專利名稱：一種高溫三維數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)及其測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于高溫物體表面三維形貌及力、熱載荷作用下的全場三維變形 測量的高溫三維數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)及其測量方法，屬于光測力學、工程材料力學性能 測試、構件變形和位移測試技術等領域。
背景技術：
近年來隨著航空航天、能源工程等領域的迅速發(fā)展，各種材料在高溫環(huán)境下的應 用越來越廣泛。如高超音速飛行器材料、航空發(fā)動機中的零構件、高壓蒸汽鍋爐、發(fā)電廠的 高溫管道、汽輪機以及化工煉油設備中的許多材料和構件等都要求一定時間或長期在高溫 環(huán)境下工作。一般來說，高溫對材料或結構的影響主要集中在如下兩個方面1)溫度會影 響材料的物理性能和力學性能。例如材料的高溫力學性能不同于室溫，因而測定這些材料 在高溫環(huán)境下的力學參數(shù)(如彈性模量、強度極限和熱膨脹系數(shù)等)對于材料和結構的安 全設計、可靠性評定以及壽命預測都具有重要意義；2)溫度會使構件的幾何形狀發(fā)生改變 (即產生熱變形)，使高溫下構件的幾何形狀偏離理想的設計狀態(tài)從而影響構件原有的工 作狀態(tài)。在對材料的高溫力學性能進行測試時，由于載荷可通過與高溫環(huán)境箱配合的材料 力學試驗機直接獲得，因此如何精確測量被測物體在高溫環(huán)境下的表面變形就成為材料高 溫力學性能測試中最為關鍵的問題。此外，直接測量由溫度變化引起的熱變形對于材料的 熱膨脹系數(shù)測定以及確定構件在熱變形后的形狀也至關重要。已有的高溫物體變形測量技術可分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式的高溫物 體變形測量方法主要是通過高溫電阻應變片來實現(xiàn)，測量時需將高溫電阻應變片用高溫無 機膠粘貼在試件表面。作為一種逐點測量方法電阻應變片只能測量所粘貼局部區(qū)域的平均 線應變。由于電阻應變片對環(huán)境溫度變化較敏感，環(huán)境溫度變化會使電阻應變片產生虛假 應變，因此在用電阻應變片對高溫物體表面變形進行測量時必須要對進行溫度補償，另外 還需特別注意對應變片材料和被測物體材料之間的熱膨脹系數(shù)的差異，并對其進行補償。 總而言之，用高溫電阻應變片測量高溫物體表面變形時只能測量應變片粘貼區(qū)域的局部平 均應變，且測量過程較為繁瑣、影響測量精度的因素較多。由于光學測量方法可在不改變被測物體表面力學性能的情況下對其表面高溫變 形場進行非接觸式測量，測量精度高且受物體表面溫度的影響較小，因此高溫變形的光學 測量技術是實驗力學中的重要研究方向。目前已有的高溫全場變形測量光學方法有基于相 關光波干涉原理的云紋干涉方法、電子散斑干涉方法以及非干涉的數(shù)字圖像相關方法等。 云紋干涉方法測量高溫物體表面變形前需在被測物體表面轉移粘貼高溫光柵。測量過程中 用激光對稱照射光柵，從光柵上衍射出的光波相互干涉形成干涉條紋，該干涉條紋包含了 被測物體表面的變形信息。利用云紋干涉法測量高溫變形對高溫環(huán)境下的使用的粘貼膠和 高溫光柵(清華大學高溫全息光柵及其制造方法，中國專利申請93106837. 1)自身形變都 提出了很高的要求。電子散斑干涉方法也是基于激光光波的干涉原理，它利用對稱入射的 激光照射被測物體表面，變形前后物體表面漫反射光波形成的散斑場相減則獲得包含物體
3表面變形信息的條紋圖。云紋干涉法和電子散斑干涉法的測量靈敏度高，并且有測量結果 直接可視的優(yōu)點，但這些方法的測量系統(tǒng)、測量原理和測量過程較為復雜且對測量環(huán)境要 求苛刻，因此測量通常只能在實驗室暗室中的光學隔振平臺上進行。且一般只能對平面物 體的表面變形進行測量，因此在實際復雜形狀物體的高溫變形測量上有較多限制。三維數(shù)字圖像相關方法是光測力學中的一種先進的全場變形測量方法，利用被測 物體表面隨機的灰度分布(又稱散斑圖)作為變形信息載體，三維數(shù)字圖像相關方法可對 平面或曲面物體表面形貌和各種載荷作用下三維變形場進行精確測量。該方法的基本原理 是利用兩個攝像機從不同角度對被測物體表面成像，測量過程中首先對雙目立體視覺模型 進行標定獲得兩個攝像機的內外參數(shù)，然后直接利用二維數(shù)字圖像相關方法中的匹配算法 得到左右兩幅圖中對應點的視差。從各點的視差數(shù)據(jù)和已獲得的標定參數(shù)則能重建被測物 體表面各點的三維坐標。通過比較施加載荷前后測量區(qū)域內各點三維坐標的變化，則能得 到全場的三維位移分布。作為一種代表性的非干涉全場光學測量方法，三維數(shù)字圖像相關 方法相對于上述的云紋干涉法和電子散斑干涉法，具有以下突出優(yōu)點1)利用兩個相機直 接對被測物體表面成像，測量系統(tǒng)和測量過程簡單；2)采用白光照明，無需激光光源，對測 量環(huán)境和隔振要求低，可用于現(xiàn)場測量；3)直接獲得被測平面或曲面物體表面形貌和全場 三位變形。當用三維數(shù)字圖像相關方法測量高溫物體表面變形時，當被測物體表面溫度高于 500°C時會輻射出可被攝像機感光芯片接收的光波，從而造成攝像機所采集圖像的亮度顯 著增強，湮滅了原有的作為變形信息載體的散斑顆粒的灰度并降低圖像的對比度，使加高 溫后被測物體表面圖像與初始圖像的相似程度大幅降低，造成所謂的“退相關效應”(如圖 1所示)。圖1為采用普通光學成像系統(tǒng)拍攝的不同溫度下鉻鎳奧氏體不銹鋼試樣表面的 四幅數(shù)字圖像(a)20°C，(b)400°C, (c)550°C和(d)600°C。這種退相關效應會導致已有的 三維數(shù)字圖像相關方法中的匹配算法失敗。由于普通光學成像系統(tǒng)的固有缺陷，目前的三 維數(shù)字圖像相關方法不能對表面溫度高于500°C的高溫物體表面的三維形貌以及力、熱載 荷作用下的三維變形場進行非接觸、高精度測量。
發(fā)明內容
1、目的本發(fā)明的目的是提供一種高溫三維數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)及其測量方 法，用該系統(tǒng)可實現(xiàn)對表面溫度超過500°C的平面或曲面高溫物體表面的三維形貌以及力、 熱載荷作用下的三維變形場進行非接觸、高精度測量，具有適用測量范圍廣泛、測量系統(tǒng)使 用方便、測量精度高、系統(tǒng)結構簡單緊湊等優(yōu)點。2、技術方案(1)本發(fā)明一種高溫三維數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)，它包括數(shù)字攝像機、成像鏡頭、 帶通光學濾波片、單色照明光源、標定板、由三角架、導軌和平移臺組成的支座系統(tǒng)以及用 于數(shù)字圖像采集和分析處理的計算機。其位置連接關系是數(shù)字攝像機螺孔位于其正下方， 通過螺孔、螺釘將兩數(shù)字攝像機固定在平移臺上，平移臺安裝在三角架上方的導軌上；調節(jié) 平移臺上的旋轉鈕，可以方便地調整數(shù)字攝像機的方位；同時，通過調節(jié)三角架上的平移 臺，可方便地調整兩數(shù)字攝像機之間的距離；依據(jù)被測試件的高度和方位，可通過三角架適 當?shù)卣{整數(shù)字攝像機的高度和俯仰角度。數(shù)字攝像機通過數(shù)據(jù)線與計算機相連，數(shù)字攝像
4機前安裝有成像鏡頭，通過對成像鏡頭焦距的調節(jié)，可對被測試件表面清晰成像，并在計算 機顯示器中實時顯示試件表面的圖像。在測量高溫物體時，帶通光學濾波片通過其外圈的 外螺紋與成像鏡頭的內螺紋連接到一起，單色照明光源位于兩數(shù)字攝像機之間照明被測物 體表面。此時，該高溫三維數(shù)字圖像系統(tǒng)可以清晰地拍攝得到高溫試件表面的圖像。所述數(shù)字攝像機，其分辨率根據(jù)測量精度選定，可按照要求在市場上選購；所述成像鏡頭，根據(jù)被測物體大小選定，可按照要求在市場上選購；所述帶通光學濾波片，其幾何尺寸需與成像鏡頭配合以便安裝在成像鏡頭前；可 按照要求在市場上選購；所述單色照明光源，其中心波長需位于帶通光學濾波片的帶通范圍之內；所述標定板是幾何尺寸已知的棋盤格或規(guī)則圓點圖案，可自制；所述三角架是由型鋼彼此連接的金屬結構支架，可按照要求在市場上選購；所述導軌是由截面為E型的型鋼制成，可按照要求在市場上選購；所述平移臺是上方為圓柱、下面為矩形并能在導軌上滑動的件，可自制或市場上 選購；所述計算機是普通家用或商用計算機。其中，數(shù)字攝像機的數(shù)量是2件；其中，成像鏡頭的數(shù)量是2件；其中，帶通光學濾波片的數(shù)量是2件。圖2為本發(fā)明帶通光學濾波片的透射光譜曲線圖，該帶通光學濾波片的中心波長 為450nm，半帶寬約為20nm，中心波長透射率高于80%。由于帶通光學濾波片僅可使波長 在430nm 470nm范圍內的光波通過，因而可有效阻隔高溫物體熱輻射中波長較長且輻射 強度高的光波進入數(shù)字攝像機靶面。圖3為采用帶通光學濾波成像系統(tǒng)拍攝的不同溫度下 鉻鎳奧氏體不銹鋼試樣表面的四幅數(shù)字圖像，(a)20°C, (b)600°C, (c) 1000°C和(d) 1200°C。 當物體表面溫度高于500°C時，圖像整體亮度無顯著變化。這些高質量無退化的數(shù)字圖像可 直接由三維數(shù)字圖像相關分析并得到精確可靠的變形測量結果。(2) 一種高溫三維數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)的測量方法，該方法具體步驟如下步驟一按照測量的要求，將被測高溫試件置于測量系統(tǒng)前方；步驟二將帶通光學濾波片安裝于兩成像鏡頭前，利用中心波長在帶通光學濾波 片帶通范圍內的單色照明光源均勻照明被測試樣，調節(jié)成像鏡頭焦距，使數(shù)字攝像機清晰 成像；步驟三利用兩數(shù)字攝像機同時采集至少三個方位的標定板圖像，用以標定兩數(shù) 字攝像機的內、外部參數(shù)；步驟四兩數(shù)字攝像機同時采集被測物體變形前后(含高溫載荷或其它耦合載 荷)被測試件表面的數(shù)字圖像；步驟五用三維數(shù)字圖像相關方法處理得到加載過程中試件表面的三維形貌和全 場變形。3、優(yōu)點及功效本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下明顯優(yōu)點及突出性效果①系統(tǒng)組成結構簡單，發(fā)明創(chuàng)意巧妙。在普通三維數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)的兩個成像鏡頭前各加一個帶通光學濾波片，有效阻止高溫物體表面熱輻射中非帶通范圍內的其它波長的光波進入數(shù)字攝像機靶面，因 此可有效克服普通成像系統(tǒng)在高溫物體表面熱輻射較強時所出現(xiàn)采集圖像亮度飽和的現(xiàn) 象，可獲得表面溫度超過500°C的高溫物體表面的清晰圖像；②測量系統(tǒng)采用波長位于帶通光學濾波片帶通范圍內的單色照明光源作為照明 光源均勻照明被測的高溫物體，該圖像可用三維數(shù)字圖像相關方法直接分析處理，以獲得 高溫物體表面的三維形貌和力、熱載荷作用下的三維變形場，為高溫物體表面三維變形提 供一種有效的非接觸和高精度測量手段。
圖1為采用普通光學成像系統(tǒng)拍攝的不同溫度下鉻鎳奧氏體不銹鋼試樣表面的 四幅數(shù)字圖像(a)20°C，(b)400°C, (c)550°C和(d)600°C。圖2為本發(fā)明帶通光學濾波片的透射光譜曲線。圖3為本發(fā)明采用帶通光學濾波成像系統(tǒng)拍攝的不同溫度下鉻鎳奧氏體不銹鋼 試樣表面的四幅數(shù)字圖像，(a)20°C, (b)600°C, (c) 1000°C和(d) 1200°C。當物體表面溫度 高于500°C時，圖像整體亮度無顯著變化。圖4為本發(fā)明高溫三維數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)示意圖。圖中符號說明如下1第一數(shù)字攝像機；2第二數(shù)字攝像機；3第一成像鏡頭；4第二成像鏡頭；5第一帶 通光學濾波片；6第二帶通光學濾波片；7單色照明光源；8由三角架、導軌和平移臺組成的 支座系統(tǒng)；9標定板；10計算機。
具體實施例方式下面結合附圖4進一步說明本發(fā)明的具體結構及實施方式本發(fā)明的結構如圖4所示，整個測量系統(tǒng)包括第一數(shù)字攝像機1，第二數(shù)字攝像機 2，第一成像鏡頭3，第二成像鏡頭4，第一帶通光學濾波片5，第二帶通光學濾波片6，單色照 明光源7，由三角支架、導軌和平移臺組成的相機支座系統(tǒng)8，標定板9和計算機10組成。其位置連接關系是數(shù)字攝像機螺孔位于其正下方，通過螺孔、螺絲將第一、第二 數(shù)字攝像機1、2固定在三角支架的平移臺上，平移臺安裝在三角支架上方的導軌上；調節(jié) 平移臺上的旋轉鈕，可以方便地調整第一、第二數(shù)字攝像機1、2面向的方位；同時，通過調 節(jié)三角架上的平移臺，可方便地調整第一、第二兩數(shù)字攝像機1、2之間的距離；第一、第二 數(shù)字攝像機1、2的高度可以依據(jù)被測試件的高度通過三角支架上的螺紋絲杠機構適時地 調整。第一、第二數(shù)字攝像機1、2通過數(shù)據(jù)線與計算機10相連，第一、第二數(shù)字攝像機1、 2前安裝有第一、第二成像鏡頭3、4，通過對第一、第二成像鏡頭3、4焦距的調節(jié)，可對被測 試件表面清晰成像，并在計算機顯示器中實時顯示試件表面的圖像。在測量高溫物體時，第 一、第二帶通光學濾波片5、6通過其外圈的外螺紋與第一、第二成像鏡頭3、4的內螺紋連接 到一起，此時，該高溫三維數(shù)字圖像系統(tǒng)可以清晰地拍攝得到高溫試件表面的圖像。所述第一、第二成像鏡頭3、4，可根據(jù)被測物體大小選擇；所述第一、第二帶通光 學濾波片5、6，其幾何尺寸需與第一、第二成像鏡頭3、4配合以便安裝在第一、第二成像鏡 3、4頭前；所述單色照明光源7，其中心波長需位于第一、第二帶通光學濾波片5、6的帶通范圍之內。其中，第一、第二數(shù)字圖像攝像機1、2的數(shù)量是2件；其中，第一、第二成像鏡頭3、4的數(shù)量是2件；其中，第一、第二帶通光學濾波片5、6的數(shù)量是2件；為了減少表面溫度超過500°C的高溫物體表面熱輻射對第一、第二數(shù)字攝像機1、 2所采集圖像亮度增強的影響，在所述的第一、第二兩個成像鏡頭3、4前分別安裝了第一、 第二帶通光學濾波片5、6以對被測高溫物體表面濾波成像，并采用發(fā)光波長在第一、第二 帶通光學濾波片5、6帶通范圍內的單色照明光源7均勻照明被測高溫物體。其具體的測量過程為(1)、將第一、第二數(shù)字攝像機1、2安置于三角支架、導軌和平移臺組成的支座系 統(tǒng)8上，第一、第二成像鏡頭3、4安裝在第一、第二數(shù)字攝像機1、2上，第一、第二帶通濾波 片5、6安放于第一、第二成像鏡頭3、4前方；(2)、將被測高溫試件放置在測量系統(tǒng)正前方，打開并調整單色照明光源7，調節(jié)第 一、第二成像鏡頭3、4的焦距和光圈使得高溫試件表面能夠清晰成像；(3)、利用兩個第一、第二數(shù)字攝像機同時拍攝不少于三幅不同方位的標定板圖 像，利用軟件標定算法，如Zhang標定法(張正友.一種用于相機標定的柔性新技術.IEEE 模式分析與機器智能匯刊.2000. 22(11) 1330-1334)計算得到兩數(shù)字攝像機的內外參數(shù)；(4)、拍攝初始狀態(tài)下被測試件的表面圖像對；拍攝高溫環(huán)境下不同載荷條件下被 測試樣的表面圖像對；(5)、利用三維數(shù)字圖像相關方法計算試件表面的三維形貌以及不同狀態(tài)下試件 表面的三維變形場。測量前首先對雙目立體視覺模型進行標定獲得兩個數(shù)字攝像機的內 外參數(shù)，然后直接利用二維數(shù)字圖像相關中的相關匹配算法得到左右兩幅圖中對應點的視 差。從各點的視差數(shù)據(jù)和預先獲得的標定參數(shù)則能恢復物體表面的三維形貌。而通過比較 施加載荷前后測量區(qū)域內各點的三維形貌的變化，則能得到全場的三維位移分布。圖1為采用普通光學成像系統(tǒng)拍攝的不同溫度下鉻鎳奧氏體不銹鋼試樣表面的 四幅數(shù)字圖像(a)20°C，(b)400°C, (c)550°C和(d)600°C。圖2為本發(fā)明帶通光學濾波片的透射光譜曲線。該帶通光學濾波片的中心波長為 450nm，半帶寬約為20nm，中心波長透射率高于80%。圖3為本發(fā)明采用帶通光學濾波成像系統(tǒng)拍攝的不同溫度下鉻鎳奧氏體不銹鋼 試樣表面的四幅數(shù)字圖像，(a)20°C, (b)600°C, (c) 1000°C和(d) 1200°C。當物體表面溫度 高于500°C時，圖像整體亮度無顯著變化。
權利要求
1.一種高溫三維數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)，其特征在于它包括數(shù)字攝像機、成像鏡頭、 帶通光學濾波片、單色照明光源、標定板、由三角架、導軌和平移臺組成的支座系統(tǒng)以及用 于數(shù)字圖像采集和分析處理的計算機；其位置連接關系是數(shù)字攝像機螺孔位于其正下 方，通過螺孔、螺釘將數(shù)字攝像機固定在三角架的平移臺上，平移臺安裝在三角架上方的導 軌上；調節(jié)平移臺上的旋轉鈕，可以調整數(shù)字攝像機面向的方位；通過調節(jié)三角架上的平 移臺，可調整數(shù)字攝像機之間的距離；依據(jù)被測試件的高度和方位，可通過三角架調整數(shù)字 攝像機的高度和俯仰角度；數(shù)字攝像機通過數(shù)據(jù)線與計算機相連，數(shù)字攝像機前安裝有成 像鏡頭，通過對成像鏡頭焦距的調節(jié)，可以得到試件表面的圖像，在測量高溫物體時，帶通 光學濾波片通過其外圈的外螺紋與成像鏡頭的內螺紋連接到一起，單色照明光源位于數(shù)字 攝像機之間，此時，該高溫三維數(shù)字圖像系統(tǒng)可以清晰地拍攝得到高溫試件表面的圖像；所述帶通光學濾波片，其幾何尺寸需與成像鏡頭配合以便安裝在成像鏡頭前； 所述單色照明光源，其中心波長需位于帶通光學濾波片的帶通范圍之內； 所述標定板是幾何尺寸已知的棋盤格或規(guī)則圓點圖案； 所述導軌是由截面為E型的型鋼制成。
2.一種高溫三維數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)的測量方法，該方法具體步驟如下 步驟一按照測量的要求，將被測高溫試件置于測量系統(tǒng)前方；步驟二 將帶通光學濾波片安裝于兩成像鏡頭前，利用中心波長在帶通光學濾波片帶 通范圍內的單色照明光源均勻照明被測試樣，調節(jié)成像鏡頭焦距，使相機清晰成像；步驟三利用兩數(shù)字攝像機同時采集至少三個方位的標定板圖像，用以標定兩數(shù)字攝 像機的內、外部參數(shù)；步驟四兩數(shù)字攝像機同時采集被測物體變形前后被測試件表面的數(shù)字圖像； 步驟五用三維數(shù)字圖像處理得到加載過程中試件表面的三維形貌和全場變形。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種高溫三維數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)，其特征在于該數(shù)字 攝像機的數(shù)量是2件，其分辨率根據(jù)測量精度選定。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種高溫三維數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)，其特征在于該成像 鏡頭的數(shù)量是2件，它根據(jù)被測物體大小選定。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種高溫三維數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)，其特征在于該帶通 光學濾波片的數(shù)量是2件。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種高溫三維數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)，其特征在于該平移 臺是上方為圓柱、下面為矩形并能在導軌上滑動的件。
全文摘要
本發(fā)明一種高溫三維數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)及其測量方法，它包括數(shù)字攝像機、成像鏡頭、帶通光學濾波片、單色照明光源、標定板、由三角架、導軌和平移臺組成的支座系統(tǒng)以及用于數(shù)字圖像采集和分析處理的計算機；其測量方法有五大步驟。本發(fā)明在數(shù)字攝像機的成像鏡頭前安裝帶通光學濾波片，它有效減小高溫物體熱輻射對攝像機采集圖像亮度增強的影響。測量采用照明波長位于帶通光學濾波片帶通范圍內的單色照明光源照明被測物體。本發(fā)明可獲得表面溫度超過500℃的高溫物體表面的清晰圖像，該圖像可被三維數(shù)字圖像相關方法直接分析處理，從而獲得高溫物體表面的三維形貌以及力、熱載荷作用下的三維變形場。它結構緊湊、操作方便、適用范圍廣、測量精度高。
文檔編號G01B11/16GK102003946SQ20101027151
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月2日 優(yōu)先權日2010年9月2日
發(fā)明者吳大方, 夏勇, 潘兵 申請人:北京航空航天大學