一种高温变形测量中高温热气流扰动误差补偿方法及装置

1.本发明属于高温变形测量相关技术领域，更具体地，涉及一种高温变形测量中高温热气流扰动误差补偿方法及装置。


背景技术：

2.作为一种非接触光学测量方法，数字图像相关法具有设备搭建方便、自动化程度高的优点，在工业制造、航空航天和半导体器件等领域应用广泛。
3.数字图像相关法通过相机采集具有表面特征的待测物体图像，使用图像相关算法对图像的感兴趣区域进行匹配识别，经过空间坐标变换后得到物体的形貌和变形测量结果。在物体变形过程中，相机可以同步采集待测物的实时图像，进而得到其整个变形周期的测量数据，为被测物体的物理性能分析提供了重要依据。
4.在实际工业场合中，经常面临高温下测量变形的情况。高温环境下空气密度变化会形成热气流扰动，此时若使用传统数字图像相关法进行测量，相机拍摄物体的光路发生变化，导致相机采集的图片失真，从而影响测量结果的精度，因此在回流工艺中电子封装可靠性评估、航空发动机内零部件性能测试等高温测量场景下，传统的数字图像相关法具有一定的局限性。中国专利cn108955551公开了一种用于修正热气流对数字图像相关测量精度影响的方法，通过编码点位置变化得到一个参数矩阵，通过这个矩阵与dic算出的各点位移相乘，得到最终的修正值，虽然不同位置点修正值不同，但是使用同一个矩阵进行校正，这个矩阵只能表示平均的热气流场，当热炉内气流不均匀时，不同位置的修正值相差很大。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高温变形测量中高温热气流扰动误差补偿方法及装置，能够有效的对高温热气流扰动引起的误差进行补偿。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高温变形测量中高温热气流扰动误差补偿方法，所述方法包括：s1：设置变形测量装置和投影补偿装置，其中，所述变形测量装置包括热炉、观察窗和设于所述热炉上方的至少一个第一相机，所述投影补偿装置包括成像平台、投影机和设于所述成像平台上方的第二相机，所述投影机的影像透过所述观察窗斜射向成像平台；s2：所述投影机向所述成像平台上投射标记点图案，未加热前，所述第二相机采集该标记点图案作为标记点参考图像；s3：将表面设有随机性纹理的试样设于所述热炉内，所述第一相机采集未加热时的试样图案作为试样参考图像；s4：所述热炉对所述试样进行加热，同步获取不同时刻第一相机采集的试样变形图像和第二相机采集的标记点变化图像；s5：对比所述标记点变化图像和标记点参考图像的位置变化量，计算出不同时刻所述热炉内高温气体各方向的折射率；s6：根据所述试样参考图像和试样变形图像，采用数字图像相关算法计算不同时刻所述试样的位移场；s7：基于所述折射率对所述位移场进行修正补偿，得到所述试样的真实变形。
7.优选地，步骤s5中采用如下公式计算不同时刻所述热炉内高温气体各方向的折射
率：
[0008][0009]
其中，b
ij
，b
′
ij
分别为xoz平面和yoz平面上不同位置角度的气体折射率，其中xoy平面为水平面；i，j分别对应所述成像平面上标记点沿x和y方向的编号；a为所述热炉外的空气折射率，h为所述投影机距所述成像平台的高度，l为所述投影机与所述成像平台之间沿x向的距离；x
ij
，x
′
ij
为所述标记点在热炉中热气流影响前后的x向坐标，y
ij
，y
′
ij
为所述标记点在热炉中热气流影响前后的y向坐标。
[0010]
优选地，步骤s7中基于高温气体各方向的所述折射率，利用光折射原理对所述位移场进行补偿，得到试样真实变形的具体公式为：
[0011][0012]
其中，[x
mn
，y
mn
]
t
为利用光线折射原理进行补偿后x，y方向的位移值；[x
mn
′
，y
mn
′
]
t
为数字图像相关算法得到的试样x，y方向的位移值；b
mn
，b
′
mn
为试样上各点位移补偿计算时沿x，y方向的热炉内气体折射率，分别由所述b
ij
，bi′j经插值算法得到。
[0013]
优选地，所述插值算法具体为：一次线性插值。
[0014]
优选地，所述标记点图案为多个圆点阵列分布形成的图案。
[0015]
按照本发明的另一个方面，提供了一种实现上述高温变形测量中高温热气流扰动误差补偿方法的装置，所述装置包括变形测量装置和投影补偿装置，其中：所述变形测量装置包括：热炉、观察窗和至少一个第一相机，其中所述试样放置于所述热炉中进行加热，至少一个所述第一相机设于所述观察窗上方，用于采集所述试样变形前后的图像，所述热炉为密封结构，所述观测窗位于所述热炉相互垂直且相邻的两面；所述投影补偿装置包括：成像平台、投影机和第二相机，所述第二相机位于所述成像平台的正上方，所述投影机位于所述热炉上方，透过观察窗和热炉内的热气流向成像平台投射图案。
[0016]
优选地，所述观察窗的材料为透光耐高温材料。
[0017]
优选地，所述观察窗的材料为石英玻璃。
[0018]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种高温变形测量中高温热气流扰动误差补偿方法及装置具有如下有益效果：
[0019]
1.本技术借助投影补偿装置可以通过识别高温热气流对投影成像的影响，直接提取出热炉内高温气体各方向对光路的折射干扰，进而借助光线折射原理对各位置点的变形测量值进行逐点补偿，实现了对热气流干扰的测量结果的准确矫正。
[0020]
2.变形测量装置和投影补偿装置之间相互独立，进而实现投影光线仅在热炉内受到热气流影响，严格控制了影响因素，使得校正值更加精准。
[0021]
3.本技术的装置结构简单，只需要在初始的测量系统中增加一套投影补偿装置即可，实验系统容易搭建，具有较高的通用性。
[0022]
4.本技术在高温变形测量时具有广泛的应用场景，很多测试实验无法在真空条件
下进行，使用气动装置也可能对实验环境产生影响，而本技术提出的高温热气流扰动误差补偿方法对测量设备要求不高，不会影响实验环境。
附图说明
[0023]
图1是本技术高温变形测量中高温热气流扰动误差补偿方法的步骤图；
[0024]
图2是实现本技术高温变形测量中高温热气流扰动误差补偿方法的装置原理示意图；
[0025]
图3是实现本技术高温变形测量中高温热气流扰动误差补偿方法的装置详细结构示意图；
[0026]
图4是本技术提出的装置中投影机投影光路和相机视场的重叠区域图；
[0027]
图5是本技术中投影光线在xoz平面上发生折射的示意图；
[0028]
图6是本技术中投影光线在yoz平面上发生折射的示意图；
[0029]
图7是本技术变形测量装置中第一相机采集试样变形图片时光线在xoz平面上发生折射的示意图；
[0030]
图8是本技术变形测量装置中第一相机采集试样变形图片时光线在yoz平面上发生折射的示意图；
[0031]
图9是本技术优选实施例中提出的标记点图案。
[0032]
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
[0033]
1-第一相机；2-第二相机；3-光源；4-投影机；5-观察窗一；6-观察窗二；7-成像平台；8-试样；9-热炉；10-计算机。
具体实施方式
[0034]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0035]
请参阅图1，本发明提供了一种高温变形测量中高温热气流扰动误差补偿方法，所述方法包括如下步骤s1～s7。
[0036]
s1：设置变形测量装置和投影补偿装置，其中，所述变形测量装置包括热炉、观察窗和设于所述热炉上方的至少一个第一相机，所述投影补偿装置包括成像平台、投影机和设于所述成像平台正上方的第二相机，所述投影机的影像透过所述热炉的观察窗斜射向成像平台，保证在平台上清晰成像。
[0037]
也即首先搭建实验平台，设置变形测量装置和投影补偿装置，如图3所示。
[0038]
进一步优选的方案中，在热炉上设置两个观察窗，第一相机通过观察窗一采集待测试样变形前后的图像，投影机透过观察窗一和观察窗二在成像平台上投射图案。
[0039]
进一步优选的方案中，投影机与相机之间呈一定角度布置，投影机的投射光路和相机视场具有较大的重叠区域，如图2和图4所示。
[0040]
进一步优选的方案中，第二相机位于成像平台正上方，并进行标定。
[0041]
变形测量装置中的第一相机固定到合适的位置进行标定，从而获得其内部和外部
参数。第一相机和第二相机通过计算机同步控制，以保证采集图像的时间一致性。
[0042]
s2：所述投影机向所述成像平台上投射标记点图案，未加热前，所述第二相机采集该标记点图案作为标记点参考图像。
[0043]
在热炉未加热之前，投影机的投射光线虽然经过观察窗穿过热炉腔体，但由于热炉内没有热气流，所以此时投射至成像平台上的标记点图案为未受热气流影响的初始图案，此时将该标记点图案作为标记点参考图像。
[0044]
进一步优选的方案中，所述标记点图案为多个圆点阵列布置的均匀图案。
[0045]
s3：将表面设有随机性纹理的试样设于所述热炉内，所述第一相机采集未加热时的图案作为试样参考图像。
[0046]
首先在加热和加载之前采用第一相机采集试样的图案作为试样参考图像。
[0047]
s4：所述热炉对所述试样进行加热，同步获取不同时刻第一相机采集的试样变形图像和第二相机采集的标记点变化图像。
[0048]
采用热炉对所述试样进行加热，加热过程中可另外通过加载单元对待测试样施加载荷以利于变形，同步获取不同时刻第一相机采集的待测试样图像和第二相机采集的标记点图像。
[0049]
s5：对比所述标记点变化图像和标记点参考图像的位置位置变化，计算出不同时刻热炉内高温气体各方向的折射率。
[0050]
热炉温度的改变引起炉内气体折射率发生变化，通过标记点变化图像和标记点参考图像上各圆点的位置变化，获取在不同时刻热炉内高温气体各方向的折射率，具体计算步骤如下：
[0051]
如图5所示，在xoz平面上，投影光透过观察窗一射入热炉内发生折射，根据折射定理得：其中α，β分别为光线经观察窗一的入射角和出射角；a为热炉外的空气折射率，b
ij
为热炉内气体在xoz面上的折射率；
[0052]
投影光通过观察窗二时同样会发生折射，折射公式为：投影光通过观察窗二时同样会发生折射，折射公式为：其中γ为光线经观察窗二的出射角；
[0053]
由以上两个公式联立可得：
[0054]
又由其中h为投影机距成像平台的垂直高度，l为投影机与成像平台之间沿x向的距离，i，j分别对应成像平面上圆点在x和y方向上的编号；x
ij
，xi′j为标记图像上某圆点在热炉加热前后的x向坐标；
[0055]
由此得出：
[0056]
如图6所示，投影光线在yoz平面上同样会发生折射，同理可以得出：
其中y
ij
，y
′
ij
为标记图像上某圆点在热炉加热前后的y向坐标。
[0057]
s6：通过对比所述试样参考图像和试样变形图像的位置变化，采用数字图像相关算法计算不同时刻试样的位移场。
[0058]
根据第一相机采集试样变形前后的图像，基于数字图像相关算法(dic)可以计算出不同时刻试样的位移场，之后才能结合该时刻的热炉内高温气体各方向的折射率，利用光线折射原理对存在热气流扰动的全场变形进行误差补偿。
[0059]
s7：基于所述折射率对所述位移场进行修正补偿，得到试样的真实变形。
[0060]
如图7所示，在xoz平面上，相机采集待测试样图像时光线发生折射，折射公式满足：其中α，β分别为光线经观察窗一的出射角和入射角，b
mn
为试样上各点位移补偿时沿x方向的热炉内气体折射率；
[0061]
由此可得：其中h
′
为第一相机距离待测试样表面的高度；x
mn
′
为数字图像相关算法计算出的试样x方向的位移值，x
mn
为折射补偿后x方向的位移值；
[0062]
同理可得，在图8中的yoz平面上，其中b
′
mn
为试样上各点位移补偿时沿y方向的热炉内气体折射率，y
mn
′
为数字图像相关算法得到的试样y方向的位移值，y
mn
为折射补偿后y方向的位移值。
[0063]
另外，由标记点图案变化只能计算出投影机至各圆点之间光路的离散折射率b
ij
，bi′j，还需考虑投影机投射角度、成像平面上标记点图案大小和待测试样尺寸等，对所述b
ij
，b
′
ij
进行一次线性插值计算，从而得到能够对试样表面各连续点位移值进行补偿的折射率b
mn
，b
′
mn
。
[0064]
本发明另一方面提供了一种高温变形测量中高温热气流扰动误差补偿方法的装置，如图3所示，所述装置包括变形测量装置和投影补偿装置，具体结构如下。
[0065]
所述变形测量装置包括：热炉9、至少一个第一相机1和两个观察窗5，6，其中热炉9用于加热试样8，至少一个所述第一相机1设于所述热炉9上方，用于采集所述试样8的图像，观察窗利于第一相机采集炉内试样图像和透过投影光线。所述热炉为密封结构，所述观测窗位于所述热炉相互垂直且相邻的两面。
[0066]
进一步优选的方案中，变形测量装置还包括光源3，也可另外安装加载单元；光源用于提供足够的照明条件，以便于采集到清晰的图像，加载单元用于向待测试样施加载荷以使试样变形。
[0067]
所述投影补偿装置包括：第二相机2、投影机4和成像平台7，所述第二相机2位于所述成像平台7的正上方，所述投影机4位于所述热炉的上方、第一相机的侧面，所述投影机的投射路径穿过所述观察窗和所述热炉内的高温热气流。
[0068]
热炉为试样加热时，炉腔内产生的热气流对投影机4的光路造成影响，投影光路变化引起标记点投影图案的变化，通过对比标记点投影图案在加热过程中的图像变化，分析
不同时刻的标记点上圆点位置变化状态，计算出热炉内高温气体各方向的折射率，再利用光线折射原理对试样在不同时刻的x和y向位移值进行补偿，从而得到待测试样的真实变形。
[0069]
为了使投影图案能够清晰成像，成像平台表面具有漫反射特性。
[0070]
第一相机固定到合适位置并进行标定从而获得其内外参数，第二相机光轴垂直于成像平台表面，以保证采集到的投影标记点图案的清晰准确。整个系统中第一相机和第二相机通过计算机10同步控制，以实现二者连续同时采集图片。
[0071]
为保证光路折射补偿的准确性，使相机视场和投影机光路的重叠区尽可能大，需对投影机的位置和投射方向进行调整，进一步优选的，所述投影机的投射角度与第一相机和水平面的夹角的误差在
±
10
°
。
[0072]
如图9所示，标记点图案中各圆点位置均匀分布、大小适中，以使标记点图案的位置变化能均匀地反映热气流场的状况。
[0073]
为使投影图案在成像平台上保持清晰，所述观察窗一和观察窗二应选择透光度高、耐高温的材料制备，优选为具有高透光率的石英玻璃片。投影机4以一定角度通过观察窗和热炉内的热气流场向成像平台7投影标记点图案，第二相机实时采集投影图案变化图像，观察窗在起到隔离热气流作用的同时能够透过投影光。
[0074]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。