CN106124336A - 高温超塑性拉伸大变形测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高温超塑性拉伸大变形测量装置和方法，属于仪器技术领域。针对现有技术在高温条件下测量超塑性拉伸试样形变量误差较大、且无法判断并记录颈缩的产生和发展等问题，高温炉拉伸机构和形变量测量机构，测量时通过固定于可调云台上的两台摄像机记录拉伸形变过程，通过标准试样校准等步骤校准后，即可通过影像长度变化测量得到拉伸试样横向和纵向的形变大小，也可对误差进行校正得到最接近真实情况的结果，通过该即可记录颈缩的产生和发展等问题。

Description

高温超塑性拉伸大变形测量装置和方法

技术领域

本发明属于仪器技术领域。

背景技术

超塑性拉伸试验一直以来是进行超塑性研究的重要基础，是研究材料超塑性、测定材料参数和性能指标等最普遍、最简单的实验方法，也是进一步揭示超塑性变形本质与变形规律，连接超塑性微观变形机制与宏观变形规律的重要方法和途径。在超塑性拉伸试验中，由于试样是在高温炉内被拉伸，无法使用引伸计来测量其伸长量ΔL，一般均将活动横梁的位移作为ΔL，并以此来计算应力、应变和应变速率等力学参数，这在均匀变形阶段基本可满足精度要求。但当试样进入几何失稳而产生颈缩时，试样上各处的变形并不均匀，此时继续用横梁位移ΔL来推算力学参数将会产生较大的误差。此外，横梁位移也并不能准确反映ΔL，它把试样上标距以外部分的变形、夹具与拉杆持部分可能产生的打滑、以及试验机力传递环节间可能存在的某些间隙等都包含其中，这对一些延伸率很小的材料在拉伸时将产生较大的误差。因此，要获得准确的试验结果，就必须能够精确测量试样标距范围内的变形，包括横截面变化。此外，由于无法测量拉伸过程中试样颈缩的产生与发展，对于超塑性拉伸失稳尤其是断裂的研究，一直是个难点，未能有大的突破。

发明内容

本发明针对现有技术在高温条件下测量超塑性拉伸试样形变量误差较大、且无法判断并记录颈缩的产生和发展等问题，本发明提供了一种高温超塑性拉伸大变形测量装置及方法。

本发明所采用的技术方案具体如下：

高温超塑性拉伸大变形测量装置，主要包括高温炉拉伸机构和形变量测量机构，高温炉拉伸机构和形变量测量机构均垂直于地面放置。

高温炉拉伸机构主要包括：试验机下横梁11、活动横梁9、高温炉10及观察窗。高温炉10为密闭的炉体，下横梁11和活动横梁9上固定有拉杆，观察窗开于高温炉10朝向于形变量测量机构一侧；下横梁11水平固定，活动横梁9由试验机伺服电机驱动可带动拉杆在垂直于地面的方向在高温炉内做往复运动。

形变量测量机构包括十字工作平台2、第一可调云台3、第二可调云台5、第一摄像机4、第二摄像机6、立柱7和条形光源8。十字工作平台2水平放置，立柱7和条形光源8垂直固定在十字工作台2台面上，第一可调云台3和第二可调云台5分别活动安装于立柱7上，第一摄像机4和第二摄像机6分别安装在第一可调云台3和第二可调云台5上，所述的第一摄像机4、和第二摄像机6可分别通过第一可调云台3、第二可调云台5实现绕X、Y和Z轴旋转，十字工作台2可带动第一摄像机4和第二摄像机6在X轴和Z轴方向移动，其中Z轴方向的位移通过位移传感器测量，位移传感器与十字平台2的Z轴方向移动滑块连接。

另设有PC机1用于采集和记录第一摄像机4和第二摄像机6的影像信息，通过计算测得高温条件下试样拉伸形变量。

使用上述高温超塑性拉伸大变形测量装置进行测量的方法，包括如下步骤：

1)试验前第一摄像机4和第二摄像机6位姿调整与标定的步骤；

2)试验过程中系统自标定的步骤；

3)试验过程中变形测量的步骤。

所述1)试验前第一摄像机4和第二摄像机6位姿调整与标定的步骤，可结合试验机活动横梁9的移动来完成，具体如下：

1.1)将一个外形尺寸已知的方形标定模板挂在试验机活动横梁9的拉杆上，降低试验机活动横梁9至标定模板在第一摄像机4中成像位于其测量范围的最低位置，标定模板的下端与下横梁11拉杆连接，确保标定模板上的被测面与拉伸试验过程中试样的被测面重合，标定模板的纵向中心线与拉伸试样的中心线重合；

1.2)调整十字工作台2沿X轴方向平移，使标定模板纵向中心线在第一摄像机4中所成的像通过摄像机像平面的中心位置；

1.3)调整第一可调云台3绕Z轴旋转，使标定模板在第一摄像机4中所成像的上下边与像平面的水平方向一致，调整第一可调云台3绕Y轴旋转，使标定模板在第一摄像机4中所成像的左、右边像尺寸相等，调整第一可调云台3绕X轴旋转，使标定模板在第一摄像机4中所成像的上、下边像尺寸相等；

1.4)计数标定模板在第一摄像机4所成像中四个边的像素数，并根据标定模板的四边尺寸，求得表示第一摄像机4图像中每个像素点在X轴和Y轴方向所代表的几何尺寸，即第一摄像机4的内参数k_xd1、k_yd1：

$k_{xd1}=\frac{\left|AB\right|+\left|CD\right|}{Nab+Ncd},k_{yd1}=\frac{\left|AD\right|+\left|BC\right|}{Nad+Nbc};$

其中，AB和CD分别为标定模板的两个横边，AD和BC分别为标定模板的两个纵边，ab、cd、ad和bc分别为标定模板四个边在第一摄像机4中所成像；Nab、Nbc、Ncd、Nad为成像中四边的像素数。

1.5)调整十字平台2沿Z轴方向移动，标定模板在第一摄像机4中像的尺寸将发生变化，根据移动前后标定模板的下边像尺寸|cd|和|c′d′|，以及十字平台2的移动距离k，有：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\left|cd\right|}{\left|DC\right|}=\frac{v_1}{u_1}\\ \frac{\left|c^{\′}{d}^{\′}\right|}{\left|DC\right|}=\frac{v_1}{u_1-k}\end{array}\right.$

其中，|DC|已知，|cd|和|c′d′|可通过像素数和像素尺寸求得，通过联立上式测算出第一摄像机4的光心至标定模板被测面的距离，即物距u₁，以及像距v₁；然后使十字平台2沿Z轴返回初始位置，完成第一摄像机4的位姿调整与标定；

1.6)解开标定模板底部与试验机下横梁拉杆的连接，升高活动横梁9至标定模板的下边刚好进入第二摄像机6的视角范围内，更换试验机下横梁11的拉杆为长拉杆，并与标定模板的下端连接，确保标定模板上的被测面与拉伸试验过程中试样12的被测面重合，标定模板的纵向中心线与拉伸试样的中心线重合，观察第二摄像机6成像中标定模板纵向中心线是否通过像平面中心位置，若不通过，则调整云台5的安装位置和第二摄像机6至通过；

1.7)将步骤1.3)～1.5)中的第一摄像机4换为第二摄像机6，第一可调云台3换为第二可调云台5重复步骤1.3)～1.5)，完成第二摄像机6的位姿调整与标定，获得其参数k_xd2、k_yd2、u₂和v₂。

所述2)试验过程中系统自标定的步骤，具体如下：

2.1)试验前在试样12被测表面印制或刻画两条平行线S_L、S_H，以标识其标距，并在下标距线(S_L)与上标距线(S_H)之间设置若干点作为测量参考标识点；

2.2)试样12安装完成后，第一摄像机4采集试样12图像，根据k_xd1、k_yd1，测算试样尺寸，比较测得的尺寸是否与试样原始尺寸一致，若误差较小，则选择试样12的上边缘EF作为系统自标定的动参考边，选择试样12的下边缘IJ作为系统自标定的定参考边；如果误差较大，则重新进行摄像机位姿调整与标定；

2.3)进行拉伸试验，动参考边EF在拉伸过程中随试验机活动横梁9移动，试样12产生形变；

A1、当动参考边EF在第一摄像机4的测量范围内时，拉伸开始前第一摄像机4记录试样12动参考边EF的像尺寸|ef|并作为初始值，变形过程中像尺寸|ef|不变，则说明试样拉伸变形方向与第一摄像机4的像平面平行，此时变形测量无需误差补偿；

A2、如果动参考边EF的像尺寸|ef|变化，则说明试样拉伸变形方向与第一摄像机4的像平面不平行，依据动参考边的EF尺寸|EF|、第一摄像机4中的初始像尺寸|ef|、当前像尺寸|e′f′|和当前位置E′F′，以及试验前第一摄像机4标定的物距u₁和像距v₁，得到EF边沿光轴方向的移动距离Δu_H1。

由变形整理得到

然后，选择动参考边EF、定参考边IJ中点H和G作为参考点，G点位置固定，由于变形方向与像平面不平行，H点移动至H″位置，此时若直接应用前述标定结果计算，则求得的是|H′G|，而实际尺寸为|H″G|；假设光轴与像平面的交点o为像平面的中心，则可得到像点h′与像平面中心的距离|oh′|，并可求得

$\begin{array}{cc}\left|H^{\′}{O}_G\right|=\frac{\left|{\mathrm{oh}}^{\′}\right|\·u_1}{v_1}& \left|H^{\′\′}{O}_H\right|=\frac{\left|{\mathrm{oh}}^{\′}\right|\·(u_1+{\mathrm{\Δu}}_{H1})}{v_1}\end{array}$

进一步求得拉伸平面与像平面的交角θ₁：

${\mathrm{\θ}}_1=arctan\left(\frac{{\mathrm{\Δu}}_{H1}}{\left|H^{\′\′}{O}_H\right|-\left|H^{\′}{O}_G\right|+\left|H^{\′}G\right|}\right)$

依此可补偿第一摄像机4变形测量中所产生的误差；

B1、当动参考边EF进入在第二摄像机6的测量范围内时，选择EF接近两台摄像机视角重叠区中心时的位置作为第二摄像机6自标定的定参考位置，将其在第二摄像机6中的像尺寸|ef|作为自标定参考初始值，并将此时EF边中点H所在的位置作为后续测量的拼接参考点T，记录T点分别在第一摄像机4和第二摄像机6内的成像点位置t₁、t₂，作为后续测量的拼接参考点，并将此时EF在第二摄像机6中的像尺寸|ef|作为初始值，继续变形后如果第二摄像机6中像尺寸|ef|不变，则说明试样拉伸变形方向与第二摄像机6的像平面平行，此时变形测量无需误差补偿；

B2、如果动参考边的像尺寸|ef|变化，则说明试样拉伸变形方向与第二摄像机6的像平面不平行，依据动参考边的已知尺寸|EF|、在第二摄像机6中的初始像尺寸|ef|、当前像尺寸|e'f'|和当前位置E′F′，以及试验前第二摄像机6标定的物距u₂和像距v₂，得到EF边沿光轴方向的移动距离Δu_H2，采用与A2步骤相同的方法测算拉伸变形方向与第二摄像机6像平面的交角θ₂，依此可补偿第二摄像机6变形测量中所产生的误差。

所述3)试验过程中变形测量的步骤，具体如下：

①对于A1和B1情况，不存在角度误差补偿，试样12上标距范围内任意点P点拉伸变形后至P'处，其纵向形变ΔL_P为该点相对于下标距线S_L的距离变化，即：ΔL_P＝|S′_LP′|-|S_LP|，横向形变ΔW_P为该点处试样宽度尺寸变化，即ΔW_P＝W_P′-W_P，W_P为变形前P点处试样宽度，W′_P为变形至P′处时的宽度：

对于A1情况，变形未超出第一摄像机4测量范围，由第一摄像机4测量其形变：

${\mathrm{\ΔL}}_P=\left|S_L^{\′}{P}^{\′}\right|-\left|S_{L}P\right|=k_{yd1}(N_{s_{l}p}^{\′}-N_{s_{l}p})$

ΔW_P＝W′_P-W_P＝k_xd1(N′_wp-N_wp)

其中分别为|S_LP|、|S′_LP′|在第一摄像机4中所成像s_lp、s_l′p′的像素数，N_wp、N′_wp分别为变形前后试样在第一摄像机4成像中P点和P′处宽度方向的像素数；

对于B1情况，形变超出第一摄像机4的测量范围，第一摄像机4测得从下标距线S_L至拼接参考点T的形变，第二摄像机6测得从拼接参考点T至当前P'点处的形变，将两台摄像机测量结果拼接，测得P'点处的形变，

${\mathrm{\ΔL}}_P=\left|S_L^{\′}T\right|+\left|{\mathrm{TP}}^{\′}\right|-\left|S_{L}P\right|=k_{yd1}{N}_{s_l{t}_1}^{\′}+k_{yd2}{N}_{t_{2}p}^{\′}-k_{yd1}{N}_{s_{l}p}$

ΔW_P＝W′_P-W_P＝k_xd2N′_wp-k_xd1N_wp

其中分别为|S′_LT|、|S_LP|在第一摄像机4中所成像s′_lt₁和s_lp的像素数，为|TP′|在第二摄像机6中成像t₂p′的像素数，N_wp为变形前试样在第一摄像机4成像中P点处宽度方向的像素数，N′_wp为变形后试样在第二摄像机6成像中P'点处宽度方向的像素数。

②对于A2和B2情况，存在角度误差补偿，P点拉伸变形后至P″处，纵向形变ΔL_P＝|S″_LP″|-|S_LP|，横向形变ΔW_P＝W″_P-W_P：

对于A2情况，变形未超出第一摄像机4测量范围，由第一摄像机4测量其形变并用θ₁补偿其误差，在相似直角三角形O_CP′O_G和O_CP″O_P中，可求得同理，在相似直角三角形O_CS′_LO_G和O_CS″_LO_S中可求得其中|P′O_G|、|S′_LO_G|、|GO_G|可根据其成像|op′|、|os′_l|、|og|测

得，u₁、θ₁已知，因此

${\mathrm{\ΔL}}_P=\left|S_L^{\′\′}{P}^{\′\′}\right|-\left|S_{L}P\right|=\left|P^{\′\′}G\right|-\left|S_L^{\′\′}G\right|-\left|S_{L}P\right|=\frac{{\mathrm{\Δu}}_P}{{\mathrm{sin\θ}}_1}-\frac{{\mathrm{\Δu}}_{SL}}{{\mathrm{sin\θ}}_1}-k_{yd1}{N}_{s_{l}p}$

${\mathrm{\ΔW}}_P=W_P^{\′\′}-W_P=\frac{(u_1+{\mathrm{\Δu}}_P)w_p^{\′\′}}{v_1}-k_{xd1}{N}_{wp}$

其中N_slp为|S_LP|在第一摄像机4中成像s_lp的像素数，w″_P为变形后试样在第一摄像机4成像中P″点处宽度，N_wp为变形前试样在第一摄像机4成像中P点处宽度方向的像素数；

对于B2情况，形变超出第一摄像机4测量范围，第一摄像机4测得从下标距线S_L至拼接参考点T的形变，第二摄像机6测得从拼接参考点T至当前P点处的形变，两台摄像机测量结果拼接，便可测得P点的形变：

${\mathrm{\ΔL}}_P=\left|S_L^{\′\′}{P}^{\′\′}\right|-\left|S_{L}P\right|=\left|P^{\′\′}G\right|-\left|S_L^{\′\′}G\right|-\left|S_{L}P\right|=\frac{{\mathrm{\Δu}}_P}{{\mathrm{sin\θ}}_1}-\frac{{\mathrm{\Δu}}_{SL}}{{\mathrm{sin\θ}}_1}-k_{yd1}{N}_{s_{l}p}$

${\mathrm{\ΔW}}_P=W_P^{\′\′}-W_P=\frac{(u_1+{\mathrm{\Δu}}_P)w_p^{\′\′}}{v_1}-k_{xd1}{N}_{wp}$

其中|S_LP|、W_P由第一摄像机4直接测得，|S″_LT″|由第一摄像机4测量并进行误差补偿后测得，T″P″|、W″_P由第二摄像机6测量并进行误差补偿后测得，测量方法同前。

试验过程中判断颈缩的产生、发展和变化的方法具体为：从第一摄像机4和第二摄像机6的图像中判断试样12上标距范围内横向尺寸最小的像点p_i，即w_i＝w_nim；取距离p_i为Δi的另一个像点p_i+Δi，若两像点处的横向尺寸比值小于某一阈值，即则p_i为颈缩像点，其中Δi的选取可根据试样12成像中上下标距线间距离不同选取不同的值，即取样，n为整数，可取n＝5或n＝10，K_W为小于1的常数，可通过超塑性拉伸变形颈缩产生理论分析或试验观察来选取合适的值；对于颈缩像点p_i，求解该点对应的纵向形变和横向形变，并根据p_i位于试样12上标距范围内哪两个参考标识点之间，判断颈缩产生的位置；记录整个拉伸过程中颈缩产生的时间和位置，以及颈缩产生时对应的最大横向变形，可分析颈缩的发展和变化。

本发明的有益效果：

1、以拉伸试样图像作为信息载体，不仅可测量纵向大变形，而且能够测量试样横截面的变化，观测并记录颈缩出现的时间、位置、大小、以及颈缩的变化和发展，具有非接触和获得信息丰富等优点。

2、充分利用拉伸特点，标定和测量过程简单，测量精度高，速度快，可在线实时测量。

3、通过增加摄像机数量可进一步提高测量精度。

4、可与拉伸试验机的控制系统协同工作，进一步完善拉伸试验功能。

附图说明

图1(a)为测量系统硬件组成图；

图1(b)为测量系统硬件组成侧视图；

图2(a)本发明实施例1中所使用试样的示意图；

图2(b)标定模板示意图；

图3为摄像机位姿调整示意图；

图4摄像机内、外参数标定示意图；

图5摄像机自标定步骤示意图；

图6摄像机自标定及测量示意图；

图7(a)无误差补偿双摄像机测量示意图；

图7(b)有误差补偿双摄像机测量示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明技术方案做进一步解释和说明。本发明中所拉伸试样可以是板材，也可以棒料，以如图2(a)所示的板材试样拉伸为例，其测量内容包括纵向和横向变形，并根据各点的横向变形判断颈缩的产生、发展和变化。

实施例1

如图1(a)和图1(b)所示，高温超塑性拉伸大变形测量装置，主要包括高温炉拉伸机构和形变量测量机构，高温炉拉伸机构和形变量测量机构均垂直于地面放置。

高温炉拉伸机构主要包括：试验机下横梁11、活动横梁9、高温炉10及观察窗。高温炉10为密闭的炉体，下横梁11和活动横梁9上固定有拉杆，观察窗开于高温炉10朝向于形变量测量机构一侧；下横梁11水平固定，活动横梁9由试验机伺服电机驱动可带动拉杆在垂直于地面的方向在高温炉内做往复运动。

形变量测量机构包括十字工作平台2、第一可调云台3、第二可调云台5、第一摄像机4、第二摄像机6、立柱7和条形光源8。十字工作平台2水平放置，立柱7和条形光源8垂直固定在十字工作台2台面上，第一可调云台3和第二可调云台5分别通过角铁由螺栓安装在立柱7上，第一摄像机4和第二摄像机6分别安装在第一可调云台3和第二可调云台5上，松开第一可调云台3和/或第二可调云台5安装角铁与立柱7的固定螺栓，可调节第一可调云台3和第二可调云台5之间的间距，即第一摄像机4和第二摄像机6之间的间距。所述的第一摄像机4和第二摄像机6可分别通过第一可调云台3和/或第二可调云台5实现绕X、Y和Z轴旋转，十字工作台2可带动第一摄像机4和第二摄像机6在X轴和Z轴方向移动，其中Z轴方向的位移通过位移传感器测量，位移传感器与十字平台2的Z轴方向移动滑块连接。

其中数字摄像机选择可根据拉伸试样的尺寸和测量精度要求来选择。按照有关标准，图2(a)中试样的标距部分尺寸为10mm×5mm×2mm，由于超塑性变形延伸率一般都很大，在此假设试样拉伸的变形的最大尺寸为160mm(延伸率为1600％)，则选择分辨率为2048×1536的摄像机时，测量时的像素级精度最高为160/(2048×2)＝0.0391mm，结合亚像素算法可进一步提高测量精度。本实施例中选择具有USB2.0标准接口的DH-HV3151UC工业彩色数字摄像机，其分辨率为2048×1536，最高分辨率下的采集帧率为6帧/秒，并配备可变焦距的镜头。

摄像过程中的照明采用条形LED光源。

可调云台和十字工作台均可市购通用小型云台和小型十字工作台，十字工作台Z轴方向移动距离的测量采用TG110光栅测微传感器。

测量装置在安装时应保证十字工作台的台面水平，立柱与十字工作台垂直，两台摄像机光轴所在的平面尽可能与立柱平行，调整两台摄像机的间距，使其视角完全覆盖160mm变形测量，且有一定的视觉重合区。

为了便于对炉内试样测量，加热炉侧壁开设一个观察窗，两台数字摄像机与光源正对观察窗，可以通过为摄像机镜头增设滤光片或数字滤光的方法，或二者兼有的方法消除高温红外线对测量的影响。测量装置对拉伸变形测量的过程如下：

试验前进行摄像机位姿调整。将图2(b)所示的外形尺寸已知的标定模板挂置在试验机活动横梁9的拉杆上，降低试验机活动横梁9，至标定模板在第一摄像机4中成像位于该摄像机测量范围的最低位置，将标定模板下端与下横梁11的拉杆连接后适度张紧，确保标定模板上的被测面与拉伸试验过程中试样的被测面重合，标定模板的纵向中心线与拉伸试样的中心线重合，标定模板与其像如图3所示，调整十字工作台2沿X轴方向平移，使标定模板纵向中心线成像通过摄像机像平面的中心；调节第一可调云台3绕Z轴，使图像中的ab、cd边与像平面的水平方向U一致，调节第一可调云台3分别绕X轴和Y轴旋转，使图像中ab＝cd、da＝bc；计数标定模板四个边成像的像素数依次为Nab、Nbc、Ncd、Nad，则第一摄像机4的内参数如下：

$k_{xd1}=\frac{\left|AB\right|+\left|CD\right|}{Nab+Ncd},k_{yd1}=\frac{\left|AD\right|+\left|BC\right|}{Nad+Nbc}$

k_xd1、k_yd1值分别表示第一摄像机4图像中每个像素点在横向x轴和纵向y轴方向所代表的几何尺寸。

然后以DC(dc)为参考，调整十字平台2沿Z轴方向移动k，像尺寸发生变化，根据移动前后dc尺寸变化和十字平台的移动距离，测算摄像机光心至标定模板被测面的距离，即物距，参考图4所示，则有：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\left|cd\right|}{\left|DC\right|}=\frac{v_1}{u_1}\\ \frac{\left|c^{\′}{d}^{\′}\right|}{\left|DC\right|}=\frac{v_1}{u_1-k}\end{array}\right.$

其中|DC|和k已知，cd和c′d′为像尺寸，HV3151UC型摄像机每个像素的尺寸为3.2μm×3.2μm，计数cd和c′d′的像素数可求得其尺寸，代入上式可求得物距u₁和像距v₁。将摄像机调整回初始位置，至此，第一摄像机4的位姿调整与标定完成。

解开标定模板底部与试验机下横梁拉杆的连接，升高试验机活动横梁至标定模板的下边刚好进入第二摄像机6的视角范围内，用一根加长的拉杆将模板与试验机下横梁连接后适度张紧，确保标定模板上的被测面与拉伸试验过程中试样的被测面重合，标定模板的纵向中心线与拉伸试样的中心线重合，重复对第一摄像机4的操作，完成第二摄像机6的位姿调整与标定，获得其参数k_xd2、k_yd2、u₂和v₂。

至此，试验前两台摄像机位姿调整与标定工作完成。

试验前在试样12被测表面刻画或印制两条平行线S_L、S_H，用来标识试样的标距范围，在标距范围内试样中心线上标识一系列参考点，参考图2(a)。安装标识好的试样并适度张紧，PC机控制第一摄像机4采集图像，可测得|EF|＝k_xd1N_ef、|IJ|＝k_xd1N_ij，|EI|＝k_yd1N_ei、|FJ|＝k_yd1N_fj，将测量结果与试样原始尺寸对比，如果误差太大，则重新进行位姿调整与标定。摄像机自标定时选择试样上的上边缘EF和下边缘IJ作为自标定参考，拉伸过程中IJ位置不变，EF随活动横梁上移，移动过程中如果EF成像尺寸|ef|发生变化，则拉伸变形方向与像平面不平行，参考图5，根据EF像尺寸的变化，可计算标定板EF边沿光轴方向的移动距离Δu_H1：

$\frac{\left|E^{\′}{F}^{\′}\right|}{\left|e^{\′}{f}^{\′}\right|}=\frac{u_1-{\mathrm{\Δu}}_{H1}}{v_1}$

式中|EF|＝|E′F′|，u₁、v₁已知，|e′f′|为当前位置EF像尺寸，由此可求得

选择动参考边EF的中点H、定参考边IJ的中点G作为参考点，成像关系参考图6，G点位置固定，由于变形方向与像平面不平行，H点移动至H″位置，此时若直接应用前述标定结果计算，则根据像|h′g|求得的是|H′G|，而实际尺寸为|H″G|。假设光轴与像平面的交点O为摄像机像平面的中心(也可通过标定求得)，可测得像点h′与像平面中心的距离|oh′|，并可求得

$\begin{array}{cc}\left|H^{\′}{O}_G\right|=\frac{\left|{\mathrm{oh}}^{\′}\right|\·u_1}{v_1}& \left|H^{\′\′}{O}_H\right|=\frac{\left|{\mathrm{oh}}^{\′}\right|\·(u_1+{\mathrm{\Δu}}_{H1})}{v_1}\end{array}$

由此可求得拉伸平面与像平面的交角：

${\mathrm{\θ}}_1=arctan\left(\frac{{\mathrm{\Δu}}_{H1}}{\left|H^{\′\′}{O}_H\right|-\left|H^{\′}{O}_G\right|+\left|H^{\′}G\right|}\right)$

求得该角度便可对测量结果进行误差补偿。

以上为第一摄像机4的自标定过程，对于第二摄像机6，选择EF边接近两台摄像机视角重叠区中心时的位置作为第二摄像机6自标定的定参考边，并将此时EF边中点H所在的位置作为后续测量的拼接参考点T，记录该点在第一摄像机4和第二摄像机6内的成像点位置t₁、t₂，作为后续测量的拼接参考点，参考图7(a)。将此时EF在第二摄像机6中的像尺寸|ef|作为初始值，继续变形后如果第二摄像机6中像尺寸|ef|不变，则说明试样拉伸变形方向与第二摄像机6的像平面平行，变形测量无需误差补偿；如果像尺寸|ef|变化，则说明试样拉伸变形方向与第二摄像机6的像平面不平行，依据|EF|尺寸、第二摄像机6中的初始像尺寸|ef|、当前像尺寸|e'f'|和当前位置E′F′，以及试验前第二摄像机6标定的物距u₂和像距v₂，得到EF边沿光轴方向的移动距离Δu_H2，参考图5，进一步求得拉伸变形方向与第二摄像机6像平面的交角θ₂，参考图6，依此可补偿第二摄像机6变形测量中所产生的误差。

至此自标定过程完成。

试验过程中对于试样变形的测量是在自标定之后，测量分两步进行，当变形较小时，由第一摄像机4实施测量，变形超出第一摄像机4测量范围时，第一摄像机4测得下半部分形变，第二摄像机6测得上半部分形变，两台摄像机测量结果拼接，便可测得试样在整个标距范围内的形变。依据是否存在误差补偿，测量分为以下两种情况：

情况一，不存在角度误差补偿，对于试样12上标距范围内任意点P，拉伸变形至P′处，其纵向形变ΔL_P为该点相对于下标距线S_L的距离变化，横向形变ΔW_P为该点处试样宽度尺寸变化。参考图6，当变形未超出第一摄像机4测量范围时，由第一摄像机4测量其形变：

${\mathrm{\ΔL}}_P=\left|S_L^{\′}{P}^{\′}\right|-\left|S_{L}P\right|=k_{yd1}(N_{s_{l}p}^{\′}-N_{s_{l}p})$

ΔW_P＝W′_P-W_P＝k_xd1(N′_wp-N_wp)

其中分别为|S_LP|、|S′_LP′|在第一摄像机4中所成像s_lp、s′_lp′的像素数，N_wp、N′_wp分别为变形前后试样在第一摄像机4成像中P点和P′处宽度方向的像素数；

形变超出第一摄像机4的测量范围，参考图7(a)，第一摄像机4测得从下标距线S_L至拼接参考点T的形变，第二摄像机6测得从拼接参考点T至当前P'点处的形变，将两台摄像机测量结果拼接，测得P'点处的形变，

${\mathrm{\ΔL}}_P=\left|S_L^{\′}T\right|+\left|{\mathrm{TP}}^{\′}\right|-\left|S_{L}P\right|=k_{yd1}{N}_{s_l{t}_1}^{\′}+k_{yd2}{N}_{t_{2}p}^{\′}-k_{yd1}{N}_{s_{l}p}$

ΔW_P＝W′_P-W_P＝k_xd2N′_wp-k_xd1N_wp

其中分别为|S′_LT|、|S_LP|在第一摄像机4中所成像s′_lt₁和s_lp的像素数，为|TP′|在第二摄像机6中成像t₂p′的像素数，N_wp为变形前试样在第一摄像机4成像中P点处宽度方向的像素数，N′_wp为变形后试样在第二摄像机6成像中P'点处宽度方向的像素数。

情况二，存在角度误差补偿，对于试样12上标距范围内任意点P，拉伸变形后至P″处，参考图6。变形未超出第一摄像机4测量范围，由第一摄像机4测量其形变并用θ₁补偿其误差，在相似直角三角形O_CP′O_G和O_CP″O_P中，可求得同理，在相似直角三角形O_CS′_LO_G和O_CS″_L″O_S中可求得其中|P′O_G|、|S′_LO_G|、|GO_G|可根据其成像|op′|、|os′_l|、|og|测得，u₁、θ₁已知，因此

${\mathrm{\ΔL}}_P=\left|S_L^{\′\′}{P}^{\′\′}\right|-\left|S_{L}P\right|=\left|P^{\′\′}G\right|-\left|S_L^{\′\′}G\right|-\left|S_{L}P\right|=\frac{{\mathrm{\Δu}}_P}{{\mathrm{sin\θ}}_1}-\frac{{\mathrm{\Δu}}_{SL}}{{\mathrm{sin\θ}}_1}-k_{yd1}{N}_{s_{l}p}$

${\mathrm{\ΔW}}_P=W_P^{\′\′}-W_P=\frac{(u_1+{\mathrm{\Δu}}_P)w_p^{\′\′}}{v_1}-k_{xd1}{N}_{wp}$

其中N_slp为|S_LP|在第一摄像机4中成像s_lp的像素数，w″_p为变形后试样在第一摄像机4成像中P″点处宽度，N_wp为变形前试样在第一摄像机4成像中P点处宽度方向的像素数；

对于B2情况，形变超出第一摄像机4测量范围，参考图7(b)，第一摄像机4测得从下标距线S_L至拼接参考点T的形变，第二摄像机6测得从拼接参考点T至当前P点处的形变，两台摄像机测量结果拼接，便可测得P点的形变：

${\mathrm{\ΔL}}_P=\left|S_L^{\′\′}{P}^{\′\′}\right|-\left|S_{L}P\right|=\left|P^{\′\′}G\right|-\left|S_L^{\′\′}G\right|-\left|S_{L}P\right|=\frac{{\mathrm{\Δu}}_P}{{\mathrm{sin\θ}}_1}-\frac{{\mathrm{\Δu}}_{SL}}{{\mathrm{sin\θ}}_1}-k_{yd1}{N}_{s_{l}p}$

${\mathrm{\ΔW}}_P=W_P^{\′\′}-W_P=\frac{(u_1+{\mathrm{\Δu}}_P)w_p^{\′\′}}{v_1}-k_{xd1}{N}_{wp}$

其中|S_LP|、W_P由第一摄像机4直接测得，|S″_LT″|由第一摄像机4测量并进行误差补偿后测得，|T″P″|、W″_P由第二摄像机6测量并进行误差补偿后测得，测量方法同前。

试验过程中判断颈缩的产生、发展和变化，可首先从第一摄像机4和第二摄像机6的图像中判断试样12上标距范围内横向尺寸最小的像点p_i，即w_i＝w_min，w_i表示像点p_i处成像宽度；然后取距离p_i为Δi的另一个像点p_i+Δi，若两像点处的横向尺寸比值小于某一阈值，即则p_i为颈缩像点，其中Δi的选取可根据试样12成像中上下标距线间距离不同选取不同的值，即取样，n为整数，可取n＝5或n＝10，K_W为小于1的常数，可通过超塑性拉伸变形颈缩产生理论分析或试验观察来选取合适的值；对于颈缩像点p_i，求解该点对应的纵向形变和横向形变，并根据p_i位于试样12上标距范围内哪两个参考标识点之间，判断颈缩产生的位置，参考图2(a)；记录整个拉伸过程中颈缩产生的时间和位置，以及颈缩产生时对应的最大横向变形，由此分析颈缩的发展和变化。

Claims (6)

1.高温超塑性拉伸大变形测量装置，主要包括高温炉拉伸机构和形变量测量机构，高温炉拉伸机构和形变量测量机构均垂直于地面放置；

高温炉拉伸机构主要包括：试验机下横梁(11)、活动横梁(9)、高温炉(10)及观察窗；高温炉(10)为密闭的炉体，下横梁(11)和活动横梁(9)上固定有拉杆，观察窗开于高温炉(10)朝向于形变量测量机构一侧；下横梁(11)水平固定，活动横梁(9)由试验机伺服电机驱动可带动拉杆在垂直于地面的方向在高温炉内做往复运动；

形变量测量机构包括十字工作平台(2)、第一可调云台(3)、第二可调云台(5)、第一摄像机(4)、第二摄像机(6)、立柱(7)和条形光源(8)；十字工作平台(2)水平放置，立柱(7)和条形光源(8)垂直固定在十字工作台(2)台面上，第一可调云台(3)和第二可调云台(5)分别活动安装于立柱(7)上，第一摄像机(4)和第二摄像机(6)分别安装在第一可调云台(3)和第二可调云台(5)上，所述的第一摄像机(4)、和第二摄像机(6)可分别通过第一可调云台(3)、第二可调云台(5)实现绕X、Y和Z轴旋转，十字工作台(2)可带动第一摄像机(4)和第二摄像机(6)在X轴和Z轴方向移动，其中Z轴方向的位移通过位移传感器测量，位移传感器与十字平台(2)的Z轴方向移动滑块连接。

2.根据权利要求1所述的高温超塑性拉伸大变形测量装置，其特征在于，另设有PC机(1)，用于采集和记录第一摄像机(4)和第二摄像机(6)的影像信息，并以此测算试样(12)的形变。

3.一种权利要求1所述高温超塑性拉伸大变形测量装置进行测量的方法，包括如下步骤：

1)试验前第一摄像机(4)和第二摄像机(6)位姿调整与标定的步骤；

2)试验过程中系统自标定的步骤；

3)试验过程中变形测量的步骤。

4.根据权利要求3所述高温超塑性拉伸大变形测量方法，其特征在于，所述1)试验前第一摄像机(4)和第二摄像机(6)位姿调整与标定的步骤，具体如下：

1.1)将一个外形尺寸已知的方形标定模板挂在试验机活动横梁(9)的拉杆上，降低试验机活动横梁(9)至标定模板在第一摄像机(4)中成像位于其测量范围的最低位置，标定模板的下端与下横梁(11)拉杆连接，确保标定模板上的被测面与拉伸试验过程中试样的被测面重合，标定模板的纵向中心线与拉伸试样的中心线重合；

1.2)调整十字工作台(2)沿X轴方向平移，使标定模板纵向中心线在第一摄像机(4)中所成的像通过摄像机像平面的中心位置；

1.3)调整第一可调云台3绕Z轴旋转，使标定模板在第一摄像机(4)中所成像的上下边与像平面的水平方向一致，调整第一可调云台(3)绕Y轴旋转，使标定模板在第一摄像机(4)中所成像的左右两边像尺寸相等，调整第一可调云台(3)绕X轴旋转，使标定模板在第一摄像机(4)中所成像的上下两边像尺寸相等；

1.4)计数标定模板在第一摄像机(4)所成像中四个边的像素数，并根据标定模板的四边尺寸，求得表示第一摄像机(4)图像中每个像素点在X轴和Y轴方向所代表的几何尺寸，即第一摄像机(4)的内参数k_xd1、k_yd1：

$k_{xd1}=\frac{\left|AB\right|+\left|CD\right|}{Nab+Ncd},k_{yd1}=\frac{\left|AD\right|+\left|BC\right|}{Nad+Nbc};$

其中，AB和CD分别为标定模板的两个横边，AD和BC分别为标定模板的两个纵边，ab、cd、ad和bc分别为标定模板四个边在第一摄像机(4)中所成像，Nab、Nbc、Ncd、Nad为成像中四边的像素数；

1.5)调整十字平台(2)沿Z轴方向移动，标定模板在第一摄像机(4)中像尺寸将发生变化，根据移动前后标定模板的下边像尺寸|cd|和|c′d′|，以及十字平台(2)沿Z轴方向的移动距离k，有：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\left|\mathrm{\ω}\right|}{\left|DC\right|}=\frac{v_1}{u_1}\\ \frac{\left|c^{\′}{d}^{\′}\right|}{\left|DC\right|}=\frac{v_1}{u_1-k}\end{array}\right.$

其中，|DC|已知，|cd|和|c′d′|可通过各自对应的像素数和摄像机中像素的尺寸求得，通过联立上式测算出第一摄像机(4)的光心至标定模板被测面的距离，即物距u₁，以及像距v₁；然后使十字平台(2)沿Z轴返回初始位置，完成第一摄像机(4)的位姿调整与标定；

1.6)解开标定模板底部与试验机下横梁拉杆的连接，升高活动横梁(9)至标定模板的下边刚好进入第二摄像机(6)的视角范围内，更换试验机下横梁(11)的拉杆为长拉杆，并与标定模板的下端连接，确保标定模板上的被测面与拉伸试验过程中试样(12)的被测面重合，标定模板的纵向中心线与拉伸试样的中心线重合，观察第二摄像机(6)成像中标定模板纵向中心线是否通过像平面中心位置，若不通过，则调整第二可调云台(5)的安装位置和第二摄像机(6)至通过；

1.7)将步骤1.3)～1.5)中的第一摄像机(4)换为第二摄像机(6)，重复步骤1.3)～1.5)，完成第二摄像机(6)的位姿调整与标定，获得其参数k_xd2、k_yd2、u₂和v₂。

5.根据权利要求3所述高温超塑性拉伸大变形测量方法，其特征在于，所述2)试验过程中系统自标定的步骤，具体如下：

2.1)试验前在试样(12)被测表面印制或刻画两条平行线S_L、S_H，以标识其标距，并在下标距线S_L与上标距线S_H之间设置若干点作为测量参考标识点；

2.2)试样(12)安装完成后，第一摄像机(4)采集试样(12)图像，根据k_xd1和k_yd1，测算试样尺寸，比较测得的尺寸是否与试样原始尺寸一致，若误差较小，则选择试样(12)的上边缘EF作为系统自标定的动参考边，选择试样(12)的下边缘IJ作为系统自标定的定参考边；如果误差较大，则重新进行摄像机位姿调整与标定；

2.3)进行拉伸试验，动参考边EF在拉伸过程中随试验机活动横梁(9)移动，试样(12)产生形变：

A1、当动参考边EF在第一摄像机(4)的测量范围内时，拉伸开始前第一摄像机(4)记录EF边的像尺寸|ef|作为初始值，变形过程中像尺寸|ef|不变，则说明试样拉伸变形方向与第一摄像机(4)的像平面平行，此时变形测量无需误差补偿；

A2、如果动参考边EF像尺寸|ef|变化，则说明试样拉伸变形方向与第一摄像机(4)的像平面不平行，依据动参考边EF尺寸|EF|、第一摄像机(4)中的初始像尺寸|ef|、当前像尺寸|e′f′|和当前位置E′F′，以及试验前第一摄像机(4)标定的物距u₁和像距v₁，得到EF边沿光轴方向的移动距离Δu_H1：

由变形整理得到

然后，选择动参考边EF、定参考边IJ的中点H和G作为参考点，G点位置固定，由于变形方向与像平面不平行，H点移动至H″位置，此时若直接应用前述标定结果计算，则求得的是|H′G|，而实际尺寸为|H″G|；假设光轴与像平面的交点o为像平面的中心，则可得到像点h′与像平面中心的距离|oh′|，并可求得：

$\left|H^{\′}{O}_G\right|=\frac{\left|{\mathrm{oh}}^{\′}\right|\·u_1}{v_1},\left|H^{\′\′}{O}_H\right|=\frac{\left|{\mathrm{oh}}^{\′}\right|\·(u_1+{\mathrm{\Δu}}_{H1})}{v_1}$

进一步求得拉伸平面与像平面的交角θ₁：

${\mathrm{\θ}}_1=arctan\left(\frac{{\mathrm{\Δu}}_{H1}}{\left|H^{\′\′}{O}_H\right|-\left|H^{\′}{O}_G\right|+\left|H^{\′}G\right|}\right)$

依此可补偿第一摄像机(4)变形测量中所产生的误差；

B1、当动参考边EF进入第二摄像机(6)的测量范围时，选择EF接近两台摄像机视角重叠区中心时的位置作为第二摄像机(6)自标定的定参考位置，将其在第二摄像机(6)中的像尺寸|ef|作为自标定参考初始值，并将此时EF边中点H所在的位置作为后续测量的拼接参考点T，记录T在第一摄像机(4)和第二摄像机(6)内的成像点位置t₁、t₂，继续变形后如果第二摄像机(6)中像尺寸|ef|不变，则说明试样拉伸变形方向与第二摄像机(6)的像平面平行，此时变形测量无需误差补偿；

B2、如果第二摄像机(6)中像尺寸|ef|变化，则说明试样拉伸变形方向与第二摄像机(6)的像平面不平行，依据已知尺寸|EF|、第二摄像机(6)中的初始像尺寸|ef|、当前像尺寸|e'f'|和当前位置E′F′，以及标定的第二摄像机(6)物距u₂和像距v₂，求得EF边沿光轴方向的移动距离Δu_H2，采用与A2步骤相同的方法测算拉伸变形方向与第二摄像机(6)像平面的交角θ₂，依此可补偿第二摄像机(6)变形测量中所产生的误差。

6.根据权利要求3所述高温超塑性拉伸大变形测量方法，其特征在于，所述3)试验过程中变形测量的步骤，具体如下：

①对于A1和B1情况，不存在角度误差补偿，试样(12)上标距范围内任意点P拉伸变形至P′处，其纵向形变ΔL_P为该点相对于下标距线S_L的距离变化，即ΔL_P＝|S′_LP′|-|S_LP|，横向形变ΔW_P为该点处试样宽度尺寸变化，即ΔW_P＝W′_P-W_P，W_P为变形前P点处试样宽度，W′_P为变形至P′处时的宽度：

对于A1情况，变形未超出第一摄像机(4)测量范围，由第一摄像机(4)测量其形变：

ΔL_P＝|S′_LP′|-|S_LP|＝k_yd1(N′_slp-N_slp)

ΔW_P＝W′_P-W_P＝k_xd1(N′_wp-N_wp)

其中N_slp、N′_slp分别为|S_LP|、|S′_LP′|在第一摄像机(4)中所成像s_lp、s′_lp′的像素数，N_wp、N′_wp分别为变形前后试样在第一摄像机(4)成像中P点和P′处宽度方向的像素数；

对于B1情况，形变超出第一摄像机(4)的测量范围，第一摄像机(4)测得从下标距线S_L至拼接参考点T的形变，第二摄像机(6)测得从拼接参考点T至当前P'点处的形变，将两台摄像机测量结果拼接，测得P'点处的形变，

${\mathrm{\ΔL}}_P=\left|S_L^{\′}T\right|+\left|{\mathrm{TP}}^{\′}\right|-\left|S_{L}P\right|=k_{yd1}{N}_{s_l{t}_1}^{\′}+k_{yd2}{N}_{t_{2}p}^{\′}-k_{yd1}{N}_{s_{l}p}$

ΔW_P＝W′_P-W_P＝k_xd2N′_wp-k_xd1N_wp

其中分别为|S′_LT|、|S_LP|在第一摄像机(4)中所成像s′_lt₁和s_lp的像素数，为|TP′|在第二摄像机(6)中成像t₂p′的像素数，N_wp为变形前试样在第一摄像机(4)成像中P点处宽度方向的像素数，N′_wp为变形后试样在第二摄像机(6)成像中P'点处宽度方向的像素数。

②对于A2和B2情况，存在角度误差补偿，P点拉伸变形后至P″处，纵向形变ΔL_P＝|S″_LP″|-|S_LP|，横向形变ΔW_P＝W″_P-W_P：

对于A2情况，变形未超出第一摄像机(4)测量范围，由第一摄像机(4)测量其形变并用θ₁补偿其误差，在相似直角三角形O_CP′O_G和O_CP″O_P中，可求得同理，在相似直角三角形O_CS′_LO_G和O_CS″_LO_S中可求得其中|P′O_G|、|S′_LO_G|、|GO_G|可根据其成像|op′|、|os′_l|、|og|测得，u₁、θ₁已知，因此

${\mathrm{\ΔL}}_P=\left|S_L^{\′\′}{P}^{\′\′}\right|-\left|S_{L}P\right|=\left|P^{\′\′}G\right|-\left|S_L^{\′\′}G\right|-\left|S_{L}P\right|=\frac{{\mathrm{\Δu}}_P}{{\mathrm{sin\θ}}_1}-\frac{{\mathrm{\Δu}}_{SL}}{{\mathrm{sin\θ}}_1}-k_{yd1}{N}_{s_{l}p}$

${\mathrm{\ΔW}}_P=W_P^{\′\′}-W_P=\frac{(u_1+{\mathrm{\Δu}}_P)w_p^{\′\′}}{v_1}-k_{xd1}{N}_{wp}$

其中为|S_LP|在第一摄像机(4)中成像s_lp的像素数，w″_p为变形后试样在第一摄像机(4)成像中P″点处宽度，N_wp为变形前试样在第一摄像机(4)成像中P点处宽度方向的像素数；

对于B2情况，形变超出第一摄像机(4)测量范围，第一摄像机(4)测得从下标距线S_L至拼接参考点T”的形变，第二摄像机(6)测得从拼接参考点T”至P”点处的形变，两台摄像机测量结果拼接，便可测得P点的形变：

${\mathrm{\ΔL}}_P=\left|S_L^{\′\′}{P}^{\′\′}\right|-\left|S_{L}P\right|=\left|P^{\′\′}G\right|-\left|S_L^{\′\′}G\right|-\left|S_{L}P\right|=\frac{{\mathrm{\Δu}}_P}{{\mathrm{sin\θ}}_1}-\frac{{\mathrm{\Δu}}_{SL}}{{\mathrm{sin\θ}}_1}-k_{yd1}{N}_{s_{l}p}$

${\mathrm{\ΔW}}_P=W_P^{\′\′}-W_P=\frac{(u_1+{\mathrm{\Δu}}_P)w_p^{\′\′}}{v_1}-k_{xd1}{N}_{wp}$

其中|S_LP|、W_P由第一摄像机(4)直接测得，|S″_LT″|由第一摄像机(4)测量并进行误差补偿后测得，|T″P″|、W″_P由第二摄像机(6)测量并进行误差补偿后测得。