本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)微變形測量方法。

背景技術(shù)：

真空高低溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)微變形測量方法，主要解決高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)在真空高低溫環(huán)境下三維場的微小變形原位高精度實時測量問題。

目前真空高低溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)微變形測量的方法，主要包括相隔光學(xué)玻璃的外部測量方法和原位環(huán)境下的攝影測量方法。由于高精度測量儀器主要由精密器件組成，一般在恒溫恒濕的實驗室環(huán)境或者常溫常壓環(huán)境下開展測量工作。因此，將測量儀器放置在真空設(shè)備外部，通過光學(xué)觀察窗對內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的變形情況進(jìn)行局部測量。該類測量方法由于不是原位測量，存在空間尺寸遮擋等諸多空間物理約束，限制性較強(qiáng)，與本發(fā)明方法不具有可比性，在此不予深入討論。還有一種做法是將攝影測量CCD相機(jī)進(jìn)行溫度和壓力的保護(hù)后，直接放置于真空罐內(nèi)部，對結(jié)構(gòu)件的變形情況進(jìn)行原位測量。

當(dāng)前公開的技術(shù)文獻(xiàn)和資料顯示，原位測量主要采用攝影測量在常壓高低溫環(huán)境下開展，但是該方法主要存在如下問題：

(1)精度等級滿足不了微米級的微小變形測量需求。當(dāng)前攝影測量儀器標(biāo)定精度為微米級，按照測量1/3原則，測量目標(biāo)產(chǎn)品精度只能達(dá)到0.01mm量級，無法滿足產(chǎn)品微米級測量需求。

(2)無法進(jìn)行連續(xù)區(qū)域三維位移變形場測量。由于攝影測量是對多靶標(biāo)點位測量后進(jìn)行空間點位擬合計算，但是無法做到連續(xù)區(qū)域測量，無法得出相鄰子區(qū)域的變形趨勢。

(3)CCD相機(jī)需要移動，需額外增配多種附件，系統(tǒng)復(fù)雜。多相機(jī)視野重疊后被測視場區(qū)域較小，單相機(jī)主要采取電機(jī)移動等方式解決景深問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種熱真空高低溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)微變形測量方法，解決精密儀器防護(hù)和三維場測量問題，對數(shù)字散斑圖像相關(guān)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合，避免由于低氣壓和高低溫交變導(dǎo)致的測量數(shù)據(jù)失真問題。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種熱真空高低溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)微變形測量方法，包括步驟如下：

步驟一、安裝測量系統(tǒng)，所述測量系統(tǒng)包括支撐裝置、相機(jī)保護(hù)單元、標(biāo)示點、測溫點、散斑攝像頭、數(shù)據(jù)儲存設(shè)備、真空泵、控制柜、液氮源、定制燈陣；將支撐裝置、相機(jī)保護(hù)單元、標(biāo)示點、測溫點、散斑攝像頭安裝在真空罐內(nèi)，將被測試結(jié)構(gòu)、相機(jī)保護(hù)單元分別安裝在支撐裝置兩側(cè)，調(diào)整被測試結(jié)構(gòu)使得被測試結(jié)構(gòu)的法向矢量與相機(jī)保護(hù)單元的中心線重合；將散斑攝像頭安裝在真空罐頂部，位于支撐裝置中部上方；在被測試結(jié)構(gòu)表面及其他指定區(qū)域粘貼測溫點，在被測試結(jié)構(gòu)表面噴涂標(biāo)示點；將真空泵、液氮源分別與真空罐相連，將控制柜分別與真空泵、液氮源相連控制真空泵、液氮源的運行；將數(shù)據(jù)儲存設(shè)備與相機(jī)保護(hù)單元連接；

步驟二、對真空罐進(jìn)行抽真空，真空罐內(nèi)氣壓達(dá)到設(shè)定氣壓后，在常溫下，分別利用相機(jī)保護(hù)單元和散斑攝像頭對被測試結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)進(jìn)行測量并保存數(shù)據(jù)，測量參數(shù)及內(nèi)容包括初始狀態(tài)下被測試結(jié)構(gòu)的正反表面溫度、正面型面精度及外形；

步驟三、控制真空罐內(nèi)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度t₁，利用散斑攝像頭對標(biāo)示點中的散斑點云圖像進(jìn)行捕獲，變換相機(jī)保護(hù)單位的姿態(tài)并利用相機(jī)保護(hù)單元獲取不同角度下的標(biāo)示點中的靶標(biāo)圖像；控制真空罐內(nèi)溫度載荷變化至下一個設(shè)定的目標(biāo)溫度t₂，重復(fù)步驟三直至完成最后目標(biāo)溫度t_n下的測量并儲存數(shù)據(jù)；n為正整數(shù)；

步驟四、對獲得的包括常溫在內(nèi)的n+1個不同溫度載荷下的標(biāo)示點的散斑圖像進(jìn)行灰度對比處理，剔除不滿足灰度要求的圖像；對上述n+1個不同溫度載荷中的任意兩個溫度載荷狀態(tài)下同一角度位置的標(biāo)示點散斑圖像中的選定子區(qū)域進(jìn)行相關(guān)性計算，獲得相關(guān)系數(shù)S(T)；如果相關(guān)系數(shù)S(T)≥0.8且其他相關(guān)系數(shù)低于當(dāng)前S(T)值30％以上，進(jìn)入步驟五；

步驟五、分別對步驟四中滿足相關(guān)性要求的兩個溫度載荷狀態(tài)下同一角度位置的標(biāo)示點散斑圖像中選定子區(qū)域中所有標(biāo)示點散斑進(jìn)行去剛體位移計算，得到在兩個溫度載荷狀態(tài)下同一角度位置的標(biāo)示點散斑圖像選定子區(qū)域內(nèi)散斑點的三維空間位移數(shù)據(jù)；

步驟六、將兩個溫度載荷狀態(tài)下同一角度位置的標(biāo)示點散斑圖像區(qū)域內(nèi)散斑點的三維空間位移數(shù)據(jù)作差，獲得兩個溫度載荷狀態(tài)之間的相對變形量；

步驟七、將步驟六中獲得的相對變形量與被測試結(jié)構(gòu)溫度載荷條件下理論仿真分析結(jié)果進(jìn)行對比：如果相對變形量與理論分析結(jié)果相差在一個數(shù)量級之內(nèi)，則將試驗測試獲得的相對變形量數(shù)據(jù)作為結(jié)構(gòu)微變形測量值。

所述初始狀態(tài)指被測試結(jié)構(gòu)被緊固在支撐裝置上，真空罐內(nèi)壓力小于10^-3Pa，溫度在常溫25℃±2℃范圍內(nèi)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明能夠在熱真空高低溫環(huán)境下直接開展精度測量，有效解決了熱真空高低溫環(huán)境下精密儀器防護(hù)與精度保證的問題，并能夠有機(jī)結(jié)合數(shù)字散斑圖像相關(guān)和攝影測量的數(shù)據(jù)，獲取了微米級連續(xù)區(qū)域三維場的變形趨勢及數(shù)值。

(2)本發(fā)明有效融合空間點位三維信息和散斑點云信息，解決型面和變形難題；本發(fā)明內(nèi)部相機(jī)的移動和調(diào)整都是通過高低溫電機(jī)完成，整個過程中只需操作人員在真空環(huán)境外部進(jìn)行操作，同時利用單目攝影測量的原理可以有效避免其安裝基準(zhǔn)便宜引入的測量誤差。

(3)本發(fā)明能夠給出連續(xù)區(qū)域三維微小變形量，而不是單點精度，為大型結(jié)構(gòu)件熱變形的測量提供了強(qiáng)有力的硬件平臺支持，可以在更寬的溫度區(qū)域內(nèi)大大提高熱變形的測量精度，特別是對于真空寬溫域原位高精度三維場的微小變形測量方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的空間布局原理圖。

具體實施方式

本發(fā)明的一種熱真空高低溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)微變形測量方法的測試系統(tǒng)主要由測量分系統(tǒng)、溫控分系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)支撐分系統(tǒng)三個部分組成。測量分系統(tǒng)由相機(jī)保護(hù)單元6和散斑攝像頭10及其保護(hù)裝置組成。相機(jī)保護(hù)單元6主要采用高低溫電機(jī)進(jìn)行空間運動時帶動單目相機(jī)對靶標(biāo)進(jìn)行空間點位獲取，進(jìn)行空間點位坐標(biāo)計算后進(jìn)行特征擬合，得到其前后的變形量。散斑攝像頭及其保護(hù)裝置10主要采用高精度CCD相機(jī)對噴涂在被測結(jié)構(gòu)件上的數(shù)字散斑進(jìn)行點云捕獲，進(jìn)行子區(qū)域自相關(guān)解算后得到其前后的變形量。溫控分系統(tǒng)主要采用定制燈陣進(jìn)行升溫，采用液氮管路進(jìn)行降溫，采用測溫點8進(jìn)行溫度測量反饋，從而有效調(diào)節(jié)散斑攝像頭及其保護(hù)裝置10的溫度。結(jié)構(gòu)支撐分系統(tǒng)主要是支撐裝置5，采用近零膨脹碳纖維研制，用于支撐被測結(jié)構(gòu)件和數(shù)字散斑儀，有效保證其在一定范圍內(nèi)由于支撐結(jié)構(gòu)引起的精度誤差足夠小且能夠補(bǔ)償計算。

一種熱真空高低溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)微變形測量方法，包括步驟如下：

(1)前期準(zhǔn)備階段。如圖1所示，本測量系統(tǒng)主體單元由數(shù)據(jù)儲存設(shè)備4、相機(jī)保護(hù)單元6、標(biāo)示點7、散斑攝像頭及其保護(hù)裝置10、測溫點8組成，輔助單元由真空泵1、控制柜2、液氮源3、支撐裝置5組成。將被測試結(jié)構(gòu)9安裝在支撐裝置5上面，使得被測試結(jié)構(gòu)9的法矢與相機(jī)保護(hù)單元6的中心線基本重合。然后，將散斑攝像頭及其保護(hù)裝置10和相機(jī)保護(hù)單元6分別安裝在支撐裝置5的左側(cè)和中間頂部，連接關(guān)聯(lián)管路和集成控制電纜。在被測試結(jié)構(gòu)9的兩面及其他指定區(qū)域粘貼測溫點8，對所有分系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)通測試，并對整個測量系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)測試。檢查確認(rèn)無誤后，封閉熱真空罐大門并開始抽真空。

(2)測量階段。真空罐內(nèi)氣壓達(dá)到既定目標(biāo)后，首先進(jìn)行常溫下的初始狀態(tài)測量，分別利用相機(jī)保護(hù)單元6和散斑攝像頭及其保護(hù)裝置10進(jìn)行被測試結(jié)構(gòu)9的初始狀態(tài)測量并保存。初始狀態(tài)是被測結(jié)構(gòu)件被緊固在支撐裝置5上，真空罐內(nèi)壓力降低到小于10^-3Pa，溫度在常溫25℃±2℃時的狀態(tài)。主要測量參數(shù)為被測試結(jié)構(gòu)9正反面表面溫度、正面型面精度和形貌。然后利用溫控分系統(tǒng)進(jìn)行升降溫，當(dāng)達(dá)到某一個目標(biāo)溫度t₁后，采用散斑攝像頭及其保護(hù)裝置10進(jìn)行標(biāo)示點7中的散斑點云圖像捕獲，通過伺服電機(jī)控制電機(jī)變換相機(jī)的位姿，利用相機(jī)保護(hù)單元6獲取不同角度的標(biāo)示點7中的靶標(biāo)點圖像。完成該目標(biāo)溫度t₁下測量后，再次利用溫控分系統(tǒng)進(jìn)行溫度載荷變化并待其穩(wěn)定后，再次進(jìn)行測量并獲取數(shù)據(jù)，直到完成所有目標(biāo)溫度t_n下的測量工作。標(biāo)示點7包括靶標(biāo)點和散斑點，其中靶標(biāo)點作為輔助識別點，散斑點作為變形量前后計算相關(guān)子區(qū)域的點云。n為正整數(shù)。

(3)數(shù)據(jù)處理。對獲得的n個不同溫度載荷下的標(biāo)示點7散斑圖像進(jìn)行灰度對比處理，剔除不滿足灰度要求的圖像。然后對于需要對比分析的兩個溫度狀態(tài)，比如目標(biāo)溫度t₁和目標(biāo)溫度t₂狀態(tài)下同一位置獲得的圖像進(jìn)行選定目標(biāo)子區(qū)域和樣本子區(qū)域的相關(guān)計算和處理(以目標(biāo)溫度t₁狀態(tài)下某一角度位置的圖像的選定子區(qū)域為樣本子區(qū)域，以目標(biāo)溫度t₂狀態(tài)下與目標(biāo)溫度t₁狀態(tài)下同一位置的圖像的選定子區(qū)域為目標(biāo)子區(qū)域)，計算得出的相關(guān)系數(shù)滿足要求后，再進(jìn)行兩幅圖像選定子區(qū)域前后之間的去剛體位移計算，得到選定子區(qū)域內(nèi)散斑點在目標(biāo)溫度t₁和目標(biāo)溫度t₂狀態(tài)下的三維空間位移數(shù)據(jù)，最終得出目標(biāo)溫度t₁和目標(biāo)溫度t₂狀態(tài)下被測試結(jié)構(gòu)9的相對變形量。其中，核心計算步驟為相關(guān)計算和去剛體位移計算兩個部分。

相關(guān)計算。用數(shù)字散斑相關(guān)方法處理數(shù)字散斑云圖時，為了準(zhǔn)確找到目標(biāo)溫度t₂狀態(tài)下選定的目標(biāo)子區(qū)域是否與目標(biāo)溫度t₁狀態(tài)下選定的樣本子區(qū)域相對應(yīng)，一般采用相關(guān)系數(shù)定量計算兩個選定子區(qū)域之間相互關(guān)系，如下所示：

其中，S(T)為自相關(guān)系數(shù)函數(shù)，f(x,y)為樣本子區(qū)域中點(x,y)的函數(shù)，g(x’,y’)為目標(biāo)子區(qū)域中點(x’,y’)的函數(shù)，m為選定子區(qū)域內(nèi)散斑點的數(shù)量。當(dāng)相關(guān)系數(shù)S(T)大于等于0.8且其他相關(guān)系數(shù)低于當(dāng)前S(T)值30％以上時表示相關(guān)性系數(shù)通過計算。

去剛體位移。在確定目標(biāo)子區(qū)域與樣本子區(qū)域的相關(guān)性滿足要求之后，就可以進(jìn)行去剛體位移，即消除散斑攝像頭10和被測試結(jié)構(gòu)9由于外在振動等因素干擾而發(fā)生的相對整體性剛體位移。分別對函數(shù)f(x,y)樣本子區(qū)域所有點(x,y)和g(x’,y’)目標(biāo)子區(qū)域中所有點(x’,y’)去剛體位移。去剛體位移計算公式如下所示：

式中，[x_c,y_c,z_c,1]為去除剛體之后目標(biāo)點的三維齊次坐標(biāo)形式；

[x,y,z,1]為去除剛體之前目標(biāo)點的三維齊次坐標(biāo)形式；

T為目標(biāo)點從目標(biāo)溫度t₁到目標(biāo)溫度t₂的狀態(tài)下所發(fā)生的空間平移量，用平移矩陣來表征；

R為目標(biāo)點從目標(biāo)溫度t₁到目標(biāo)溫度t₂的狀態(tài)下所發(fā)生的空間旋轉(zhuǎn)量，用旋轉(zhuǎn)矩陣來表征。

去剛體位移后，目標(biāo)子區(qū)域和樣本子區(qū)域之間的變化量就是由溫度載荷所帶來的前后變形量。計算公式如下所示：

Δ＝g(x′_c,y′_c,z′_c)-f(x_c,y_c,z_c)

式中，Δ為從目標(biāo)溫度t₁到目標(biāo)溫度t₂被測試結(jié)構(gòu)9上選定區(qū)域的相對變形量；

g(x′_c,y′_c,z′_c)為目標(biāo)溫度t₁時被測試結(jié)構(gòu)9上的目標(biāo)子區(qū)域點函數(shù)值；

f(x_c,y_c,z_c)為目標(biāo)溫度t₂時被測試結(jié)構(gòu)9上的樣本子區(qū)域點函數(shù)值；

在通過相關(guān)性計算和去剛體位移后，獲得的相對變形量Δ后，與被測試結(jié)構(gòu)9溫度載荷條件下理論仿真分析結(jié)果對比分析，如果相差在一個數(shù)量級之內(nèi)，則可以取信試驗測試數(shù)據(jù)。如果相差大于一個數(shù)量級，則需要進(jìn)一步對理論仿真數(shù)據(jù)和試驗過程分別進(jìn)行復(fù)核復(fù)算，找出相差原因，或者重新開始試驗進(jìn)行測量。

試驗測試工作結(jié)束后，將真空罐恢復(fù)至常溫常壓，打開后取出相機(jī)保護(hù)單元6、散斑攝像頭及其保護(hù)裝置10和被測試結(jié)構(gòu)9等，所有工作結(jié)束。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。