CN110057399A - 一种基于3d-dic的温度场与位移场同步测量系统及测量方法 - Google Patents

一种基于3d-dic的温度场与位移场同步测量系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三维数字图像相关(3D‑DIC)的温度场与位移场同步测量系统及测量方法。本发明测量系统包括：振动源，标定块，石英灯加热炉，计算机，蓝光光源，带通滤光片，彩色相机以及测试试样；本发明方法需首先进行温度‑示温漆颜色标定试验，得到温度与示温漆颜色的对应关系，后用示温漆在试样表面喷涂散斑，采用两台相机采集试样表面的散斑的图片，根据散斑的颜色得到试样的温度场，根据散斑的位置得到试样的三维位移场，从而实现温度场与位移场的同步测量。与现有技术相比，本发明具有操作简单、全场测量、温度与位移同步测量的优点。

Description

一种基于3D-DIC的温度场与位移场同步测量系统及测量方法
技术领域
本发明属于机器视觉、3D-DIC技术领域，尤其涉及一种基于3D-DIC的温度场与位移场同步测量系统及测量方法。
背景技术
高超声速飞行器在大气中飞行时，表面与大气摩擦产生大量的热，由此引起的高温、温度梯度将产生热应力和热变形，并使飞行器的外形、结构强度、结构刚度等发生变化，从而改变飞行器的振动特性，因此高温环境下的振动试验显得尤为重要。
在高温环境下的振动试验中，传统的温度测量方法有一定的局限性，如热电偶需要与试样接触，会引入附加质量和附加刚度，且只能测量单个点的温度；红外热成像仪不需要接触试样，且能测量温度场，但分辨率较小并且价格昂贵，不能实现与振动信号的同步测量。加速度传感器是最常用的振动信号测量装置，使用时需要粘贴在试样表面，属于接触式测量，受其耐温能力限制，常用于常温试验。激光测振仪属于非接触测量，一般情况下，激光测振仪在每次试验时只能测量一点处的响应，扫描型激光测振仪可以在一次试验中完成多点测量，但各测点依次测量造成数据间存在不同的时间延迟，因此被测结构在扫描过程中需保持平稳振动，不能用于具有明显时变特征的结构。
冯雪，王显，张长兴等著的“高温环境下单相机三维变形与温度同步测量装置及方法”(CN201610756074.7)中使用彩色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。该测试系统光路布置要求严格，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。
马春武所著的“示温漆温度自动判读与数字图像处理研究”(1028703 08-0044)中使用彩色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位移的同步获取问题。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于三维数字图像相关(3D-DIC)的温度场与位移场同步测量系统及测量方法。本发明可以实现温度场与位移场的同步测量，且操作简单，解决了高温环境下的振动试验中的温度与振动信号测量问题。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于3D-DIC的温度场与位移场同步测量系统，包括：振动源2，标定块3，石英灯加热炉4，计算机7，蓝光光源8，带通滤光片9，彩色相机10以及测试试样；其中，蓝光光源8，带通滤光片9，彩色相机10各两组，彩色相机10包括相机L和相机R。
标定块3的材料与试样相同，表面喷涂KN6型示温漆，用于温度-示温漆颜色曲线的标定；石英灯加热炉4用于提供温度可控且均匀的高温环境，加热炉一侧安装有耐高温的光学级石英玻璃窗口，该窗口用于保温隔热、为彩色相机提供光学通道；标定块3与测试试样安装于石英灯加热炉4中，振动源2位于石英灯加热炉4外部，并通过金属杆与测试试样相连；带通滤光片9可使蓝光通过，放置于彩色相机10镜头正前方贴镜头位置处，消除红外辐射对成像的干扰；蓝光光源8为单色蓝光二极管，固定在相机三角架上，位于彩色相机10正下方，为相机补充照明；两台彩色相机用于采集试样图片，放置于加热炉石英玻璃窗口内标定块3和测试试样正前方，确保两台彩色相机均能拍摄到完整的试样图片；计算机7与彩色相机10连接，实现温度场与位移场测量数据的快速处理与显示；所述振动源2可为激振器，也可为锤子等其他振动源。
本发明的基于3D-DIC的温度场与位移场同步测量方法，包括以下步骤：
(1)准备与试样相同材料的标定块3，标定块3表面喷涂示温漆，将标定块3置于石英灯加热炉4中进行试验，得到温度-示温漆颜色标定曲线；
(2)清洗试样表面，喷涂白色耐高温漆，待干燥后采用示温漆喷涂散斑；将试样安装于石英灯加热炉4中；将计算机7与彩色相机10连接，调整彩色相机10视场，使两台彩色相机均能拍摄到完整的试样图片；进行相机标定，开始试验，开启振动源2，使试样发生振动位移，两台彩色相机按固定帧数同步采集试样图片，传输、存储至计算机7；
(3)根据步骤(2)中相机L采集到的图片选择P个温度测点，计算每个温度测点的RGB值，结合步骤(1)所得温度-示温漆颜色标定曲线，得到试样表面的温度场；
(4)根据步骤(2)中两台相机采集到的图片，将步骤(3)选择的温度测点作为位移测点，采用三维数字图像相关法，计算得到试样的位移场；
(5)计算机7同步显示温度场5与位移场6测量结果。
进一步，步骤(1)中，得到温度-示温漆颜色标定曲线，包括如下步骤：
(1-1)将标定块3放到石英灯加热炉4中，以一定的温升速率加热至T1；
(1-2)维持m分钟温度不变后用相机L采集标定块3图片并记录温度；
(1-3)继续以相同的温升速率加热，温度每升高t则重复一次步骤(1-2)，直至温度升高到T2，停止加热；
(1-4)通过计算机7处理试验数据，得到每个温度对应的示温漆的RGB值，并进行三次样条插值，得到连续的温度-示温漆颜色标定曲线；所述样条插值为一种插值方法，该方法可以将离散的数据变成连续的数据，进而得出任意温度对应的示温漆的RGB值。
进一步，步骤(3)中，试样表面的温度场测量方法如下：
(3-1)根据步骤(2)中相机L采集到的图片，随机选择图片上的P个像素点作为P个温度测点；可根据实际需求选择一张或K张图片处理，选择一张图片处理，可以得到某一时刻的温度场，选择K张图片处理，则可以得到K个时间点的温度场；
(3-2)选择以温度测点为中心的M×N像素的矩形区域作为计算区域，排除背景，即白色耐高温漆，仅提取示温漆的RGB值用于计算温度，即排除计算区域内RGB值均大于200的像素点，计算矩形区域内剩余像素点RGB值的平均值，作为温度测点的RGB值；
(3-3)结合温度-示温漆颜色标定曲线，按一定的温度间隔，计算标定曲线上不同温度对应的RGB值与(3-2)所得温度测点的RGB值对应的色差ΔE，比较得出ΔE最小值，当ΔE取最小值时，对应的标定曲线的温度即为温度测点的温度；计算色差ΔE，公式如下：
式中：R0、G0、B0为温度测点的RGB值，RT、GT、BT是由温度-示温漆颜色标定曲线得到温度为T时的RGB值；
(3-4)重复步骤(3-2)至(3-3)，分别计算P个测点的温度，即可得到试样表面的温度场。
进一步，步骤(4)中，采用三维数字图像相关法实现位移场测量，方法如下：
(4-1)将两台彩色相机采集到的图片转换为灰度图片，并以步骤(3-1)中相机L图片选择的温度测点作为位移测点；
(4-2)选择以位移测点为中心的M×N像素的矩形区域作为搜索子域；使用二阶形函数和零均值最小相关系数，通过频域搜索法进行整像素搜索；通过反向高斯-牛顿迭代法(IC-GN)进行亚像素迭代，得到位移测点在相机L图片的像素坐标；
(4-3)将步骤(4-2)中相机L选定的搜索子域作为模板，在相机R同步采集的图片内搜索与模板匹配的子域；根据与相机L搜索子域的匹配程度，即相关系数的大小，确定搜索子域在相机R同步采集的图片内的位置；采用步骤(4-2)中的整像素搜索以及亚像素迭代方法，得到位移测点在相机R同步采集的图片的像素坐标；
(4-4)根据两台相机的内外参数以及步骤(4-2)和(4-3)得到的两台相机图片像素坐标进行三维重建，得到位移测点的世界坐标；所述内参数包括相机的等效焦距、主点坐标、畸变参数，所述外参数包括相机的旋转矩阵、平移矩阵，内外参数可以通过相机标定得到；
(4-5)重复步骤(4-2)至(4-4)，分别计算步骤(4-1)中的所有位移测点，即可得到试样的位移场。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：实现了温度场与位移的同步测量，温度与位移测点多，位移测量精度高，最高测量温度可达1200℃，且操作简单。
附图说明
图1是本发明的实施例示意图；
图2是本发明使用的KN6型号示温漆颜色随温度变化的示意图；
图3是本发明的温度场与位移场同步测量方法的流程图。
其中，1-示温漆颜色，2-振动源，3-标定块，4-石英灯加热炉，5-温度场，6-位移场，7-计算机，8-蓝光光源，9-带通滤光片，10-彩色相机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。本实施例的温度场与位移场测量系统如图1所示。
本实施例中试样是由Inconel 718合金材料制成的矩形板；示温漆为KN6型耐1380℃示温漆，在100℃～1200℃区间内共具有13个变色点，如图2所示。
本发明的一种基于3D-DIC的温度场与位移场同步测量系统，包括：振动源2，标定块3，石英灯加热炉4，计算机7，蓝光光源8，带通滤光片9，彩色相机10以及测试试样；其中，蓝光光源8，带通滤光片9，彩色相机10各两组，彩色相机10包括相机L和相机R。
标定块3的材料与试样相同，表面喷涂KN6型示温漆，用于温度-示温漆颜色曲线的标定；石英灯加热炉4用于提供温度可控且均匀的高温环境，加热炉一侧安装有耐高温的光学级石英玻璃窗口，该窗口用于保温隔热、为彩色相机提供光学通道；标定块3与测试试样安装于石英灯加热炉4中，振动源2位于石英灯加热炉4外部，并通过金属杆与测试试样相连；带通滤光片9可使蓝光通过，放置于彩色相机10镜头正前方贴镜头位置处，消除红外辐射对成像的干扰；蓝光光源8为单色蓝光二极管，固定在相机三角架上，位于彩色相机10正下方，为相机补充照明；两台彩色相机用于采集试样图片，放置于加热炉石英玻璃窗口内标定块3和测试试样正前方，确保两台彩色相机均能拍摄到完整的试样图片；计算机7与彩色相机10连接，实现温度场与位移场测量数据的快速处理与显示；所述振动源2选用激振器。
本发明的基于3D-DIC的温度场与位移场测量方法的具体实施步骤如下：
(1)取同批次被测试样中的一个作为标定块3，标定块3表面喷涂示温漆，将标定块3置于石英灯加热炉4中进行试验，得到温度-示温漆颜色标定曲线；包括如下步骤：
(1-1)将标定块3放到石英灯加热炉4中，以10℃/min的温升速率加热至100℃；
(1-2)维持2分钟温度不变后用相机L采集标定块3图片并记录温度；
(1-3)继续以相同的温升速率加热，温度每升高5℃则重复一次步骤(1-2)，直至温度升高到1200℃，停止加热；
(1-4)通过计算机7处理试验数据，得到每个温度对应的示温漆的RGB值，并进行三次样条插值，得到连续的温度-示温漆颜色标定曲线。
(2)清洗试样表面，喷涂白色耐高温漆，待干燥后采用示温漆喷涂散斑；将试样安装于石英灯加热炉4中；将计算机7与彩色相机10连接，调整彩色相机10视场，使两台彩色相机均能拍摄到完整的试样图片；进行相机标定，开始试验，开启振动源2，使试样发生振动位移，两台彩色相机按固定帧数同步采集试样图片，传输、存储至计算机7。
(3)根据步骤(2)中相机L采集到的图片选择5000个温度测点，计算每个温度测点的RGB值，结合步骤(1)所得温度-示温漆颜色标定曲线，得到试样表面的温度场；方法如下：
(3-1)根据步骤(2)中相机L采集到的一张图片，随机选择图片上的5000个像素点作为温度测点；
(3-2)选择以温度测点为中心的50×100像素的矩形区域作为计算区域，排除背景，即白色耐高温漆，仅提取示温漆的RGB值用于计算温度，即排除计算区域内RGB值均大于200的像素点，计算矩形区域内剩余像素点RGB值的平均值，作为温度测点的RGB值；
(3-3)结合温度-示温漆颜色标定曲线，按5℃的温度间隔，计算标定曲线上不同温度对应的RGB值与(3-2)所得温度测点的RGB值对应的色差ΔE，比较得出ΔE最小值，当ΔE取最小值时，对应的标定曲线的温度即为温度测点的温度；计算色差ΔE，公式如下：
式中：R0、G0、B0为温度测点的RGB值，RT、GT、BT是由温度-示温漆颜色标定曲线得到温度为T时的RGB值；
(3-4)重复步骤(3-2)至(3-3)，分别计算5000个测点的温度，即可得到试样表面的温度场。
(4)根据步骤(2)中两台相机采集到的图片，将步骤(3)选择的温度测点作为位移测点，采用三维数字图像相关法，计算得到试样的位移场；方法如下：
(4-1)将两台彩色相机采集到的图片转换为灰度图片，并以步骤(3-1)中相机L图片选择的温度测点作为位移测点；
(4-2)选择以位移测点为中心的50×100像素的矩形区域作为搜索子域；使用二阶形函数和零均值最小相关系数，通过频域搜索法进行整像素搜索；通过反向高斯-牛顿迭代法(IC-GN)进行亚像素迭代，得到位移测点在相机L图片的像素坐标；
(4-3)将步骤(4-2)中相机L选定的搜索子域作为模板，在相机R同步采集的图片内搜索与模板匹配的子域；根据与相机L搜索子域的匹配程度，即相关系数的大小，确定搜索子域在相机R同步采集的图片内的位置；采用步骤(4-2)中的整像素搜索以及亚像素迭代方法，得到位移测点在相机R同步采集的图片的像素坐标；
(4-4)根据两台相机的内外参数以及步骤(4-2)和(4-3)得到的两台相机图片像素坐标进行三维重建，得到位移测点的世界坐标；所述内参数包括相机的等效焦距、主点坐标、畸变参数，所述外参数包括相机的旋转矩阵、平移矩阵，内外参数可以通过相机标定得到；
(4-5)重复步骤(4-2)至(4-4)，分别计算步骤(4-1)中的所有位移测点，即可得到试样的位移场。
(5)计算机7同步显示温度场5与位移场6测量结果。

Claims (9)

1.一种基于3D-DIC的温度场与位移场同步测量系统，其特征在于：该系统包括振动源(2)，标定块(3)，石英灯加热炉(4)，计算机(7)，蓝光光源(8)，带通滤光片(9)，彩色相机(10)以及测试试样；其中，蓝光光源(8)，带通滤光片(9)，彩色相机(10)各两组，彩色相机(10)包括相机L和相机R；标定块(3)与测试试样安装于石英灯加热炉(4)中，振动源(2)位于石英灯加热炉(4)外部，并通过金属杆与测试试样相连，计算机(7)与彩色相机(10)连接，蓝光光源(8)固定在相机三角架上，位于彩色相机(10)正下方，带通滤光片(9)放置于彩色相机(10)镜头正前方贴镜头位置处，彩色相机(10)放置于标定块(3)和测试试样的正前方。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D-DIC的温度场与位移场同步测量系统的测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)准备与试样相同材料的标定块(3)，标定块(3)表面喷涂示温漆，将标定块(3)置于石英灯加热炉(4)中进行试验，得到温度-示温漆颜色标定曲线；
(2)清洗试样表面，喷涂白色耐高温漆，待干燥后采用示温漆喷涂散斑；将试样安装于石英灯加热炉(4)中；将计算机(7)与彩色相机(10)连接，调整彩色相机(10)视场，使两台彩色相机均能拍摄到完整的试样图片；进行相机标定，开始试验，开启振动源(2)，使试样发生振动位移，两台彩色相机按固定帧数同步采集试样图片，传输、存储至计算机(7)；
(3)根据步骤(2)中相机L采集到的图片选择P个温度测点，计算每个温度测点的RGB值，结合步骤(1)所得温度-示温漆颜色标定曲线，得到试样表面的温度场；
(4)根据步骤(2)中两台相机采集到的图片，将步骤(3)选择的温度测点作为位移测点，采用三维数字图像相关法，计算得到试样的位移场；
(5)计算机(7)同步显示温度场(5)与位移场(6)测量结果。
3.根据权利要求2所述的一种基于3D-DIC的温度场与位移场同步测量方法，其特征在于：步骤(1)中，得到温度-示温漆颜色标定曲线，包括如下步骤：
(1-1)将标定块(3)放到石英灯加热炉(4)中，以一定的温升速率加热至T1；
(1-2)维持m分钟温度不变后用相机L采集标定块(3)图片并记录温度；
(1-3)继续以相同的温升速率加热，温度每升高t则重复一次步骤(1-2)，直至温度升高到T2，停止加热；
(1-4)通过计算机(7)处理试验数据，得到每个温度对应的示温漆的RGB值，并进行三次样条插值，得到连续的温度-示温漆颜色标定曲线。
4.根据权利要求3所述的一种基于3D-DIC的温度场与位移场同步测量方法，其特征在于：步骤(3)中，得到试样表面的温度场方法如下：
(3-1)根据步骤(2)中相机L采集到的图片，随机选择图片上的P个像素点作为P个温度测点；
(3-2)选择以温度测点为中心的M×N像素的矩形区域作为计算区域，排除背景，即白色耐高温漆，仅提取示温漆的RGB值用于计算温度，即排除计算区域内RGB值均大于200的像素点，计算矩形区域内剩余像素点RGB值的平均值，作为温度测点的RGB值；
(3-3)结合温度-示温漆颜色标定曲线，按一定的温度间隔，计算标定曲线上不同温度对应的RGB值与(3-2)所得温度测点的RGB值对应的色差ΔE，比较得出ΔE最小值，当ΔE取最小值时，对应的标定曲线的温度即为温度测点的温度；计算色差ΔE，公式如下：
式中：R0、G0、B0为温度测点的RGB值，RT、GT、BT是由温度-示温漆颜色标定曲线得到温度为T时的RGB值；
(3-4)重复步骤(3-2)至(3-3)，分别计算P个测点的温度，即可得到试样表面的温度场。
5.根据权利要求4所述的一种基于3D-DIC的温度场与位移场同步测量方法，其特征在于：步骤(4)中，采用三维数字图像相关法，计算得到试样的位移场，方法如下：
(4-1)将两台彩色相机采集到的图片转换为灰度图片，并以步骤(3-1)中相机L图片选择的温度测点作为位移测点；
(4-2)选择以位移测点为中心的M×N像素的矩形区域作为搜索子域；使用二阶形函数和零均值最小相关系数，通过频域搜索法进行整像素搜索；通过反向高斯-牛顿迭代法进行亚像素迭代，得到位移测点在相机L图片的像素坐标；
(4-3)将步骤(4-2)中相机L选定的搜索子域作为模板，在相机R同步采集的图片内搜索与模板匹配的子域；根据与相机L搜索子域的匹配程度，即相关系数的大小，确定搜索子域在相机R同步采集的图片内的位置；采用步骤(4-2)中的整像素搜索以及亚像素迭代方法，得到位移测点在相机R同步采集的图片的像素坐标；
(4-4)根据两台相机的内外参数以及步骤(4-2)和(4-3)得到的两台相机图片像素坐标进行三维重建，得到位移测点的世界坐标；所述内参数包括相机的等效焦距、主点坐标、畸变参数，所述外参数包括相机的旋转矩阵、平移矩阵，内外参数通过相机标定得到；
(4-5)重复步骤(4-2)至(4-4)，分别计算步骤(4-1)中的所有位移测点，即可得到试样的位移场。
6.根据权利要求2-5任一所述的一种基于3D-DIC的温度场与位移场同步测量方法，其特征在于：步骤(1)中，所述示温漆型号为KN6。
7.根据权利要求4或5所述的一种基于3D-DIC的温度场与位移场同步测量方法，其特征在于：步骤(3-1)中，可根据实际需求选择一张或K张图片处理，选择一张图片处理，得到某一时刻的温度场，选择K张图片处理，得到K个时间点的温度场。
8.根据权利要求1任一所述的一种基于3D-DIC的温度场与位移场同步测量方法，其特征在于：所述振动源(2)为激振器或锤子。
9.根据权利要求1所述的一种基于3D-DIC的温度场与位移场同步测量方法，其特征在于：所述蓝光光源(8)为单色蓝光二极管。
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