[发明专利]一种高温三维数字图像相关测量系统及其测量方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。