CN106767478B - 一种热真空高低温环境下结构微变形测量方法 - Google Patents

一种热真空高低温环境下结构微变形测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热真空高低温环境下结构微变形测量方法，本发明包含测量分系统、温控分系统和结构支撑分系统三个部分。将被测试结构进行散斑喷涂完毕后，安装在真空罐的支撑装置上，粘贴对应靶标点和测温传感器。准备工作完毕后，封闭真空罐并进行抽真空。通过调节液氮供给和加热器进行内部环境温度调节。到达目标温度工况后，通过电机控制调节相机位置，获得图像。在实验数据获取完毕后，利用软件进行相关性计算和去刚体位移，最终获得被测试结构变形量。本发明为高精度结构热变形的测量提供了较好的软硬件系统支撑，可以在宽温域范围真空条件下开展原位的高精度热变形测量。

Description

一种热真空高低温环境下结构微变形测量方法
技术领域
本发明涉及一种结构微变形测量方法。
背景技术
真空高低温环境下结构微变形测量方法，主要解决高稳定性结构在真空高低温环境下三维场的微小变形原位高精度实时测量问题。
目前真空高低温环境下结构微变形测量的方法，主要包括相隔光学玻璃的外部测量方法和原位环境下的摄影测量方法。由于高精度测量仪器主要由精密器件组成，一般在恒温恒湿的实验室环境或者常温常压环境下开展测量工作。因此，将测量仪器放置在真空设备外部，通过光学观察窗对内部结构件的变形情况进行局部测量。该类测量方法由于不是原位测量，存在空间尺寸遮挡等诸多空间物理约束，限制性较强，与本发明方法不具有可比性，在此不予深入讨论。还有一种做法是将摄影测量CCD相机进行温度和压力的保护后，直接放置于真空罐内部，对结构件的变形情况进行原位测量。
当前公开的技术文献和资料显示，原位测量主要采用摄影测量在常压高低温环境下开展，但是该方法主要存在如下问题：
(1)精度等级满足不了微米级的微小变形测量需求。当前摄影测量仪器标定精度为微米级，按照测量1/3原则，测量目标产品精度只能达到0.01mm量级，无法满足产品微米级测量需求。
(2)无法进行连续区域三维位移变形场测量。由于摄影测量是对多靶标点位测量后进行空间点位拟合计算，但是无法做到连续区域测量，无法得出相邻子区域的变形趋势。
(3)CCD相机需要移动，需额外增配多种附件，系统复杂。多相机视野重叠后被测视场区域较小，单相机主要采取电机移动等方式解决景深问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种热真空高低温环境下结构微变形测量方法，解决精密仪器防护和三维场测量问题，对数字散斑图像相关测量数据进行有效融合，避免由于低气压和高低温交变导致的测量数据失真问题。
本发明的技术解决方案是：一种热真空高低温环境下结构微变形测量方法，包括步骤如下：
步骤一、安装测量系统，所述测量系统包括支撑装置、相机保护单元、标示点、测温点、散斑摄像头、数据储存设备、真空泵、控制柜、液氮源、定制灯阵；将支撑装置、相机保护单元、标示点、测温点、散斑摄像头安装在真空罐内，将被测试结构、相机保护单元分别安装在支撑装置两侧，调整被测试结构使得被测试结构的法向矢量与相机保护单元的中心线重合；将散斑摄像头安装在真空罐顶部，位于支撑装置中部上方；在被测试结构表面及其他指定区域粘贴测温点，在被测试结构表面喷涂标示点；将真空泵、液氮源分别与真空罐相连，将控制柜分别与真空泵、液氮源相连控制真空泵、液氮源的运行；将数据储存设备与相机保护单元连接；
步骤二、对真空罐进行抽真空，真空罐内气压达到设定气压后，在常温下，分别利用相机保护单元和散斑摄像头对被测试结构的初始状态进行测量并保存数据，测量参数及内容包括初始状态下被测试结构的正反表面温度、正面型面精度及外形；
步骤三、控制真空罐内温度达到目标温度t1，利用散斑摄像头对标示点中的散斑点云图像进行捕获，变换相机保护单位的姿态并利用相机保护单元获取不同角度下的标示点中的靶标图像；控制真空罐内温度载荷变化至下一个设定的目标温度t2，重复步骤三直至完成最后目标温度tn下的测量并储存数据；n为正整数；
步骤四、对获得的包括常温在内的n+1个不同温度载荷下的标示点的散斑图像进行灰度对比处理，剔除不满足灰度要求的图像；对上述n+1个不同温度载荷中的任意两个温度载荷状态下同一角度位置的标示点散斑图像中的选定子区域进行相关性计算，获得相关系数S(T)；如果相关系数S(T)≥0.8且其他相关系数低于当前S(T)值30％以上，进入步骤五；
步骤五、分别对步骤四中满足相关性要求的两个温度载荷状态下同一角度位置的标示点散斑图像中选定子区域中所有标示点散斑进行去刚体位移计算，得到在两个温度载荷状态下同一角度位置的标示点散斑图像选定子区域内散斑点的三维空间位移数据；
步骤六、将两个温度载荷状态下同一角度位置的标示点散斑图像区域内散斑点的三维空间位移数据作差，获得两个温度载荷状态之间的相对变形量；
步骤七、将步骤六中获得的相对变形量与被测试结构温度载荷条件下理论仿真分析结果进行对比：如果相对变形量与理论分析结果相差在一个数量级之内，则将试验测试获得的相对变形量数据作为结构微变形测量值。
所述初始状态指被测试结构被紧固在支撑装置上，真空罐内压力小于10-3Pa，温度在常温25℃±2℃范围内。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明能够在热真空高低温环境下直接开展精度测量，有效解决了热真空高低温环境下精密仪器防护与精度保证的问题，并能够有机结合数字散斑图像相关和摄影测量的数据，获取了微米级连续区域三维场的变形趋势及数值。
(2)本发明有效融合空间点位三维信息和散斑点云信息，解决型面和变形难题；本发明内部相机的移动和调整都是通过高低温电机完成，整个过程中只需操作人员在真空环境外部进行操作，同时利用单目摄影测量的原理可以有效避免其安装基准便宜引入的测量误差。
(3)本发明能够给出连续区域三维微小变形量，而不是单点精度，为大型结构件热变形的测量提供了强有力的硬件平台支持，可以在更宽的温度区域内大大提高热变形的测量精度，特别是对于真空宽温域原位高精度三维场的微小变形测量方法。
附图说明
图1为本发明的空间布局原理图。
具体实施方式
本发明的一种热真空高低温环境下结构微变形测量方法的测试系统主要由测量分系统、温控分系统和结构支撑分系统三个部分组成。测量分系统由相机保护单元6和散斑摄像头10及其保护装置组成。相机保护单元6主要采用高低温电机进行空间运动时带动单目相机对靶标进行空间点位获取，进行空间点位坐标计算后进行特征拟合，得到其前后的变形量。散斑摄像头及其保护装置10主要采用高精度CCD相机对喷涂在被测结构件上的数字散斑进行点云捕获，进行子区域自相关解算后得到其前后的变形量。温控分系统主要采用定制灯阵进行升温，采用液氮管路进行降温，采用测温点8进行温度测量反馈，从而有效调节散斑摄像头及其保护装置10的温度。结构支撑分系统主要是支撑装置5，采用近零膨胀碳纤维研制，用于支撑被测结构件和数字散斑仪，有效保证其在一定范围内由于支撑结构引起的精度误差足够小且能够补偿计算。
一种热真空高低温环境下结构微变形测量方法，包括步骤如下：
(1)前期准备阶段。如图1所示，本测量系统主体单元由数据储存设备4、相机保护单元6、标示点7、散斑摄像头及其保护装置10、测温点8组成，辅助单元由真空泵1、控制柜2、液氮源3、支撑装置5组成。将被测试结构9安装在支撑装置5上面，使得被测试结构9的法矢与相机保护单元6的中心线基本重合。然后，将散斑摄像头及其保护装置10和相机保护单元6分别安装在支撑装置5的左侧和中间顶部，连接关联管路和集成控制电缆。在被测试结构9的两面及其他指定区域粘贴测温点8，对所有分系统进行导通测试，并对整个测量系统进行联调测试。检查确认无误后，封闭热真空罐大门并开始抽真空。
(2)测量阶段。真空罐内气压达到既定目标后，首先进行常温下的初始状态测量，分别利用相机保护单元6和散斑摄像头及其保护装置10进行被测试结构9的初始状态测量并保存。初始状态是被测结构件被紧固在支撑装置5上，真空罐内压力降低到小于10-3Pa，温度在常温25℃±2℃时的状态。主要测量参数为被测试结构9正反面表面温度、正面型面精度和形貌。然后利用温控分系统进行升降温，当达到某一个目标温度t1后，采用散斑摄像头及其保护装置10进行标示点7中的散斑点云图像捕获，通过伺服电机控制电机变换相机的位姿，利用相机保护单元6获取不同角度的标示点7中的靶标点图像。完成该目标温度t1下测量后，再次利用温控分系统进行温度载荷变化并待其稳定后，再次进行测量并获取数据，直到完成所有目标温度tn下的测量工作。标示点7包括靶标点和散斑点，其中靶标点作为辅助识别点，散斑点作为变形量前后计算相关子区域的点云。n为正整数。
(3)数据处理。对获得的n个不同温度载荷下的标示点7散斑图像进行灰度对比处理，剔除不满足灰度要求的图像。然后对于需要对比分析的两个温度状态，比如目标温度t1和目标温度t2状态下同一位置获得的图像进行选定目标子区域和样本子区域的相关计算和处理(以目标温度t1状态下某一角度位置的图像的选定子区域为样本子区域，以目标温度t2状态下与目标温度t1状态下同一位置的图像的选定子区域为目标子区域)，计算得出的相关系数满足要求后，再进行两幅图像选定子区域前后之间的去刚体位移计算，得到选定子区域内散斑点在目标温度t1和目标温度t2状态下的三维空间位移数据，最终得出目标温度t1和目标温度t2状态下被测试结构9的相对变形量。其中，核心计算步骤为相关计算和去刚体位移计算两个部分。
相关计算。用数字散斑相关方法处理数字散斑云图时，为了准确找到目标温度t2状态下选定的目标子区域是否与目标温度t1状态下选定的样本子区域相对应，一般采用相关系数定量计算两个选定子区域之间相互关系，如下所示：
其中，S(T)为自相关系数函数，f(x,y)为样本子区域中点(x,y)的函数，g(x’,y’)为目标子区域中点(x’,y’)的函数，m为选定子区域内散斑点的数量。当相关系数S(T)大于等于0.8且其他相关系数低于当前S(T)值30％以上时表示相关性系数通过计算。
去刚体位移。在确定目标子区域与样本子区域的相关性满足要求之后，就可以进行去刚体位移，即消除散斑摄像头10和被测试结构9由于外在振动等因素干扰而发生的相对整体性刚体位移。分别对函数f(x,y)样本子区域所有点(x,y)和g(x’,y’)目标子区域中所有点(x’,y’)去刚体位移。去刚体位移计算公式如下所示：
式中，[xc,yc,zc,1]为去除刚体之后目标点的三维齐次坐标形式；
[x,y,z,1]为去除刚体之前目标点的三维齐次坐标形式；
T为目标点从目标温度t1到目标温度t2的状态下所发生的空间平移量，用平移矩阵来表征；
R为目标点从目标温度t1到目标温度t2的状态下所发生的空间旋转量，用旋转矩阵来表征。
去刚体位移后，目标子区域和样本子区域之间的变化量就是由温度载荷所带来的前后变形量。计算公式如下所示：
Δ＝g(x′c,y′c,z′c)-f(xc,yc,zc)
式中，Δ为从目标温度t1到目标温度t2被测试结构9上选定区域的相对变形量；
g(x′c,y′c,z′c)为目标温度t1时被测试结构9上的目标子区域点函数值；
f(xc,yc,zc)为目标温度t2时被测试结构9上的样本子区域点函数值；
在通过相关性计算和去刚体位移后，获得的相对变形量Δ后，与被测试结构9温度载荷条件下理论仿真分析结果对比分析，如果相差在一个数量级之内，则可以取信试验测试数据。如果相差大于一个数量级，则需要进一步对理论仿真数据和试验过程分别进行复核复算，找出相差原因，或者重新开始试验进行测量。
试验测试工作结束后，将真空罐恢复至常温常压，打开后取出相机保护单元6、散斑摄像头及其保护装置10和被测试结构9等，所有工作结束。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种热真空高低温环境下结构微变形测量方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤一、安装测量系统，所述测量系统包括支撑装置(5)、相机保护单元(6)、标示点(7)、测温点(8)、散斑摄像头(10)、数据储存设备(4)、真空泵(1)、控制柜(2)、液氮源(3)、定制灯阵；将支撑装置(5)、相机保护单元(6)、标示点(7)、测温点(8)、散斑摄像头(10)安装在真空罐内，将被测试结构(9)、相机保护单元(6)分别安装在支撑装置(5)两侧，调整被测试结构(9)使得被测试结构(9)的法向矢量与相机保护单元(6)的中心线重合；将散斑摄像头(10)安装在真空罐顶部，位于支撑装置(5)中部上方；在被测试结构(9)表面及其他指定区域粘贴测温点(8)，在被测试结构(9)表面喷涂标示点(7)；将真空泵(1)、液氮源(3)分别与真空罐相连，将控制柜(2)分别与真空泵(1)、液氮源(3)相连控制真空泵(1)、液氮源(3)的运行；将数据储存设备(4)与相机保护单元(6)连接；
步骤二、对真空罐进行抽真空，真空罐内气压达到设定气压后，在常温下，分别利用相机保护单元(6)和散斑摄像头(10)对被测试结构(9)的初始状态进行测量并保存数据，测量参数及内容包括初始状态下被测试结构(9)的正反表面温度、正面型面精度及外形；
步骤三、控制真空罐内温度达到目标温度t1，利用散斑摄像头(10)对标示点(7)中的散斑点云图像进行捕获，变换相机保护单位的姿态并利用相机保护单元(6)获取不同角度下的标示点(7)中的靶标图像；控制真空罐内温度载荷变化至下一个设定的目标温度t2，重复步骤三直至完成最后目标温度tn下的测量并储存数据；n为正整数；
步骤四、对获得的包括常温在内的n+1个不同温度载荷下的标示点(7)的散斑图像进行灰度对比处理，剔除不满足灰度要求的图像；对上述n+1个不同温度载荷中的任意两个温度载荷状态下同一角度位置的标示点(7)散斑图像中的选定子区域进行相关性计算，获得相关系数S(T)；如果相关系数S(T)≥0.8且其他相关系数低于当前S(T)值30％以上，进入步骤五；
步骤五、分别对步骤四中满足相关性要求的两个温度载荷状态下同一角度位置的标示点(7)散斑图像中选定子区域中所有标示点(7)散斑进行去刚体位移计算，得到在两个温度载荷状态下同一角度位置的标示点(7)散斑图像选定子区域内散斑点的三维空间位移数据；
步骤六、将两个温度载荷状态下同一角度位置的标示点(7)散斑图像区域内散斑点的三维空间位移数据作差，获得两个温度载荷状态之间的相对变形量；
步骤七、将步骤六中获得的相对变形量与被测试结构(9)温度载荷条件下理论仿真分析结果进行对比：如果相对变形量与理论分析结果相差在一个数量级之内，则将试验测试获得的相对变形量数据作为结构微变形测量值；
相机保护单元(6)采用高低温电机进行空间运动时带动单目相机对靶标进行空间点位获取，进行空间点位坐标计算后进行特征拟合，得到其前后的变形量。
2.根据权利要求1所述的一种热真空高低温环境下结构微变形测量方法，其特征在于：所述初始状态指被测试结构(9)被紧固在支撑装置(5)上，真空罐内压力小于10-3Pa，温度在常温25℃±2℃范围内。
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