[发明专利]基于散斑干涉和条纹投影测量航天器结构变形的装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明属于工业测量领域，具体涉及一种综合利用散斑干涉测量方法和条纹投影测量方法的航天器结构微变形测量装置。此外，本发明还公开了一种利用该装置进行航天器微结构变形的测量方法。

背景技术

航天器在轨运行时由于环境温度变化等原因导致航天器结构板会产生微变形。随着航天器的光学相机、星敏感器、天线等载荷精度要求不断提高，对航天器结构的稳定性也提出了较高的要求。因此，在航天器总装研制过程中需要对由于在轨温度导致的航天器结构微变形进行测量，微变形测量的一般要求为10um，局部变形测量精度要求可达1um。

激光散斑干涉测量方法作为一种典型的微米级测量方法，通过分析变形前后物体表面的激光散斑图而得到变形测量结果。当被测物体发生形变时，干涉条纹将发生变化，由此可测量出被测物体的变形量、散斑干涉测量可以优于1um，能够满足航天器微变形测量精度要求。但是，该测量方法的测量范围小，一般测量范围在0.2m×0.2m左右，无法满足航天器1m×1m以上大尺寸的测量范围要求。条纹投影测量方法，将条纹图等结构光投影到被测物体的表面，根据条纹图相位信息的变化来测出物体的变形量，测量精度可优于10um，一般测量范围在1m×1m左右，并且可以通过拼接来扩展测量范围。

因此需要将激光散斑干涉测量和条纹投影测量相结合，来实现航天器大尺寸微变形测量的需求。为了解决这一关键技术问题，根据航天器结构变形测量特点发明了一种基于散斑干涉和条纹投影测量的航天器结构变形测量装置和测量方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于航天器结构的微变形测量装置，该装置可实现航天器结构舱板的大范围微变形测量及局部高精度测量。利用条纹投影的多次拼接测量来实现航天器舱板大范围的微变形测量，精度可达10um。而在舱板局部，利用散斑干涉测量，进行局部高精度微变形测量，精度可达1um。

本发明另一目的是提供一种利用上述测量装置测量航天器结构变形的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

基于散斑干涉和条纹投影测量航天器结构变形的装置，主要包括激光散斑投影装置、CCD相机、条纹投影装置、数据采集及控制单元、固定平台、隔振平台、加热控制器、精密转台、加热片、旋转台一和旋转台二，隔振平台两端分别设置有固定平台和精密转台，固定平台上设置有精密导轨，精密导轨两侧设置有转动台一和转动台二，转动台一上设置有集成为一体的激光散斑投影装置和CCD相机，转动台二上设置有条纹投影装置，激光散斑投影装置及条纹投影装置分别与数据采集及控制单元电通信，数据采集及控制单元同时对转动台一和转动台二进行转动控制，精密转台用于固定背部均匀设置有若干加热片的被测结构板，加热控制器设置在精密转台侧面对加热片进行加热控制，激光散斑投影装置利用激光散斑干涉测量方法，对被测结构板的局部变形进行测量，条纹投影测量装置通过条纹投影测量及多次测量数据拼接，对大范围的变形进行测量。

其中，被测结构板通过两个固定角板固定在精密转台上。

其中，加热片以阵列的形式设置在被测结构板上。

其中，加热片的数量足够多以便能够布置在被测结构板的整个面积上。

其中，隔振平台的台面上有足够数量的螺纹孔阵列，以方便固定平台和精密转台通过底部的安装孔和螺钉在隔振平台上的安装和调整。

一种利用上述装置测量航天器结构变形量的方法，包括如下步骤：

1)将被测结构板通过固定角板固定于精密转台上，紧固精密转台与隔振平台的连接；将加热片均匀粘贴于被测结构板的背面；

2)使被测结构板的正面朝向精密导轨，通过旋转台一、旋转台二和精密导轨调整CCD相机和条纹投影装置的角度和位置，使投影的条纹覆盖被测结构板；通过全局分析，确定需要进行高精度变形测量的区域。通过精密转台9、旋转台14和精密导轨3调整激光散斑投影装置1和CCD相机2的位置和指向，使激光散斑覆盖被测局部区域；

3)通过若干加热片和温度控制器将被测结构板加热到初始温度，并用条纹投影装置投影四副相位差π/2的条纹图，并用CCD相机采集图像；同时，利用激光散斑投影装置投射四副相位差π/2的激光散斑干涉图，并用CCD相机采集图像；

4)通过加热片和温度控制器将被测结构板加热到预定温度，并保持稳定10-30分钟，用条纹投影装置投影四副相位差π/2的条纹图，并用CCD相机采集图像；同时，利用激光散斑投影装置投射四副相位差π/2的激光散斑干涉图，并用CCD相机采集图像；