高温环境下单相机三维变形与温度同步测量装置及方法与流程

技术特征：

1.一种高温环境下单相机三维变形与温度同步测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：照明光源、彩色CCD相机、滤波片、单相机双目成像系统、红外测温仪和计算机；其中，所述照明光源照射在被测物体表面；所述彩色CCD相机和红外测温仪通过同步线连接，并且连接至计算机；所述红外测温仪对准被测物体表面；所述彩色CCD相机透过单相机双目成像系统实时拍摄被测物体表面，得到的被测物体表面的彩色图像中包含红光R信息、绿光G信息和蓝光B信息，通过相应的红光通道、绿光通道和蓝光通道输至计算机；所述彩色CCD相机透过单相机双目成像系统拍摄被测物体表面，相当于两个虚拟相机分别从不同角度对被测物体表面进行拍摄，从而实现双目视觉效果，计算机取出彩色CCD相机拍摄的彩色图像中的蓝光信息，采用三维数字图像相关算法，计算得到被测物体表面的三维形貌以及三维变形；所述计算机同步控制红外测温仪和彩色CCD相机，红外测温仪实时测量被测物体表面的一个点的温度作为基准温度，计算机取出彩色CCD拍摄的彩色图像中的红光信息和绿光信息，利用比色法运算，基于红外测温仪标定的基准温度，计算得到被测物体表面的全场温度。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述照明光源选用蓝光波段的光源；在彩色CCD相机的镜头前设置滤波片，滤波片的透射波段为蓝光波段，透射中心波段与照明光源的波段相对应；所述照明光源发射出蓝光波段的照明光照射被测物体表面，增强蓝光光源作为补强光，在镜头前设置有蓝光波段的滤波片的CCD彩色相机拍摄被测物体表面，被测物体表面主要集中在红光波段的高温热辐射被滤波片滤掉，并减弱被测物体表面本身的反射光，从而得到被测物体表面更加清晰的彩色图像。

3.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述照明光源采用蓝光波段的发光二极管LED或者蓝光波段的激光光源。

4.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述单相机双目成像系统采用三棱镜或者反射镜。

5.一种高温环境下单相机三维变形与温度同步测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

1)在被测物体受热加载之前，对彩色CCD相机进行标定：照明光源照射至被测物体表面，镜头前设置滤波片的彩色CCD相机，透过单相机双目成像系统实时拍摄被测物体表面的彩色图像，得到的彩色图像传输至计算机，利用三维数字图像运算，得到初始状态下被测物体表面的三维基准坐标P₀(x_o,y_o,z_o)；

2)对被测物体进行受热加载；

3)计算机同步控制红外测温仪和彩色CCD相机，红外测温仪对准被测物体表面，实时测量被测物体表面的一个点的温度，作为基准温度；

4)照明光源发出照射光至被测物体表面，彩色CCD相机透过单相机双目成像系统实时拍摄被测物体表面，得到的被测物体表面的彩色图像中包含红光R信息、绿光G信息和蓝光B信息，通过相应的红光通道、绿光通道和蓝光通道传输至计算机；

5)彩色CCD相机透过单相机双目成像系统拍摄被测物体表面，相当于两个虚拟相机分别从不同角度对被测物体表面进行拍摄，从而实现双目视觉效果，计算机取出彩色CCD相机拍摄的彩色图像中的蓝光信息，采用三维数字图像相关算法，实时计算得到被测物体表面的三维形貌以及三维变形；

6)同时，计算机取出彩色CCD拍摄的彩色图像中的红光信息和绿光信息，利用比色法运算，基于红外测温仪标定的基准温度，计算得到被测物体表面的全场温度。

6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，在步骤5)中，进一步包括：照明光源发出蓝光波段的照射光至被测物体表面，在镜头前设置有蓝光波段的滤波片的CCD彩色相机拍摄被测物体表面，被测物体表面主要集中在红光波段的高温热辐射被滤波片滤掉，并减弱被测物体表面本身的反射光，从而得到被测物体表面更加清晰的彩色图像。

7.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，在步骤5)中，彩色CCD相机透过单相机双目成像系统拍摄被测物体表面，相当于两个虚拟相机分别从不同角度对被测物体表面进行拍摄，从而实现双目视觉效果，计算机取出彩色CCD相机拍摄的彩色图像中的蓝光通道信息，将彩色CCD相机透过单相机双目成像系统拍摄得到的图像从中间分成两幅图像，右边图像相当于第一虚拟相机4a拍摄得到的图像，左边图像相当于第二虚拟相机4b拍摄的到的图像，采用三维数字图像相关算法，实时计算得到被测物体表面的三维坐标P(x,y,z)，通过减去加载前初始状态下被测物体表面的三维基准坐标P₀(x_o,y_o,z_o)得到：

$\left\{\begin{array}{c}u=x-x_o\\ v=y-y_o\\ w=z-z_o\end{array}\right.$

获取得到被测物体1表面的三维变形(u,v,w)，通过应变计算公式计算三维应变(ε_x,ε_y,γ_xy)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{\∂u}{\∂x}\\ {\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{\∂v}{\∂y}\\ {\mathrm{\γ}}_{xy}=\frac{\∂u}{\∂y}+\frac{\∂v}{\∂x}\end{array}\right.$

其中，ε_x为被测物体的x方向应变，ε_y为被测物体的y方向应变，γ_xy为被测物体的主应变。

8.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，在步骤6)中，计算机取出彩色CCD拍摄图像中的红光通道信息和绿光通道信息，利用普朗克辐射定律可得到温度的求解公式：

$T=\frac{C_2(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_G}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_R})}{\ln B_{RG}-ln\frac{A_R{U}_R{t}_R{K}_{{\mathrm{\λ}}_R}T\left({\mathrm{\λ}}_R\right)}{A_G{U}_G{t}_G{K}_{{\mathrm{\λ}}_G}T\left({\mathrm{\λ}}_G\right)}-ln\frac{\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_R,T)}{\mathrm{\ϵ}({\mathrm{\λ}}_G,T)}-5ln\frac{{\mathrm{\λ}}_G}{{\mathrm{\λ}}_R}}$

其中，ε(λ_R,T)、ε(λ_G,T)为物体发射率，C₂为第二辐射常数C₂＝1.438833×10^-2(m·K)，λ_R为被测物体加热时发射的红光波长，λ_G为被测物体加热时发射的绿光波长，B_RG为图像像素点红光通道亮度与绿光通道亮度比色值，T(λ_R)、T(λ_G)为可见光谱范围内响应函数，A_R和A_G为CCD光敏单元输出电流和图像灰度值之间的转换系数，U_R和U_G为光电转换系数，t_R和t_G为曝光时间，和为光学系统的透过率；

利用比色法运算，基于红外测温仪标定的基准温度，计算得到被测物体表面的全场温度，其测量公式为：

$ln\left(B_{RG}\right)-ln\left(B_{RGo}\right)=C_2(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_G}-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_R})(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_o})$

其中，B_RGo为红外测温仪标定点的物体图像像素点红光通道亮度与绿光通道亮度比色值，T_o为红外测温仪标定点温度，λ_R为被测物体加热时反射红光波长，通过公式逐点遍历计算被测物体表面图像像素点，即可得到被测物体表面图像的温度T，将物体图像坐标映射到被测物体的三维坐标上，即可得到被测物体烧蚀过程中的三维温度场，实现物体高温下三维变形和全场温度同步测量。