[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

说明书

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。

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。