單相機高溫三維數(shù)字圖像相關方法

俞立平，潘兵

北京航空航天大學 固體力學所，北京 100083

隨著高超聲速飛行器設計飛行速度的不斷提高，其服役環(huán)境變得越加嚴苛。由于高速飛行及空氣的黏性作用，飛行器外表面邊界層內(nèi)具有較大梯度的各氣流層之間將產(chǎn)生強烈的摩擦，引起極強的氣動加熱，致使飛行器表面溫度急劇升高，大面積防熱結(jié)構(gòu)的溫度可達1 000 ℃以上，鼻錐、翼前緣等局部區(qū)域溫度最高可達2 000 ℃。氣動加熱會使飛行器結(jié)構(gòu)外部發(fā)生燒蝕、結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)強度及剛度降低，甚至影響飛行器的氣動布局，對飛行器的正常服役及安全帶來極為嚴重的隱患。為確保高超聲速飛行器防熱護材料和結(jié)構(gòu)的安全可靠性，在其設計和研制階段需進行大量的氣動熱環(huán)境模擬考核試驗，而如何對飛行器材料/結(jié)構(gòu)在石英燈輻射加熱和高溫風洞環(huán)境下的位移和變形數(shù)據(jù)進行準確測量是相關設計人員極其關心和工程技術人員迫切需要突破的關鍵實驗測試技術問題。

高溫環(huán)境下的熱變形測試方法主要包括接觸式和非接觸式方法。其中，典型的接觸式高溫變形測量方法有高溫電阻應變片和高溫光纖傳感器。然而，接觸式應變測試技術都只能獲得測試區(qū)域內(nèi)的平均變形，且適用溫度范圍有限，測量結(jié)果可靠性低，因此亟需發(fā)展既能滿足全場變形測量又對試樣表面無損的非接觸式變形測量方法來替代傳統(tǒng)的接觸式高溫變形測試方法。非接觸式光學測量方法可以有效地克服上述接觸式方法的不足，已在高溫變形測量中日益受到重視。目前，用于高溫變形測量的非接觸光學測量方法可分為干涉式測試技術和非干涉式測試技術(如高溫視頻引伸計和數(shù)字圖像相關(Digital Image Correlation, DIC))。盡管干涉式測量方法可以提供高靈敏度、高精度的變形測量結(jié)果，但其固有的局限性限制了它們在實際高溫變形測量中的廣泛應用。因此，這類高靈敏度的干涉式測量技術通常僅限在實驗室環(huán)境下使用。相比之下，基于計算機視覺和圖像配準原理的DIC方法具有極為突出的優(yōu)勢，例如光路更為簡單、對實驗環(huán)境的要求低、具有更廣的溫度和變形適用范圍等。

目前，基于單個相機的高溫二維數(shù)字圖像相關方法(2D-DIC)和基于雙目立體視覺的高溫三維數(shù)字圖像相關方法(3D-DIC)已在材料/結(jié)構(gòu)的高溫變形測量和高溫力學性能測定中得到廣泛應用。相比于2D-DIC，3D-DIC能夠測量曲面物體的三維變形，且不會因受到物體表面的離面位移干擾而產(chǎn)生較大的測量誤差，因此在實際測量中更為準確、實用。然而，基于嚴格同步雙相機的高溫3D-DIC方法在實際使用過程中仍存在以下3點不足：① 成本高，2臺 相機的使用會顯著地增加實驗成本，尤其在進行高溫變形測量時使用的2臺紫外相機會極大地增加實驗成本；②系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸較大(石英燈熱考核試驗和高溫風洞中觀察窗尺寸往往較小)且測量系統(tǒng)復雜(雙相機同步觸發(fā)裝置會進一步增加系統(tǒng)搭建的復雜性和成本)；③2臺獨立相機客觀存在的幾何差異、光強差異會給圖像的相關匹配帶來困難(即使2臺型號相同的相機也無法避免雙相機之間的幾何差異和光強差異)。為了克服雙相機3D-DIC的不足，研究人員相繼發(fā)展了反射式、折射式、衍射式等多種單相機三維成像技術及單相機3D-DIC方法?？紤]到已有的基于雙同步相機的高溫3D-DIC方法的局限性，發(fā)展一種基于單個相機結(jié)構(gòu)緊湊的高溫3D-DIC方法對于高超聲速飛行器材料和結(jié)構(gòu)的高溫變形測量具有重要的意義。

為此，本文引入基于單個普通相機/紫外相機和組合式平面反射鏡相結(jié)合的單相機三維成像技術，并采用高亮度單色光照明(藍光/紫外照明)和帶通濾波成像(藍/紫外濾波片)相結(jié)合的主動光學成像技術克服高溫實驗過程中不可避免存在的熱輻射干擾問題，以實現(xiàn)單相機高溫三維變形測量。

1 “主動成像”單相機3D-DIC測量系統(tǒng)

1.1 基于組合式平面鏡的單相機3D-DIC系統(tǒng)

圖1所示為本文搭建的用于高溫變形測量的新型單相機3D-DIC系統(tǒng)的示意圖和光路圖，該系統(tǒng)主要由1臺電腦、1個數(shù)字相機、1個變焦鏡頭、組合式反射鏡(包含1個反射棱鏡和2塊平面反射鏡)、1個帶通濾波片、1個單色光源組成。如圖1(a)所示，將平面反射鏡組成的光學適配器放置在相機的前面。為減小高溫物體表面及加熱元件熱輻射對相機所采集圖像亮度的影響，在成像鏡頭前安裝了窄帶通光學濾波片并在被測物體前放置了單色照明光源。其中，外側(cè)2個平面鏡分別固定在2個旋轉(zhuǎn)平臺上，并且可以繞著軸線旋轉(zhuǎn)。而反射棱鏡上的2個反射面相互成90°。通過調(diào)整2個外側(cè)平面鏡的位置和轉(zhuǎn)角，物體表面圖像可以通過左右2個不同的光路清晰地成像在相機靶面。值得注意的是，相機的左靶面僅能夠接收由左光路反射的光線，相應地，右靶面也僅捕捉右光路的反射光線。為了更清楚地展示系統(tǒng)的成像光路，圖1(b)給出了該系統(tǒng)完整的光路圖。從圖中可以觀察到，虛擬雙目立體視覺系統(tǒng)通過4個平面反射鏡將來自物體表面的光線從2條不同光路反射到相機的左右靶面，形成一個使用2個虛擬相機的立體成像系統(tǒng)。

圖1 單相機3D-DIC系統(tǒng)示意圖及光路圖Fig.1 Schematic diagram and optical path of single-camera 3D-DIC system

1.2 “主動成像”系統(tǒng)

為了克服高溫試樣及加熱元件熱輻射對采集圖像的影響，本文建立的單相機3D-DIC系統(tǒng)集成了由單色光照明和窄帶通濾波成像組成的“主動成像”系統(tǒng)。研究表明，在一般較低的溫度下，物體輻射的光線主要集中于肉眼不可見的紅外區(qū)域。而維恩位移定律顯示，隨著物體溫度的升高，受熱物體表面熱輻射的峰值波長會隨著物體表面溫度的增加而向短波長方向移動，從而輻射出可被人眼和相機探測的可見光。圖2(a)是從200～1 400 ℃溫度范圍內(nèi)由普朗克公式計算得到的熱輻射能量與波長的關系曲線，結(jié)果表明，當物體表面溫度較低(小于400 ℃)時，熱輻射的峰值波長主要在不可見的紅外波段。而隨著物體表面溫度的升高(高于400 ℃)后，位于相機感光傳感器可探測波長范圍內(nèi)光波的熱輻射強度顯著增加。圖2(b)顯示了從0～2 500 ℃溫度范圍內(nèi)，單位時間內(nèi)從物體表面單位面積發(fā)射的波長為350、450、550、650 nm光波的輻射能量。結(jié)果表明，當物體表面溫度較低時，各波長光波的輻射強度可以忽略不計。然而，隨著溫度的進一步升高，各波長光波的輻射強度將迅速增加，而且650 nm波長光波的輻射能量升高速率遠高于其他波長的光波。如圖2(b)所示，即使當物體表面溫度接近1 500 ℃時，350 nm波長光波的輻射能量仍能維持在較低的水平，遠低于其他波長更長的光波。

圖2結(jié)果表明，與相對較長的波長(550、650 nm) 相比，一定溫度下短波長(350、450 nm)的絕對輻射能量可忽略不計。因此，在高溫變形測量過程中，使用短波長(350、450 nm)的帶通光學濾波片會屏蔽大多數(shù)長波長輻射能量，大大降低相機傳感器的檢測到的輻射能量。因此，若利用相關的帶通波長的照明光源，則相機采集圖像的強度僅受照明光的影響。這是“主動成像”系統(tǒng)的基本思想。圖3(a)、圖3(b)分別是藍光和紫外帶通濾波片的透射率曲線及普通相機和紫外相機的量子效率曲線。其中藍光濾波片的中心波長為448 nm、 半帶寬約為32 nm，中心波長透射率高于80%。紫外濾波片的中心波長為365 nm、半帶寬約為20 nm，中心波長透射率高于70%。由于帶通光學濾波片僅可使波長在一定范圍內(nèi)的光波通過，因此可有效阻隔高溫輻射中波長較長且輻射強度高的光波進入相機靶面，進而保證相機在高溫環(huán)境中仍能獲取高質(zhì)量的數(shù)字圖像。而且，由于紫外濾波片能阻隔更多的熱輻射能量，因此理論上能適用于更高溫度的變形測量。需要指出的是，不同于藍光“主動成像”系統(tǒng)所用的普通相機，紫外“主動成像”系統(tǒng)需要選用對紫外光線更為敏感的紫外相機。觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)，紫外相機在短波長(如紫外光線)區(qū)域的量子效率顯著高于普通相機的量子效率。由于紫外相機的成本遠高于普通相機，本文建立的紫外單相機3D-DIC能在僅使用一個紫外相機的前提下實現(xiàn)三維熱變形測量，因此相比于基于同步雙紫外相機的高溫三維變形測量系統(tǒng)更具成本優(yōu)勢。

圖2 熱副射能量曲線Fig.2 Thermal radiation energy curves

圖3 濾波片透射率曲線和相機量子效率曲線Fig.3 Transmission spectrum of optical filter and quantum efficiency of camera

2 測量原理

為了準確測量試樣表面的三維形貌、位移和應變，首先，必須要從相機采集到的左右圖像中重建出所有測量點的空間三維坐標；然后，通過追蹤這些點在變形圖像中的位置進而重建出其變形后的三維坐標；最后，根據(jù)變形前后的三維坐標，計算出所有測量點的三維位移和應變。為了詳細地描述單相機3D-DIC方法的測量原理，圖4給出了采用該方法計算三維形貌和變形的示意圖。需要指出的是，實驗前先用搭建的單相機3D-DIC系統(tǒng)采集了平面標定板平移/旋轉(zhuǎn)后的一系列標定圖像，用于建立世界坐標系。在這里，采用常規(guī)的3D-DIC標定方法即可標定出2個虛擬相機的內(nèi)外參數(shù)。

在標定好相機的內(nèi)外參數(shù)后，利用搭建的單相機3D-DIC系統(tǒng)采集被測物體在不同狀態(tài)下的數(shù)字圖像。這些圖像被分割成左圖像和右圖像，在圖像分割完成后，還需要根據(jù)這些左圖像和右圖像計算出所有測量點的視差數(shù)據(jù)才能重建所有測量點的空間三維坐標。為了準確地確定三維重建所需的視差信息，需要利用先進的DIC算法來尋找測量點在左右圖像中的位置。如圖4所示，以初始狀態(tài)下的左右圖像為例(ROI為感興趣區(qū)域)，從左圖像中選擇以每個預定義計算點為中心的方形子區(qū)，并在右圖像中搜索其對應的目標子區(qū)。然后采用零均值歸一化最小平方距離(Zero Normalized Sum Squared Difference, ZNSSD)相關函數(shù)和二階形函數(shù)來定量地評估參考子區(qū)與目標子區(qū)之間的相似性。通過使用反向組合高斯牛頓(IC-GN)算法來優(yōu)化非線性相關函數(shù)，可以獲得初始狀態(tài)下所有待計算點的視差數(shù)據(jù)。最后，基于這些視差數(shù)據(jù)與先前標定的相機內(nèi)外參數(shù)，可以重建出測量區(qū)域內(nèi)所有計算點的空間三維坐標，而這些三維坐標點云即為初始狀態(tài)下被測試樣的表面輪廓。類似地，通過在變形狀態(tài)下的左右圖像中搜索測量點的位置，可以獲得待測點在變形狀態(tài)下的視差數(shù)據(jù)，并基于這些視差數(shù)據(jù)重建出所有待測點變形后的三維坐標。通過從變形狀態(tài)下的三維坐標中減去變形前的三維坐標，可以得到所有計算點的三維位移數(shù)據(jù)(沿軸方向位移、沿軸方向位移、沿軸方向位移)。最后，通過使用逐點最小二乘應變估計方法對位移場進行差分，還可以得到物體表面的應變分布情況(沿軸方向正應變、沿軸方向正應變、平面內(nèi)的剪切應變)。

圖4 單相機3D-DIC變形測量過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of single-camera 3D-DIC for deformation measurement

3 實驗驗證

為了驗證藍光和紫外單相機高溫3D-DIC系統(tǒng)的測量精度，及其在實際高溫變形測量中的有效性，設計并進行以下3個實驗：

1) 面內(nèi)和離面剛體平移實驗

為了驗證本文搭建的單相機高溫3D-DIC系統(tǒng)在位移測量中準確性，對平板的面內(nèi)和離面平移進行了測量。被測物體是1個尺寸為100 mm×100 mm×10 mm的玻璃板。系統(tǒng)主要包括一個由4塊平面鏡組成的光學適配器、1個自制的單色光源(波長為450～455 nm)、1個光學帶通濾波片(中心波長為(448±2)nm， 半帶寬為32 nm)、1個成像鏡頭(Xenoplan 1.4/23 mm compact，Schneider Optics，Inc.)、1個高分辨率數(shù)字CCD相機(TXG20，Baumer Electric AG; 像素尺寸：4.4 μm ×4.4 μm；分辨率：1 624 pixel×1 236 pixel)。實驗前，在試樣表面制作了隨機分布的黑白散斑。實驗時，將平板固定在雙向平移臺(GCM-125302BM，中國大恒有限公司)上，并利用平移臺沿著正軸移動平板，每次平移0.5 mm，共10次，每 次采集一幅圖像用于位移測量。隨后，沿著正軸方向重復上述實驗。實驗過程中總共獲得了2組圖像，每組圖像包括11張平移圖像。

2) 使用藍光單相機高溫3D-DIC系統(tǒng)的高溫變形測量實驗

為了驗證藍光單相機高溫3D-DIC系統(tǒng)的在實際高溫變形測量中的有效性，利用該系統(tǒng)對氧化鋁陶瓷板(材料：AlO，尺寸：100 mm×100 mm×2 mm)、 不銹鋼板(材料型號：No.1Cr18 Ni9Ti，尺寸：100 mm×100 mm×2 mm)的高溫變形進行測量。氧化鋁陶瓷板和不銹鋼板的熱膨脹系數(shù)可以在材料手冊中查到。為了確?？煽亢蜏蚀_的變形測量，在試樣表面制作了能夠耐受1 600 ℃的高溫散斑(高溫涂料RGL-NC10，1 700 ℃)。然后將制備好的試樣垂直放置在石英燈氣動加熱裝置前的加熱平臺上，測量面為試樣的非直接受熱面(后表面)，如圖5(a)所示。測量系統(tǒng)與第1個實驗基本一致，不同的是，這里采用了1個高分辨率的單反相機(Canon EOS 70D，5 472 pixel×3 648 pixel) 和1個適配的單反鏡頭(Canon，EF-S18-135 IS USM)。加熱前，利用藍色LED光源(波長為450～455 nm)均勻照射試樣表面，并調(diào)節(jié)單反相機和四鏡適配器，以試樣表面清晰地成像在相機的左右靶面。在實驗過程中，2個試樣均從初始室溫加熱到100 ℃，然后以100 ℃的溫度載荷步加熱到1 000 ℃，每次加載采集1幅 數(shù)字圖像。如圖5(a)所示，當氧化鋁陶瓷加熱到1 000 ℃ 時，樣品表面變成紅色。圖5(b)～圖5(d) 顯示了在20(室溫)、500、1 000 ℃下采集到的圖像?？梢杂^察到這些圖像的亮度相近，無明顯亮度變化，驗證了藍光主動成像技術的有效性。

圖5 后表面高溫變形測量實驗裝置及不同溫度下采集到的物體表面圖像Fig.5 Experimental setup for high-temperature deformation measurement at back surface and surface images captured at different temperatures

3) 使用紫外單相機高溫3D-DIC系統(tǒng)的高溫變形測量實驗

相比于非直接受熱面的變形測量，直接受熱面(前表面)由高溫試樣和加熱元件輻射的能量更高，因此采用熱輻射阻隔效率更高的紫外單相機3D-DIC系統(tǒng)更能保證采集圖像的質(zhì)量。為了驗證紫外單相機高溫3D-DIC系統(tǒng)的在前表面高溫變形測量中的有效性，利用該系統(tǒng)對狗骨頭型不銹鋼板試樣(材料型號：No.1Cr18 Ni9Ti，尺寸：200 mm×20 mm×2 mm)的高溫變形進行了測量。實驗前，同樣在試樣表面制作了能夠耐受1 600 ℃ 的高溫散斑(高溫涂料RGL-NC10，1 700 ℃)。 然后將制備好的試樣固定在石英燈氣動加熱裝置上，測量面為試樣的直接受熱面(前表面)，如圖6(a)所示。實驗裝置與前2個實驗基本一致，不同的是，這里采用了1個高分辨率的紫外相機(Artray，ARTCAM-2020UV-USB3，2 048 pixel ×2 048 pixel)和1個適配的紫外濾波片(中心波長為(365±2) nm，半帶寬為20 nm)及成像鏡頭(Computar M5018-MP2，焦距50 mm)。加熱前，利用紫外光源(波長為365 nm)均勻照射試樣表面。同時，為了克服熱霧對成像的干擾，利用風扇在加熱裝置測量吹風，盡量使熱氣流盡量均勻。實驗時，試樣均從初始室溫加熱到100 ℃，然后以100 ℃的溫度載荷步加熱到900 ℃，每次加載采集1幅數(shù)字圖像。圖6(b)～圖6(d)顯示了在20(室溫)、600、800 ℃下采集到的圖像?？梢园l(fā)現(xiàn)，即使阻隔大多數(shù)波長熱輻射能量，這些圖像亮度仍隨著溫度增加而增加，但測試區(qū)域并沒有出現(xiàn)過度曝光情況。需要指出的是，在高溫變形測量中(尤其是前表面測試)，成像系統(tǒng)和試驗件之間的時變、非均勻氣流(“熱霧”)會致使圖像發(fā)生嚴重的畸變，進而引起不可避免的測量誤差。為了減小“熱霧”的干擾，采用風刀或風扇對成像系統(tǒng)和試驗件之間的氣流進行人為干預是較為簡單且行之有效的方法。

圖6 前表面高溫變形測量實驗裝置及不同溫度下采集到的物體表面圖像Fig.6 Experimental setup for high-temperature deformation measurement at front surface and surface images captured at different temperatures

4 實驗結(jié)果

4.1 測量精度驗證實驗

通過分析面內(nèi)和離面平移實驗記錄的數(shù)字圖像，可以獲得測量區(qū)域內(nèi)所有計算點的三維位移。在計算過程中，首先選擇了1個矩形區(qū)域作為計算區(qū)域，然后采用相同的處理方法對所采集的平移圖像進行分析，獲得了每次平移后的全場三維位移。對于每次平移，取所有測量點位移的平均值作為測得位移，并與實際施加的位移進行比較。由于平移過程中沒有任何外力干擾，因此每次測得平移量應該幾乎相等。圖7(a)、圖7(b)顯示了平移實驗測得三維位移與施加位移之間的關系。如圖7(a)和圖7(b)所示，測得面內(nèi)平移實驗的方向和離面平移實驗的方向的平移幾乎與施加位移一致，而其他2個方向上的位移幾乎為0。通過從測得的全場位移中減去實際施加的位移，可以得到全場測量誤差、誤差的平均值和標準差。結(jié)果顯示，位移誤差的平均值、標準偏差分別小于0.050、0.005 mm，而且測得的位移和施加的位移之間的相對誤差基本小于5%?？紤]到實驗過程中可能存在的其他誤差(如平移臺平移方向光軸不平行或不垂直、平移臺平移量不準確等)，上述結(jié)果驗證了單相機3D-DIC系統(tǒng)能夠準確地測量出物體的面內(nèi)和離面位移。

圖7 實驗測得的位移U、V、W與施加位移之間的關系Fig.7 Measured U, V and W displacements as function of applied displacements

4.2 材料非直接受熱面熱變形測量

利用第2節(jié)介紹的方法將在不同溫度下采集的圖像與參考圖像進行相關計算，可以獲得測試區(qū)域的全場位移和應變場。圖8顯示了氧化鋁陶瓷在 600 ℃下的水平方向、豎直方向、徑向、離面位移場。圖8(a)、圖8(b)中均勻分布的等高線表示試樣發(fā)生了均勻的熱膨脹。在圖8(c)展示的徑向位移場中，等高線以近似同心圓均勻分布，直觀地展現(xiàn)了試樣表面的均勻熱膨脹。這些結(jié)果與實際的熱膨脹非常吻合。圖9則顯示了試樣在不同溫度下的徑向位移場?？梢园l(fā)現(xiàn)，試樣膨脹量隨著溫度升高而增大。

圖8 600 ℃下氧化鋁陶瓷試樣熱變形Fig.8 Thermal deformation of alumina ceramic sample at 600 ℃

圖9 氧化鋁陶瓷試樣在不同溫度T下的徑向位移場Fig.9 Radial displacement fields of alumina ceramic sample at different temperatures T

基于圖8(a)、圖8(b)所示的位移場，使用線性平面擬合可以計算出這2個方向上的熱應變。對于氧化鋁陶瓷樣品，在600 ℃溫度下、方向的平均應變分別評估為4 000μ、3 967μ。極小的差異表明材料是各向同性的，并且在、方向上的熱膨脹系數(shù)相同。與氧化鋁陶瓷板類似，不銹鋼板也是各向同性的，因此將、方向上的熱應變的平均值作為測量應變。圖10展示了氧化鋁陶瓷和不銹鋼材料在不同溫度下的平均應變。其中，應變線性擬合的斜率可以近似認為是材料的熱膨脹系數(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)，氧化鋁陶瓷和不銹鋼材料的熱膨脹系數(shù)分別約為7.041×10(參考值：(6.8～7.2)×10)和20.670×10(參考值：700 ℃時為18.6×10)，測量值基本與參考值一致，驗證了所建立的熱應變測量系統(tǒng)的準確性。

圖10 兩種材料不同溫度下的熱應變Fig.10 Thermal strains of two materials at different temperatures measured

4.3 材料直接受熱面熱變形測量

通過利用類似的方法分析紫外單相機高溫3D-DIC系統(tǒng)采集到的試樣直接受熱面圖像，可以獲得試樣表面位移和應變信息。圖11展示了紫外單相機高溫3D-DIC系統(tǒng)測得試樣在900 ℃下的前表面熱變形場，主要包括水平位移場、豎直方向位移場和徑向位移場。圖11(a)、圖11(b)中接近均勻分布的等高線，以及圖11(c)所示近似同心圓的徑向位移，均表明試樣發(fā)生了接近均勻的熱膨脹。

圖11 試樣900 ℃溫度下的前表面熱變形Fig.11 Thermal deformation of front surface of sample at 900 ℃

圖12進一步顯示了不銹鋼試樣在不同溫度下的徑向位移場。從圖中可以清楚地看到，隨著溫度的升高，位移矢量的大小也相應增加。然而，測得的位移矢量的輪廓線不再為圖9所示規(guī)則的同心圓。明顯的不均勻變形表明熱霧對高溫熱變形測量的不利影響。本質(zhì)上，這是由于成像光路上時變的氣流擾動改變了試樣和相機之間空氣的折射率，進而造成圖像畸變，且畸變會隨時間變化。需要指出的是，即使實驗過程中采用了風扇對氣流進行人為干預，仍然無法完全消除熱霧的干擾。采用前文類似的方法對測得位移場進行擬合，可以獲得不同溫度下試樣表面的熱變形。對不同溫度的熱應變進行擬合，進一步獲得了試樣在水平和豎直方向上的熱膨脹系數(shù)，分別為17.73×10、18.28×10(參考值：700 ℃時為18.6×10)。測量結(jié)果與參考值非常接近，驗證了紫外單相機3D-DIC系統(tǒng)的有效性。上述結(jié)果也進一步證實熱霧會改變試樣表面的局部變形，但整體應變?nèi)匀环从吃嚇颖砻娴恼鎸崯嶙冃巍?/p>

圖12 試樣不同溫度下的徑向位移場Fig.12 Radial displacement fields of sample at different temperatures

5 結(jié) 論

建立了基于單個普通相機/紫外相機和組合式平面反射鏡相結(jié)合的“主動成像”單相機高溫3D-DIC測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高亮度單色光照明(藍光/紫外照明)和帶通濾波成像(藍/紫外濾波片)相結(jié)合的主動光學成像技術克服了高溫實驗過程中的熱輻射干擾問題。與傳統(tǒng)基于同步雙相機的高溫三維變形測量系統(tǒng)相比，本文建立的藍光/紫外單相機高溫3D-DIC系統(tǒng)成本低、系統(tǒng)更緊湊且無需復雜的雙相機同步，尤其適合于現(xiàn)場空間有限的熱變形測量。

利用建立的藍光單相機高溫3D-DIC系統(tǒng)測量了不銹鋼和氧化鋁陶瓷不同溫度下非直接受熱面(后表面)的全場變形，實驗測得的材料熱膨脹系數(shù)與航空材料手冊參考值一致。利用建立的紫外單相機3D-DIC系統(tǒng)測量了不銹鋼合金材料直接受熱面(前表面)的全場變形，實驗測得材料熱膨脹系數(shù)與參考值一致。與藍光單相機高溫3D-DIC系統(tǒng)相比，紫外單相機高溫3D-DIC系統(tǒng)適合熱輻射更強的前表面高溫變形測量。

雖然本文的單相機高溫3D-DIC系統(tǒng)可在一定程度上解決高溫熱輻射干擾問題，其可行性已獲得初步試驗驗證，但要在工程中實現(xiàn)高超聲速飛行器材料和結(jié)構(gòu)高溫變形的準確測量，還需要解決或考慮以下問題：①高溫環(huán)境對組合式平面鏡結(jié)構(gòu)的影響；②“熱霧”干擾。此外，單相機高溫3D-DIC系統(tǒng)還可以與帶觀察窗的高溫爐結(jié)合，用作高溫視頻引伸計，以實現(xiàn)高溫/超高溫環(huán)境下的材料力學性能的準確測量。