一种高温三维数字图像相关测量系统及其测量方法技术方案

本发明专利技术一种高温三维数字图像相关测量系统及其测量方法，它包括数字摄像机、成像镜头、带通光学滤波片、单色照明光源、标定板、由三角架、导轨和平移台组成的支座系统以及用于数字图像采集和分析处理的计算机；其测量方法有五大步骤。本发明专利技术在数字摄像机的成像镜头前安装带通光学滤波片，它有效减小高温物体热辐射对摄像机采集图像亮度增强的影响。测量采用照明波长位于带通光学滤波片带通范围内的单色照明光源照明被测物体。本发明专利技术可获得表面温度超过５００℃的高温物体表面的清晰图像，该图像可被三维数字图像相关方法直接分析处理，从而获得高温物体表面的三维形貌以及力、热载荷作用下的三维变形场。它结构紧凑、操作方便、适用范围广、测量精度高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于高温物体表面三维形貌及力、热载荷作用下的全场三维变形 测量的高温三维数字图像相关测量系统及其测量方法，属于光测力学、工程材料力学性能 测试、构件变形和位移测试技术等领域。
技术介绍
近年来随着航空航天、能源工程等领域的迅速发展，各种材料在高温环境下的应 用越来越广泛。如高超音速飞行器材料、航空发动机中的零构件、高压蒸汽锅炉、发电厂的 高温管道、汽轮机以及化工炼油设备中的许多材料和构件等都要求一定时间或长期在高温 环境下工作。一般来说，高温对材料或结构的影响主要集中在如下两个方面1)温度会影 响材料的物理性能和力学性能。例如材料的高温力学性能不同于室温，因而测定这些材料 在高温环境下的力学参数(如弹性模量、强度极限和热膨胀系数等)对于材料和结构的安 全设计、可靠性评定以及寿命预测都具有重要意义；2)温度会使构件的几何形状发生改变 (即产生热变形)，使高温下构件的几何形状偏离理想的设计状态从而影响构件原有的工 作状态。在对材料的高温力学性能进行测试时，由于载荷可通过与高温环境箱配合的材料 力学试验机直接获得，因此如何精确测量被测物体在高温环境下的表面变形就成为材料高 温力学性能测试中最为关键的问题。此外，直接测量由温度变化引起的热变形对于材料的 热膨胀系数测定以及确定构件在热变形后的形状也至关重要。已有的高温物体变形测量技术可分为接触式和非接触式两大类。接触式的高温物 体变形测量方法主要是通过高温电阻应变片来实现，测量时需将高温电阻应变片用高温无 机胶粘贴在试件表面。作为一种逐点测量方法电阻应变片只能测量所粘贴局部区域的平均 线应变。由于电阻应变片对环境温度变化较敏感，环境温度变化会使电阻应变片产生虚假 应变，因此在用电阻应变片对高温物体表面变形进行测量时必须要对进行温度补偿，另外 还需特别注意对应变片材料和被测物体材料之间的热膨胀系数的差异，并对其进行补偿。 总而言之，用高温电阻应变片测量高温物体表面变形时只能测量应变片粘贴区域的局部平 均应变，且测量过程较为繁琐、影响测量精度的因素较多。由于光学测量方法可在不改变被测物体表面力学性能的情况下对其表面高温变 形场进行非接触式测量，测量精度高且受物体表面温度的影响较小，因此高温变形的光学 测量技术是实验力学中的重要研究方向。目前已有的高温全场变形测量光学方法有基于相 关光波干涉原理的云纹干涉方法、电子散斑干涉方法以及非干涉的数字图像相关方法等。 云纹干涉方法测量高温物体表面变形前需在被测物体表面转移粘贴高温光栅。测量过程中 用激光对称照射光栅，从光栅上衍射出的光波相互干涉形成干涉条纹，该干涉条纹包含了 被测物体表面的变形信息。利用云纹干涉法测量高温变形对高温环境下的使用的粘贴胶和 高温光栅(清华大学高温全息光栅及其制造方法，中国专利申请93106837. 1)自身形变都 提出了很高的要求。电子散斑干涉方法也是基于激光光波的干涉原理，它利用对称入射的 激光照射被测物体表面，变形前后物体表面漫反射光波形成的散斑场相减则获得包含物体3表面变形信息的条纹图。云纹干涉法和电子散斑干涉法的测量灵敏度高，并且有测量结果 直接可视的优点，但这些方法的测量系统、测量原理和测量过程较为复杂且对测量环境要 求苛刻，因此测量通常只能在实验室暗室中的光学隔振平台上进行。且一般只能对平面物 体的表面变形进行测量，因此在实际复杂形状物体的高温变形测量上有较多限制。三维数字图像相关方法是光测力学中的一种先进的全场变形测量方法，利用被测 物体表面随机的灰度分布(又称散斑图)作为变形信息载体，三维数字图像相关方法可对 平面或曲面物体表面形貌和各种载荷作用下三维变形场进行精确测量。该方法的基本原理 是利用两个摄像机从不同角度对被测物体表面成像，测量过程中首先对双目立体视觉模型 进行标定获得两个摄像机的内外参数，然后直接利用二维数字图像相关方法中的匹配算法 得到左右两幅图中对应点的视差。从各点的视差数据和已获得的标定参数则能重建被测物 体表面各点的三维坐标。通过比较施加载荷前后测量区域内各点三维坐标的变化，则能得 到全场的三维位移分布。作为一种代表性的非干涉全场光学测量方法，三维数字图像相关 方法相对于上述的云纹干涉法和电子散斑干涉法，具有以下突出优点1)利用两个相机直 接对被测物体表面成像，测量系统和测量过程简单；2)采用白光照明，无需激光光源，对测 量环境和隔振要求低，可用于现场测量；3)直接获得被测平面或曲面物体表面形貌和全场 三位变形。当用三维数字图像相关方法测量高温物体表面变形时，当被测物体表面温度高于 500°C时会辐射出可被摄像机感光芯片接收的光波，从而造成摄像机所采集图像的亮度显 著增强，湮灭了原有的作为变形信息载体的散斑颗粒的灰度并降低图像的对比度，使加高 温后被测物体表面图像与初始图像的相似程度大幅降低，造成所谓的“退相关效应”(如图 1所示)。图1为采用普通光学成像系统拍摄的不同温度下铬镍奥氏体不锈钢试样表面的 四幅数字图像(a)20°C，(b)400°C, (c)550°C和(d)600°C。这种退相关效应会导致已有的 三维数字图像相关方法中的匹配算法失败。由于普通光学成像系统的固有缺陷，目前的三 维数字图像相关方法不能对表面温度高于500°C的高温物体表面的三维形貌以及力、热载 荷作用下的三维变形场进行非接触、高精度测量。
技术实现思路
1、目的本专利技术的目的是提供一种高温三维数字图像相关测量系统及其测量方 法，用该系统可实现对表面温度超过500°C的平面或曲面高温物体表面的三维形貌以及力、 热载荷作用下的三维变形场进行非接触、高精度测量，具有适用测量范围广泛、测量系统使 用方便、测量精度高、系统结构简单紧凑等优点。2、技术方案(1)本专利技术一种高温三维数字图像相关测量系统，它包括数字摄像机、成像镜头、 带通光学滤波片、单色照明光源、标定板、由三角架、导轨和平移台组成的支座系统以及用 于数字图像采集和分析处理的计算机。其位置连接关系是数字摄像机螺孔位于其正下方， 通过螺孔、螺钉将两数字摄像机固定在平移台上，平移台安装在三角架上方的导轨上；调节 平移台上的旋转钮，可以方便地调整数字摄像机的方位；同时，通过调节三角架上的平移 台，可方便地调整两数字摄像机之间的距离；依据被测试件的高度和方位，可通过三角架适 当地调整数字摄像机的高度和俯仰角度。数字摄像机通过数据线与计算机相连，数字摄像4机前安装有成像镜头，通过对成像镜头焦距的调节，可对被测试件表面清晰成像，并在计算 机显示器中实时显示试件表面的图像。在测量高温物体时，带通光学滤波片通过其外圈的 外螺纹与成像镜头的内螺纹连接到一起，单色照明光源位于两数字摄像机之间照明被测物 体表面。此时，该高温三维数字图像系统可以清晰地拍摄得到高温试件表面的图像。所述数字摄像机，其分辨率根据测量精度选定，可按照要求在市场上选购；所述成像镜头，根据被测物体大小选定，可按照要求在市场上选购；所述带通光学滤波片，其几何尺寸需与成像镜头配合以便安装在成像镜头前；可 按照要求在市场上选购；所述单色照明光源，其中心波长需位于带通光学滤波片的带通范围之内；所述标定板是几何尺寸已知的棋盘格或规则圆点图案，可自制；所述三角架是由型钢彼本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温三维数字图像相关测量系统，其特征在于：它包括数字摄像机、成像镜头、带通光学滤波片、单色照明光源、标定板、由三角架、导轨和平移台组成的支座系统以及用于数字图像采集和分析处理的计算机；其位置连接关系是：数字摄像机螺孔位于其正下方，通过螺孔、螺钉将数字摄像机固定在三角架的平移台上，平移台安装在三角架上方的导轨上；调节平移台上的旋转钮，可以调整数字摄像机面向的方位；通过调节三角架上的平移台，可调整数字摄像机之间的距离；依据被测试件的高度和方位，可通过三角架调整数字摄像机的高度和俯仰角度；数字摄像机通过数据线与计算机相连，数字摄像机前安装有成像镜头，通过对成像镜头焦距的调节，可以得到试件表面的图像，在测量高温物体时，带通光学滤波片通过其外圈的外螺纹与成像镜头的内螺纹连接到一起，单色照明光源位于数字摄像机之间，此时，该高温三维数字图像系统可以清晰地拍摄得到高温试件表面的图像；所述带通光学滤波片，其几何尺寸需与成像镜头配合以便安装在成像镜头前；所述单色照明光源，其中心波长需位于带通光学滤波片的带通范围之内；所述标定板是几何尺寸已知的棋盘格或规则圆点图案；所述导轨是由截面为Ｅ型的型钢制成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：潘兵，吴大方，夏勇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]