CN109839072B - 一种基于dic的温度场与变形场同步测量的方法及装置 - Google Patents

一种基于dic的温度场与变形场同步测量的方法及装置 Download PDF

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本发明公开了一种基于DIC的温度场与变形场同步测量的方法及装置，本发明方法使用彩色CCD相机配合滤波片实时获取不同温度下被测试样表面散斑图像，预先使用同批次试样制作而成的标定块进行5℃温度梯度的标定试验，将数据转化至具有视觉一致性的CIEL*a*b*色彩空间，并使用三次样条插值获得连续的温度标定曲线。利用散斑图像中含有示温漆的像素点颜色变化，结合温度标定曲线进行温度场的实时测量；利用散斑图像转化得到的灰度梯度图像进行亚像素级变形场的快速搜索，从而实现了温度场与变形场的同步获取，操作简单，克服了现有测量方法的复杂性和非同步性问题。

Description

一种基于DIC的温度场与变形场同步测量的方法及装置
技术领域
本发明属于高温下材料性能与温度测量技术，具体涉及一种基于DIC的温度场与变形场同步测量的方法及装置。
背景技术
温度场与变形场同步测量是研究材料热力学性能的基础。目前高温变形测量手段主要包括接触式与非接触式测量，而非接触式测量以其非接触性和全场性特点而得到广泛研究，其中数字图像相关(DIC)方法以散斑为信息承载体表征物体变形，具有操作简便、测试环境要求低和精度高等优势而迅速发展。对于非接触式温度场测量，红外热成像仪是目前使用最为成熟的测试方法，但其分辨率却远低于CCD相机，而且价格昂贵。
现有的温度场与变形场的测量有使用彩色CCD相机透过单相机双目成像系统得到被测物体三维变形，同时利用比色法运算和基于红外测温仪标定的基准温度得到被测物体表面的全场温度。但该种测量方法光路布置要求严格，对于实际应用有所限制，而且比色法在1000℃以上才具有较高的精度，导致1000℃以下测量的温度场精度较差。还有使用彩色CCD相机识别示温漆在不同温度下颜色变化，与温度标定曲线匹配从而得到实际测量的温度值，但该方法只能获得温度信息，而不能解决高温环境下的温度与变形的同步获取问题。
发明内容
发明目的：本发明提供一种基于DIC的温度场与变形场同步实时测量方法及装置，实现了温度场与变形场的同步获取，操作简单，克服了现有测量方法的复杂性和非同步性问题。
技术方案：本发明所述的一种基于DIC的温度场与变形场同步测量方法，包括以下步骤：
(1)实时获取不同温度下标定块表面散斑图像；
(2)将各散斑图RGB值转化为CIE L*a*b*色彩空间值，并与对应温度值形成标定对，得到色彩空间下的离散温度标定点，对数据进行三次样条插值，得到标定块的连续温度标定曲线；
(3)对被测试样进行加热；
(4)利用照明光源照射在被测试样表面，彩色CCD相机实时获取被测试样散斑图像，传输、存储至计算机；
(5)计算机提取散斑图中M*N像素点矩形范围内含有示温漆的像素点，将RGB值转化为CIEL*a*b*色彩空间值，并取其算术平均值作为中心点C的色彩空间值(L0,a0,b0)，与标定的连续温度曲线进行最小匹配得到C点温度值Tm，得到测量区域温度场分布T(x,y)；
(6)同时，计算机将散斑图像转化为灰度图像，使用二阶形函数进行二维位移搜索，并基于局部最小二乘拟合的方法求解，得到测量区域二维热应变场，实现某一时刻被测试样的温度场与变形场同步测量。
步骤(4)所述的照明光源为蓝光照明光源。
所述步骤(5)包括以下步骤：
(51)对采集的标定匹配对图像进行由RGB值向三刺激值X,Y,Z的转化，使用变换矩阵A完成转化：
Figure GDA0002298489700000021
其中：
Figure GDA0002298489700000022
(52)将标定匹配对图像的三刺激值X,Y,Z通过f函数转换到具有视觉一致性的CIEL*a*b*色彩空间：
Figure GDA0002298489700000023
其中：
Figure GDA0002298489700000031
(53)在标定温度范围内进行
Figure GDA0002298489700000032
的最小值求解以及最小值对应的温度Tm,
Figure GDA0002298489700000033
用来反应此次测量的准确程度，Tm则为试样图片上C点的温度值，对被测区域内所有像素点进行上述计算即得到被测区域的温度场分布T(x,y)。
所述步骤(6)包括以下步骤：
(61)将被测试样的散斑图像转化为灰度图像，使用二阶形函数，利用零均值最小相关系数进行二维位移场u、v的快速搜索，频域搜索法加反向高斯牛顿迭代法(ICGN)可以实时获得被测试样在不同温度下的变形图像；
(62)使用局部最小二乘法进行由位移场向应变场的转化，对离散位移数据使用二维一次多项式来拟合位移场u、v；并使用(2M+1)*(2M+1)位移数据点组成的S矩阵求解系数a、b：
Figure GDA0002298489700000034
Figure GDA0002298489700000035
(63)小变形情况下的Cauchy应变分量可按下式计算：
Figure GDA0002298489700000036
本发明所述的一种基于DIC的温度场与变形场同步测量装置，包括：标定块、加热装置、滤波片、彩色CCD相机、照明光源，计算机；所述标定块用于正式试验前标定温度曲线；所述加热装置提供可控且均匀的高温环境；所述滤波片放置于彩色CCD相机镜头正前方，消除红外辐射对成像造成的干扰；所述照明光源固定在相机三角架上，位于彩色CCD相机正下方，照射在被测物体表面；所述彩色CCD相机拍摄被测物体表面，获得被测物体表面散斑图像；所述计算机接受彩色CCD相机拍摄的散斑图像并进行处理分析得到温度场信息与变形场信息。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：实现了被测物体温度场与变形场的同步获取，以单相机作为测量仪器，操作简单，克服了传统方法中使用红外相机与CCD相机等多相机进行测量的复杂性和非同步性问题。
附图说明
图1为本发明的基于DIC的温度场与变形场同步测量的流程图；
图2为本发明的基于DIC的温度场与变形场同步测量装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。本实施例中试件为Inconel 718材料，截面为矩形；选择KN6型号耐1800℃示温漆，在100℃～1200℃具有13个变色点。具体实施步骤如图1所示，包括以下步骤：
(1)将KN6示温漆均匀喷洒至被测试样表面形成随机散斑。
(2)取同批次被测试样中的一个作为标定块进行温度标定试验，将标定块放置石英灯加热炉中，在高温环境下均匀加热2分钟后以5℃温度梯度逐级上升，每级温升速率10℃/min，加热区间为100℃～1200℃。使用彩色CCD相机和放置在相机镜头前的滤波片采集各级温度梯度下标定块表面散斑图像，并与加热温度组成标定匹配对，传入计算机进行处理。
(3)对采集的标定匹配对图像进行由RGB值向三刺激值X,Y,Z的转化，使用变换矩阵A完成转化。
Figure GDA0002298489700000041
其中：
Figure GDA0002298489700000042
(4)再将标定匹配对图像的三刺激值X,Y,Z通过f函数转换到具有视觉一致性的CIE L*a*b*色彩空间。
Figure GDA0002298489700000051
其中：
Figure GDA0002298489700000052
(5)对处理后的所有离散样本数据点进行三次样条插值，得到连续的温度特性曲线，以此作为温度标定曲线。
(6)开展测试试验，彩色CCD相机捕获被测试样在不同温度下的表面散斑图像；得到待测区域内任意一点C的坐标(x,y)，判断性选择以C点为中心的M*N范围内(R,G,B)值均小于200的像素点，并将其转换成CIEL*a*b*色彩空间值(L′0，a′0，b′0)，取算术平均值作为C点的色彩空间值(L0,a0,b0)。
(7)求出点C(L0,a0,b0)到温度标定曲线上任意一点D的欧式距离
Figure GDA0002298489700000053
是温度值t的函数，即
Figure GDA0002298489700000054
(8)在标定温度范围内进行
Figure GDA0002298489700000055
的最小值求解以及最小值对应的温度Tm,
Figure GDA0002298489700000056
用来反应此次测量的准确程度，Tm则为试样图片上C点的温度值，对被测区域内所有像素点进行上述计算即得到被测区域的温度场分布T(x,y)。
(9)将被测试样的散斑图像转化为灰度图像，使用二阶形函数，利用零均值最小相关系数进行二维位移场u、v的快速搜索。频域搜索法加反向高斯牛顿迭代法(ICGN)可以实时获得被测试样在不同温度下的变形图像。
(10)使用局部最小二乘法进行由位移场向应变场的转化。对离散位移数据使用二维一次多项式来拟合位移场u、v；并使用(2M+1)*(2M+1)位移数据点组成的S矩阵求解系数a、b。
Figure GDA0002298489700000061
Figure GDA0002298489700000062
(11)小变形情况下的Cauchy应变分量可按下式计算：
Figure GDA0002298489700000063
(12)计算机在显示窗口同步显示被测物体测试区域的温度场与变形场的信息。
如图2所示，一种基于DIC的温度场与变形场同步测量装置，包括：标定块2、加热装置3、滤波片4、彩色CCD相机5、照明光源6，计算机7；标定块2用于正式试验前标定温度曲线；加热装置3提供可控且均匀的高温环境；滤波片4放置于彩色CCD相机5镜头正前方，消除红外辐射对成像造成的干扰；照明光源，此处采用蓝光照明光源固定在相机三角架上，位于彩色CCD相机正下方，照射在被测物体表面；彩色CCD相机5拍摄被测物体表面，获得被测物体表面散斑图像；计算机7接受彩色CCD相机拍摄的散斑图像并进行处理分析得到温度场信息与变形场信息。待测量时将被测物体1放入如图位置进行测量。

Claims (3)

1.一种基于DIC的温度场与变形场同步测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)实时获取不同温度下标定块表面散斑图像；
(2)将各散斑图RGB值转化为CIE L*a*b*色彩空间值，并与对应温度值形成标定对，得到色彩空间下的离散温度标定点，对数据进行三次样条插值，得到被标定块的连续温度标定曲线；
(3)对被测试样进行加热；
(4)利用照明光源照射在被测试样表面，彩色CCD相机实时获取被测试样散斑图像，传输、存储至计算机；
(5)计算机提取散斑图中M*N像素点矩形范围内含有示温漆的像素点，将RGB值转化为CIEL*a*b*色彩空间值，并取其算术平均值作为中心点C的色彩空间值(L0,a0,b0)，与标定的连续温度曲线进行最小匹配得到C点温度值Tm，得到测量区域温度场分布T(x,y)；
(6)同时，计算机将散斑图像转化为灰度图像，使用二阶形函数进行二维位移搜索，并基于局部最小二乘拟合的方法求解，得到测量区域二维热应变场，实现某一时刻被测试样的温度场与变形场同步测量；
所述步骤(5)包括以下步骤：
(51)对采集的标定匹配对图像进行由RGB值向三刺激值X,Y,Z的转化，使用变换矩阵A完成转化：
Figure FDA0002314160250000011
其中：
Figure FDA0002314160250000012
(52)将标定匹配对图像的三刺激值X,Y,Z通过f函数转换到具有视觉一致性的CIEL*a*b*色彩空间：
Figure FDA0002314160250000021
其中：
Figure FDA0002314160250000022
(53)在标定温度范围内进行的最小值求解以及最小值对应的温度Tm,
Figure FDA0002314160250000024
用来反应此次测量的准确程度，Tm则为试样图片上C点的温度值，对被测区域内所有像素点进行上述计算即得到被测区域的温度场分布T(x,y)；
所述步骤(6)包括以下步骤：
(61)将被测试样的散斑图像转化为灰度图像，使用二阶形函数，利用零均值最小相关系数进行二维位移场u、v的快速搜索，频域搜索法加反向高斯牛顿迭代法(ICGN)可以实时获得被测试样在不同温度下的变形图像；
(62)使用局部最小二乘法进行由位移场向应变场的转化，对离散位移数据使用二维一次多项式来拟合位移场u、v；并使用(2M+1)*(2M+1)位移数据点组成的S矩阵求解系数a、b：
Figure FDA0002314160250000025
Figure FDA0002314160250000026
(63)小变形情况下的Cauchy应变分量可按下式计算：
2.根据权利要求1所述的一种基于DIC的温度场与变形场同步测量方法，其特征在于，步骤(4)所述的照明光源为蓝光照明光源。
3.一种采用如权利要求1所述方法的基于DIC的温度场与变形场同步测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：标定块、加热装置、滤波片、彩色CCD相机、照明光源，计算机；所述标定块用于正式试验前标定温度曲线；所述加热装置提供可控且均匀的高温环境；所述滤波片放置于彩色CCD相机镜头正前方，消除红外辐射对成像造成的干扰；所述照明光源固定在相机三角架上，位于彩色CCD相机正下方，照射在被测物体表面；所述彩色CCD相机拍摄被测物体表面，获得被测物体表面散斑图像；所述计算机接受彩色CCD相机拍摄的散斑图像并进行处理分析得到温度场信息与变形场信息。
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