[发明专利]模型三维表面轮廓和表面压力同步测量方法及测量装置

说明书

本发明公开了一种模型三维表面轮廓和表面压力同步测量方法及测量装置，该方法的步骤包括：步骤S1：在模型表面喷涂压力敏感涂料；调整结构光发生器生成的结构光光路，将输出光经结构光扩束后投射至模型；结构光发生器将点光源转换为条纹光用以激发涂层，以激发压力敏感涂料；步骤S2：按照时序控制，同步触发激励光源和相机，捕获了一组四个相移图像；步骤S3：三维表面轮廓和表面压力测量数据处理分为两个并行路径处理；表面压力测量为基于模型的图像灰度信息，计算模型表面压力值；三维表面轮廓为基于相位信号，计算重建模型的3维表面轮廓。该测量装置用来实施上述方法。本发明具有操作简单、非接触式、精度高、测量效率高等优点。

技术领域

本发明主要涉及到风洞和飞行测试研究技术领域，特指一种基于相移轮廓仪和压敏漆的模型三维表面轮廓和表面压力同步测量方法及测量装置。

背景技术

压敏漆（PSP）技术是一种具有高时空分辨率的表面压力测量技术。与传统的压力扫描阀技术相比，PSP可以在具有高空间分辨率的复杂空气动力学表面上提供非接触式全场测量。在过去的二十年中，PSP技术已广泛应用于风洞和飞行测试研究中。近年来，随着材料科学和光学设备的迅速发展，高性能PSP应用已扩展到恶劣的环境。例如，使用快速响应的PSP的快速移动模型和高超声速测试的测量应用。

PSP的一个优点是它可以轻松地在测试表面上喷涂，使其适合研究具有复杂几何形状的测试模型（例如飞机模型和燃气轮机叶片）的空气动力学和传热问题。在这些应用中，需要三维空气热力学结果来研究空气动力学负载或冷却效率，进而优化空气动力学或冷却配置。为此，结合PSP技术和3D轮廓测定法的3D-PSP研究的兴趣逐渐增加。

现有能实现3维轮廓和表面压力场同步测量的方案有：立体视觉、视频摄影模型变形（VMD）、直接线性变换（DLT）、基于光场相机（LF）的LF-3D-PSP、数字图像相关（DIC）。

DIC和立体视觉方法需要包含两个或更多摄像机的复杂数据采集系统。LF-3D-PSP技术仅需要一个光场相机，就系统复杂性而言具有优势，但需要成本高昂的特制光场相机。单摄像机VMD方法和DLT方法仅需要一台普通摄像机，但必须事先获得有关模型的一些几何信息，例如目标的跨度位置或标记点的真实3D坐标。同时，在立体摄影测量法和VMD，DLT和DIC方法中，在PSP涂层上需要网状网格，或斑点图案。这些会干扰PSP测量，导致图像质量差，空间分辨率降低和近壁流场中的干扰。立体摄影测量法，VMD和DLT方法仅直接计算有限离散点的坐标，这导致有限的空间分辨率，然后通过插值或拟合算法重建整个视场表面。LF-3D-PSP方法由于具有使用光场相机捕获全场信息的能力而具有相对中等的空间分辨率。但是，空间分辨率直接由微透镜阵列（MLA）的分辨率确定，通常情况下成本高昂且分辨率低。从理论上讲，DIC方法可用于逐像素获得高空间分辨率3D轮廓，但是通常采用下采样以节省计算资源和时间。在现有的3D-PSP技术中，立体摄影测量法以及VMD和DIC方法在3D轮廓测量中具有高精度。通常，VMD结果的标准偏差约为1毫米。DIC技术测量偏差约为0.1毫米。相比之下，LF-3DPSP的测量精度略低，约为±1 mm。

除了上述较为常规的现有技术之外，基于结构光（SL）的3D扫描技术的研究也非常活跃，由于其灵活性，高空间分辨率和高测量精度，对开发和使用的兴趣日益浓厚。SL系统类似于立体声系统，不同之处在于它用投影仪代替一台摄像机。携带编码信息的投影结构化图案会因测试对象的形状而变形。基于三角光学装置的几何关系，可以重建测试模型的3D轮廓。基于相移的技术是SL轮廓测量法的一种广泛使用的形式，它通常鲁棒性很好，并且可以实现具有更高分辨率和精度的逐像素相位测量。然后，使用现有的结构光，只能对模型3D表面轮廓进行精密测量，无法实现表面压力和3D轮廓同步测量。如需实现3D表面轮廓与表面压力场同步测量，仍需对系统进行改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种操作简单、非接触式、精度高、测量效率高、安全性好的模型三维表面轮廓和表面压力同步测量方法及测量装置。