CN109870115A - 一种湿热载荷下的物体表面应变测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种湿热载荷下的物体表面应变测量装置，属于精密测量技术领域，旨在实现湿热载荷下对物体表面应变的自动化无靶标高精度连续测量，包括：温湿度测试箱、测量单元和控制计算机，其中，温湿度测试箱用于保证箱体内的温湿度达到测量要求，测量单元安装在温湿度测试箱箱门上，其中底座固定在温湿度测试箱的观察窗下沿，直线模组固定在底座上，且与温湿度测试箱观察窗平行，支撑架固定在直线模组上的滑块上，支撑架上安装激光轮廓传感器，在运行时激光轮廓传感器可以随模组滑块相对于温湿度测试箱左右移动，并透过观察窗扫描箱体内夹具上的被测物体表面。控制计算机用于控制激光轮廓传感器移动并处理获取的点云数据求得应变。

Description

一种湿热载荷下的物体表面应变测量装置

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，涉及一种湿热载荷下的物体表面应变测量装置，可用于对物体表面应变的自动化无靶标高精度连续测量。

背景技术

物体在受到外力作用下会产生一定的变形，变形的程度称为应变。物体在温度变化时，会产生热应变。部分物体在湿空气中会吸收水分，进而产生湿应变。对于印刷电路板，塑封芯片等物体，在温度和湿度剧烈变化的情况下，热应变和湿应变的叠加会使物体产生较大的变形或者破坏，这将影响到其工作性能。为了研究热膨胀和吸湿膨胀因素在单独和共同作用时物体的应力分布，需要对表面应变进行精确测量。

为满足温度和湿度载荷下对物体的应变测量，测量设备应满足以下几点要求：一、测量设备应该能准确控制被测物体周围温湿度按照要求变化，且温度湿度应有较大的变化范围和变化速率；二、由于器件的充分吸湿是一个长时间的过程，可能达到一百多个小时，因此为确保测量结果的准确有效性，应该实现对物体整个应变过程的自动化连续测量，且测量方法应该具有较高的精度。

物体的表面应变数据，可以通过对比所测量的表面轮廓上点的坐标与零应变时表面轮廓上的对应点的坐标的方法确定。目前国内有一些物体表面应变或轮廓的测量技术与装备，其在一定程度上满足了上述两点要求。如中国电子科技集团公司张怡等发表在《电子元件与材料》2019年第38卷第1期61-66,77页的名称为“热循环载荷下LTCC基板焊接组件结构仿真分析与试验对比研究”的论文，公开了一种数字图像相关测量系统，用于测量低温共烧陶瓷基板焊接组件热试验的变形及应变。在该系统中，被测组件竖直放置在热试验箱内，正面朝向热试验箱的观察窗口，双目摄像机放置在观察窗口外，拍摄被测试件的表面轮廓并计算热变形数据。由于该系统中双目相机与热试验箱分开安装，抗干扰能力差，另外由于该系统使用的数字图像技术需要识别物体表面的匹配点对，因此试验前需要在被测试件表面喷涂一层散斑，该测量系统可以获取较精确的测量结果，但这种测量系统在测量过程中会对被测对象带来表面损伤，喷涂靶标不适用于高温湿度的测量环境，且会影响被测物体的湿热传导过程。又如申请公布号为CN108534679A，名称为“一种筒形件轴线位姿的无靶标自动测量装置及方法”的专利申请，提出了一种筒形件轴线位姿的无靶标自动测量装置，该装置通过电机驱动激光轮廓传感器对被测筒形件进行扫描获得表面轮廓点云数据，并通过计算机处理得到筒形件的位姿信息。该装置取消了靶标安装或喷涂的过程，简化了大批量产品的生产工序，提高了生产效率，选用激光轮廓传感器相比采用工业相机对被测物进行拍照的测量方式，激光的抗干扰能力更强，设备稳定性更好，但是该装置是专门针对筒形件的轮廓测量以及其轴线姿态推算，功能单一，且不适应于温湿度变化情况下的物体表面应变的测量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出一种湿热载荷下的物体表面应变测量装置，旨在实现湿热载荷下对被测物件的表面应变的连续测量，并提高测量精度。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括温湿度测试箱1、测量单元2和控制计算机3，其中：

所述温湿度测试箱1，包括升降温装置、加湿除湿设备、温湿度控制界面，以及测试箱体11，该测试箱体11的侧面设置有箱门12，所述箱门12上设置有通过透明材料封闭的观察窗13，所述测试箱体11内部的支架上固定有夹具14，所述箱门12关闭时，内部空间与外界环境绝热绝湿，通过控制界面可以调节箱体内的温湿度。

所述测量单元2，包括固定在箱门12上且邻近观察窗13下沿的底座21，该底座21的上表面固定有直线模组25，所述直线模组25的模组滑轨上安装有模组滑块24，该模组滑块24上固定有支撑架23，支撑架23上安装有激光轮廓传感器22，用于对待测物体进行激光扫描，并接收扫描的点云数据，所述直线模组25长度方向的一端安装有驱动电机26，用于通过传动部件驱动模组滑块24沿直线模组25的滑轨平移，所述驱动电机26的尾部连接有编码器27，用于测量激光轮廓传感器22随模组滑块24移动的距离；

所述控制计算机3，用于控制激光轮廓传感器22随模组滑块24的移动，同时对激光轮廓传感器22扫描的点云数据进行处理。

作为优化，所述夹具14，其夹持待测物体的一侧面向观察窗13，且与观察窗13平行。

作为优化，所述夹具14，采用不随温度和湿度的改变产生应变的零膨胀材料。

作为优化，所述激光轮廓传感器22，其激光发射器和射出的激光线所确定的平面与夹具14夹持待测物体的一侧面垂直，其沿直线模组25长度方向的移动路径与夹具14夹持待测物体的一侧面平行。

作为优化，所述直线模组25，其传动部件采用丝杠或同步带结构。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明的测量单元固定在能够提供湿热载荷的温湿度测试箱的箱门上，通过控制计算机控制电动机驱动模组滑块沿直线模组运动，实现测量单元中的激光轮廓传感器对固定在温湿度测试箱内夹具所夹持的物体表面轮廓的扫描，与现有技术相比，提高了抗干扰能力，且控制计算机对两次扫描之间的时间间隔控制精确，有效提高了测量结果的精度。

2.本发明能够实现通过控制计算机对整个测量过程的自动控制，不需要人的参与，与现有技术相比，实现了自动化连续测量。

3.本发明选用激光轮廓传感器发射激光测量物体表面轮廓，不需要在被测物体表面安装或喷涂靶标，为无损测量，避免了靶标对物体湿热传导的改变而导致的测量误差，且不需要考虑高温湿度导致的靶标失效，与现有技术相比，扩大了温湿度的适用范围。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的温湿度测试箱结构示意图；

图3为本发明实施例的测量单元结构示意图；

图4为本发明测量过程的实现流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：

参照图1，本发明包括温湿度测试箱1、测量单元2和控制计算机3，其中：

参照图2，所述温湿度测试箱1，包括升降温装置、加湿除湿设备、温湿度控制界面，以及测试箱体11，该测试箱体11的侧面设置有箱门12，所述箱门12上设置有通过透明材料封闭的观察窗13，所述箱门12关闭时，内部空间与外界环境绝热绝湿，通过控制界面可以调节箱体内的温湿度。所述测试箱体11内部的支架上固定有夹具14，为了不使夹具14的湿热变形对被测物体的应变测量造成干扰，其采用不随温度和湿度的改变产生应变的零膨胀材料制成，本实施例的夹具14材料采用零膨胀合金。为了方便测量，所述夹具14夹持待测物体的一侧面向观察窗13，且与观察窗13平行，用于安装被测物体。为适应不同大小物体的测量需求，夹具14的位置相对于观察窗13可以前后移动，物体在夹具14上的夹持位置可上下调整，以保证被测物体处于激光轮廓传感器的扫描范围内。

参照图3，所述测量单元2，包括固定在箱门12上且邻近观察窗13下沿的底座21，该底座21的上表面通过螺栓固定有直线模组25，所述直线模组25为一种直线传动装置，主要由传动结构和模组滑轨两部分组成，用于将旋转运动转化为模组滑块的直线运动，根据其传动结构的不同，直线模组可分为丝杠式或同步带式两类，本实施例采用丝杠式传动结构。所述直线模组25的模组滑轨上安装有模组滑块24，该模组滑块24上固定有支撑架23，支撑架23上安装有激光轮廓传感器22，激光轮廓传感器22又可被称为激光二维传感器、二维激光测距传感器，其可以向被测物体表面投射一束激光带，并测量该激光线上物体表面各点的空间位置。为了保证测量过程简单，结果直观，所述激光轮廓传感器22的两个激光发射器发射的激光线所确定的平面与夹具14夹持待测物体的一侧面垂直，且该激光轮廓传感器22沿直线模组25滑轨长度方向的移动路径与夹具14夹持待测物体的一侧面平行。所述直线模组25长度方向的一端安装有驱动电机26，用于通过传动部件驱动模组滑块24沿直线模组25的滑轨平移，所述驱动电机26的尾部连接有编码器27，用于测量激光轮廓传感器22随模组滑块24移动的距离。

所述控制计算机3，用于根据预先设定的时间间隔，控制激光轮廓传感器22随模组滑块24的移动，并且在激光轮廓传感器22扫描物体表面的同时，建立测量坐标系，将扫描获得的表面点位置数据生成点云图，将不同时刻物体表面点云图和初始表面点云图上的对应点坐标进行比较，生成物体表面应变云图。

参考图4，本发明测量步骤为：

步骤1)将被测物体固定在夹具14上，调整夹具14的位置，使被测物体位于激光轮廓传感器22的测量范围内，关上温湿度测试箱门12；

步骤2)按照试验要求通过温湿度控制界面设置温湿度测试箱1内的温度和湿度，使温湿度随测试要求变化；

步骤3)控制计算机3生成物体表面点云图：

步骤3a)控制计算机3以直线模组25的一端为测量原点0，以模组滑块24的行进方向为X轴，激光轮廓传感器22的视场深度方向为Y轴，视场宽度方向为Z轴，建立测量坐标系0-XYZ；

步骤3b)激光轮廓传感器22沿测量坐标系0-XYZ的X轴方向对被测物体表面进行扫描，并将得到的扫描点云上传至控制计算机3，同时编码器27将记录的各扫描点的X轴坐标上传至控制计算机3；

步骤3c)控制计算机3根据激光轮廓传感器22从直线模组25一端到另一端获得的各扫描点坐标数据，生成该时刻的被测物体表面点云图；

步骤3d)当模组滑块24运行到直线模组25的另一端时，控制计算机3驱动模组滑块回到原点；

步骤4)控制计算机3根据预先设定的时间间隔，自动控制激光轮廓传感器22每隔一定时间对被测物体扫描一次，生成该时刻的表面点云图并保存；

步骤5)控制计算机3将不同时刻物体表面点云图与标准表面点云图上的对应点坐标进行比较，生成物体表面应变云图，测量精度可以达到微米级；

步骤6)控制计算机3获取不同时刻物体表面应变云图上的同一点应变数据，即能获得被测物体的表面应变连续变化情况。

以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种湿热载荷下的物体表面应变测量装置，其特征在于，包括温湿度测试箱(1)、测量单元(2)和控制计算机(3)，其中：

所述温湿度测试箱(1)，包括升降温装置、加湿除湿设备、温湿度控制界面，以及测试箱体(11)，该测试箱体(11)的侧面设置有箱门(12)，所述箱门(12)上设置有通过透明材料封闭的观察窗(13)，所述测试箱体(11)内部的支架上固定有夹具(14)；

所述测量单元(2)，包括固定在箱门(12)上且邻近观察窗(13)下沿的底座(21)，该底座(21)的上表面固定有直线模组(25)，所述直线模组(25)的模组滑轨上安装有模组滑块(24)，该模组滑块(24)上固定有支撑架(23)，支撑架(23)上安装有激光轮廓传感器(22)，用于对待测物体进行激光扫描，并接收扫描的点云数据，所述直线模组(25)长度方向的一端安装有驱动电机(26)，用于通过传动部件驱动模组滑块(24)沿直线模组(25)的滑轨平移，所述驱动电机(26)的尾部连接有编码器(27)，用于测量激光轮廓传感器(22)随模组滑块(24)移动的距离；

所述控制计算机(3)，用于控制激光轮廓传感器(22)随模组滑块(24)的移动，同时对激光轮廓传感器(22)扫描的点云数据进行处理。

2.根据权利要求1所述的一种湿热载荷下的物体表面应变测量装置，其特征在于，所述夹具(14)，其夹持待测物体的一侧面向观察窗(13)，且与观察窗(13)平行。

3.根据权利要求1所述的一种湿热载荷下的物体表面应变测量装置，其特征在于，所述夹具(14)，采用不随温度和湿度的改变产生应变的零膨胀材料。

4.根据权利要求1所述的一种湿热载荷下的物体表面应变测量装置，其特征在于，所述激光轮廓传感器(22)，其中两个激光发射器发射的激光线所确定的平面与夹具(14)夹持待测物体的一侧面垂直，且该激光轮廓传感器(22)沿直线模组(25)滑轨长度方向的移动路径与夹具(14)夹持待测物体的一侧面平行。

5.根据权利要求1所述的一种湿热载荷下的物体表面应变测量装置，其特征在于，所述直线模组(25)，其传动部件采用丝杠或同步带结构。