高温环境下透过玻璃观测窗的DIC变形测量介质误差校正精度验证研究

       研究背景

      高温环境下材料与结构的力学行为研究，如航空发动机热端部件、核反应堆材料、高温化工设备等，对可靠性评估至关重要。数字图像相关法(Digital Image Correlation, DIC)作为一种非接触、全场光学测量技术， 被广泛应用于高温变形测量。然而，受限于极端温度环境，DIC系统通常需通过耐高温石英玻璃观测窗隔离拍摄。

       核心问题：玻璃介质会引入折射效应、热扰动和自身热变形，导致光线路径偏移、图像畸变和标定参数失真，造成显著的位移/应变测量误差(可达数十微米或更高)。现有高温DIC研究多聚焦于散斑制备或热噪声抑制，对跨介质光学误差的系统校正与精度验证仍缺乏标准化方法。

       为了消除玻璃介质引起的高温DIC变形测量误差，西安交通大学机械工程学院王立忠团队，采用新拓三维XTDIC系统通过双目DIC相机的高精度标定和优化算法，能够有效减少玻璃介质引起的变形测量误差，实现高温变形场的精确测量。

       研究目标

       验证跨玻璃介质DIC测量中折射/热变形误差校正算法的精度极限，建立可复现的验证方法学。

       量化高温下玻璃折射率变化及热变形对位移测量的影响量级

       开发基于实际光路追踪的误差校正模型(融合温度场补偿)

       设计高温环境下的原位精度验证方案

       建立校正残余误差与温度、玻璃厚度、视角的定量关系

       提出适用于工程应用的高温DIC介质误差校正规范

       三维DIC高温隔玻璃介质校正难点

       三维DIC比二维DIC测量数据更全面，精度更高，但是在复杂环境下的标定十分困难，这也说明高温三维DIC测量更大的应用价值。

       难点1：高温玻璃介质导致光路折射误差

       问题表现：

       1、双层石英玻璃(3mm厚度)引发显著折射，X/Y轴像素偏移;

       2、Z轴误差因视场角变化难以修正，传统DIC未修正模型方法误差大。

       解决方案：

       折射补偿模型：引入Schott Borofloat ® 33玻璃折射率参数，建立光程修正公式，修正视场角误差。

       双向捆绑调整法：联合优化畸变参数与折射路径，使重投影误差大幅降低，有效提高测量精度。

       难点2：复杂环境下图像质量差引起的标定困难

       问题表现

       相机焦距、玻璃与相机距离对标定精度的影响

       环境光(红橙光谱)干扰，对相机标定精度的影响

       解决方案：

       选择最佳标定参数，大幅降低标定重投影误差

       通过捆绑调整的相机标定方法，提高标定成功率和稳定性。

       难点3：实际测量精度验证

       问题表现：

       标定与参数设置后，测量精度无法量化

       玻璃介质的测量环境，带来的测量误差情况

       解决方案：

       采用有玻璃介质的测量环境进行试验测试

       比较标定时有无玻璃两种情况下的测量误差

       高温观察窗DIC标定试验

       通过将玻璃介质引入相机成像模型，分析复杂环境下影响双目相机标定精度的主要因素，实现双目DIC相机的高精度标定。

高温 DIC 测量试验系统

       高温DIC变形测量关键参数优化组合：

       模型修正后系统精度验证

       为了证明标定有玻璃能够有效减少玻璃介质引起的折射误差，通过常温平面测量试验进行精度验证。

       1、玻璃对位移场测量精度的影响

总位移均值

       如上图所示，采用标定修正后的相机成像模型，总的位移均值仅为 1.604个像素，与方案二相比误差减少了 49.99%，标准差为 0.268个像素，数据依然有很好的稳定性。

       由上图可知，玻璃介质引起的测量误差主要集中在 X 轴，而且相机成像模型中 X 轴方 向  主点偏差明显高于 Y 轴。

       2、 玻璃对应变场测量精度的影响

       由下图可知，玻璃介质对应变场计算影响很小，与DIC测量已有研究成果借鉴中应变计算不受光学玻璃影响的计算结论一致。

最大主应变均值

       上述试验表明，标定有玻璃能够有效减少位移场的测量误差，而对应变场的测量误差影响很 小，并且在X，Y和Z轴上的测量误差减少的幅值并不相同。

       玻纤材料DIC高温变形测量试验

       基于高温试验箱的工作条件，尽可能减少高温热辐射和高温热气流等对测量精度的影响，选择热变形明显的非金属试件以增强试验效果。

       试件为PPS(东丽玻纤增强)材料，耐温度为 260°C，采用标定时无玻璃、测量时有玻璃和标定时有玻璃、测量时有玻璃两种方式，初始试验温度为 50°C，采集散斑图像，测量温度升高到 120°C 时试件的位移场。

       1、位移场分析

试件 50°到 120°X，Y，Z 轴方向位移场变化图像

       测试结果表明，玻璃引起的折射误差在图像边缘处产生了明显的影响，通过高精度相机标定，能够减少各个方向的折射误差。

测量坐标系及关键点

       不同平行线上的高温位移场均值和测量误差如下图：

不同方向平行线位移均值

       上述结果表明，相机标定后X，Y和Z轴方向由于折射引起的测量误差都明显减少。因此能够有效证明在高温3D-DIC测量过程中，标定时有玻璃能够减少由于玻璃折射引起的测量误差。另外，本方法同样可以应用在飞机高速变形测量中，外  加有机玻璃保护罩和水下三维变形测量。

       测试总结分析

       研究高温变形测量中，玻璃介质对3D-DIC测量精度的影响，通过完成带玻璃介质的高精度相机标定，减少了玻璃介质引起的高温 DIC 测量误差。

       (1) 基于捆绑调整的双目相机标定方法，实现了复杂环境下的双目相机标定。具有高的成功率和稳定性。

       (2) 针对玻璃介质环境下双目相机标定精度低的问题，通过分析相机焦距、相机与玻璃的距 离和环境光干扰，给出了最佳的标定参数，标定重投影误差仅为 0.132 个像素。

       (3) 玻璃介质对位移场测量精度的影响很大， 但对应变场测量误差影响很小。标定时考虑玻璃介质能够减少49.99% 的位移测量误差。

       从高温DIC测量结果可知，标定修正相机成像模型能减少各方向位移场平均误差， X 轴方向位移场减少70.16%，Y 轴方向位移场减少76.51%，Z轴方向位移场减少40.05%，本方法能够有效减少高温下玻璃介质引起的测量误差。

       案例摘自：【王立忠，西安交通大学机械工程学院，机械制造系统工程国家重点实验室，高温数字图像相关法变形测量中玻璃介质误差校正】