[发明专利]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

权利要求书

1.一种基于3D-DIC的温度场与位移场同步测量方法，其特征在于：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；

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；

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，R_T、G_T、B_T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。

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；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。

3.根据权利要求1或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(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。