[发明专利]一种高温表面线激光几何测量误差分析方法

说明书

本发明属于几何量测试技术领域，提供了一种高温表面线激光几何测量误差分析方法。该方法首先对高温工件附近空气温度场进行模拟计算，得到空气的温度分布状态后，计算空间内各点折射率大小；结合折射定律计算得到不同空间位置处的激光折射角；基于反向光线追迹方法得到高温表面对应的成像点，根据激光三角法计算该成像点对应测量距离，对比实际距离和理想距离得到高温条件下的测量误差。对高温构件附近空气温度场进行分析，将传热简化为一维热传导问题，计算得到空气温度分布状态，有效简化了计算过程。结合高温条件下的温度‑折射率关联公式得到不同对应的空气折射率大小，与常温条件下的关联公式相比有效提高了折射率计算精度。

技术领域

本发明属于几何量测试技术领域，特别涉及高温表面线激光几何测量误差分析方法。

背景技术

高温恶劣工况下的几何尺寸在机测量涉及到航空航天、汽车制造、焊接锻造等众多机械工业领域。以火箭燃料贮箱为例，其由多段筒体对装、焊接而成；由于焊接过程中受挤压等因素影响导致对接面位置偏离理论位置，若不跟据对接面实际位置调整搅拌头位姿则会产生焊接缺陷；因此，需要在焊接过程中对筒体对接面阶差、缝隙等局部几何特征实时检测。焊接过程中表面产生局部高温(焊接中心温度高达近600℃)，若采用传统的接触式测量传感器前置测量，会由于高温热传导导致传感器失效甚至损坏，无法进行在机高精度检测。线激光扫描技术具有结构简单、技术成熟、扫描精度高等优点，在测量加工一体化领域的使用也越来越广泛。然而高温表面与空气之间存在换热过程，使得空气介质的温度不均匀，并且空气温度会随着时间不断改变，导致激光传输过程折射率非线性变化，测量结果难以准确反应高温表面几何信息。

近年来针对高温表面光学测量的研究大多适用于图像质量的提升，2015年，CN201510100946.X公开了一种高温物体测量中图像质量补偿方法，针对高温物体辐射强光问题，采用可调光强激光器照射高温表面，根据不同温度下滤光片通带内幅射光的光强变化趋势实时调整激光器光强，实现大温度梯度高温物体特征光条清晰成像。李群等人在论文《基于激光扫描的环形锻件径向尺寸测量方法》中针对激光扫描测量高温锻件时数据噪声过大的问题，提出了基于信息空间集合与一致性连续性系数对测量点云进行预处理，获得了较高精度的测量数据。以上方法是从成像过程以及点云预处理角度提高系统的测量精度，均未提及激光在变温度介质中折射引起的测量误差。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是克服上述方法的不足，针对变温度介质激光非线性传输问题，发明了一种高温表面线激光几何测量误差分析方法。该方法分析高温表面附近空气温度场，结合温度与折射率经验公式，确定高温表面与线激光传感器之间各个位置处的折射率分布状态；根据折射角计算公式，计算得到不同空间位置处的激光折射角；针对激光非线性传播问题，采用反向光线追迹算法求解激光实际传播路径与实际成像点位置；根据激光三角法计算成像点在常温条件下对应的距离值，与实际距离对比得到高温表面引起的线激光测量误差。

本发明的技术方案：

一种高温表面线激光几何测量误差分析方法，该方法首先对高温构件附近空气温度场进行模拟计算，得到空气的温度分布状态后，计算空间内各点折射率大小；结合折射定律计算得到不同空间位置处的激光折射角；基于反向光线追迹方法得到高温表面对应的成像点，根据激光三角法计算该成像点对应测量距离，对比实际距离和理想距离得到高温条件下的测量误差；

具体步骤如下：

(1)高温表面空气温度场计算

将高温构件与空气直接的换热近似为一维热传导，认为与高温表面距离为d处的空气温度为室温；一维稳态导热微分方程表示为：

其中，T为空气温度，z为空间位置坐标；将空气的导热系数λ_air简化为常数，则方程(1)简化为：

以热影响区边界点作为原点，方程的边界条件为：