余弦函数模拟声发射激励产生的动态应变场。 通过数值仿真, 详细研究PS-FBG光谱对动态应变场幅度、 采样时刻、 衰减系数、 声发射频率及波长的响应特性。 结果表明, PS-FBG反射谱形状随声发射频率与采样时刻呈现周期性变化, 具体表现为透射窗口所对波长产生周期性漂移, 而带宽变化不明显； 随着动态应变场幅值越大, PS-FBG反射谱的谐振峰向两侧逐渐增多, 透射窗口所对波长漂移很小； 一定范围内衰减系数对PS-FBG光谱影响较大； 而当声发射波长为0.1～2 L时, 对PS-FBG光谱产生较大影响, 此时光谱畸变较严重, 在此范围外, 光谱形状不发生明显变化。 最后, 搭建连续信号激励下的动态应变场实验平台, 分析不同幅度a与频率f变化下PS-FBG的光谱特性, 实验结果与仿真结果较好吻合。 表明PS-FBG光谱对不同声发射激励产生的动态应变场响应不同, 呈现一定规律性, 该研究为基于相移光纤光栅传感技术的声发射传感提供理论指导。

为了快速动态测量树脂基复合材料内部的受力变形情况, 利用光学干涉谱域相位对照B扫描方法, 对存在孔洞缺陷的树脂基复合材料样件内部的离面位移场和应变场进行了测量。分别对机械载荷和热载荷作用下的复合材料样件进行了弯曲变形和热变形实验, 然后对实验中得到的相位差数据进行解卷绕, 计算得出了材料内部的离面位移场分布和应变场分布。实验显示: 得到的结果能够清晰反映复合材料内部缺陷周围受力变形的动态过程, 观测到的材料应力集中区域的位移和应变明显大于完好部分, 透视得到了测量材料表层以下1 mm连续深度的变形情况。该方法能够实现亚微米级的位移场测量精度, 并可对材料的变形过程进行动态测量, 是一种进行材料力学特性分析的有效手段。

针对常用电阻应变片法的点测结果不易反映构件表面应变场分布的问题, 将光弹性贴片方法应用于材料表面应变场测量。制作了光弹性贴片, 并标定光弹性贴片的材料条纹值, 通过几种典型形状光弹性贴片试件的加载实验掌握应力场分布的条纹图像判读方法。开展光弹性贴片在简支钢梁的应变场测量应用, 在薄弱点位置光弹性贴片法相比电阻应变片法应变值偏差在5%以内。对C30混凝土试块进行4.4 MPa～39.6 MPa的应力加载过程中, 有效监测到混凝土表面裂缝产生、稳定扩展及失稳破坏过程中的条纹图像变化过程。实验表明, 光弹性贴片方法可以直观可靠地测量金属及混凝土的表面应力场变化。

采用传输矩阵法系统研究轴向非均匀应变场下相移光栅光谱特性, 对均匀应变、 线性应变、 二次应变以及三次应变分布下相移光栅反射谱进行仿真, 分析应变分布函数各项系数对反射率、 通透带宽、 透射窗口对应波长以及光谱形状的影响, 并得出规律性结论。 基于不同形状悬臂梁组建应变调谐实验装置, 利用有限元法计算固定于不同形状悬臂梁表面相移光栅栅区应变分布, 结合数值计算结果进行相移光栅应变调谐实验, 研究相移光栅栅区轴向在均匀应变场、 线性应变场以及二次应变场下相移光栅的反射光谱, 实验结果表明在不同应变场下相移光栅反射谱呈现规律性变化, 与仿真结果很好吻合。