一种常温常压微米级热稳定性试验系统及试验方法

摘要

本发明提供一种常温常压微米级热稳定性试验系统及试验方法,其试验系统包括：支撑架、支撑平台、CCD相机、图像处理计算机、热控加热器、热控程控电源、测温元件、热控测温采集卡、热控计算机；被测对象为测量结构；测量结构与支撑架均固定在支撑平台上；CCD相机安装于支撑架上，安装位置满足CCD相机监测到测量结构的安装面和主支撑结构外表面；图像处理计算机与CCD相机连接；热控加热器、测温元件均布置于测量结构的表面，热控程控电源与热控加热器连接；热控测温采集卡与测温元件连接，热控计算机分别与热控程控电源、热控测温采集卡连接。本发明的试验系统及方法可以有效消除测试噪声影响，保证常温常压条件下测试精度。

说明书

技术领域

本发明属于航天器热稳定测试技术领域，尤其涉及一种常温常压微米级热 稳定性试验系统及试验方法。

背景技术

高精、高稳、高敏捷已成为新一代高性能航天器的典型特征，机械支撑系 统在轨尺寸稳定性能作为关键要素之一直接影响相机、天线、星敏、陀螺等关 键成像部件、数据接收与传输部件、姿态控制部件自身及彼此间的几何关系， 是决定图像定位精度、相机成像质量、数据传输质量的重要因素之一。目前， 以NASA、ESA为代表的国际知名宇航研究机构均已开展了长期的航天器在轨尺 寸稳定性设计与验证方法研究，研究成果已大量投入实际应用，而我国的航天 器结构尺寸稳定性设计尚处于起步阶段，距离需求最为急迫的“高热稳定性” 指标提出也仅有不到五年的时间，亟需开展各层级机理研究与验证工作，目前 多个领域“十三五”规划、空间民用基础设施建设专项等均考虑将高精高稳结 构研制纳入指南编制规划中。

高稳定航天器结构、部分民用高精度高稳定结构热变形位移量级一般在几 十微米，对于碳纤维复合材料结构热变形一般在微米量级，对应设备安装面法 线转角变化为角秒级。由于对试验测试精度、试验环境等要求较高，目前对于 试件级的热膨胀系数测试渐趋成熟，但对于组件级、大尺寸结构的热变形测试 尚无成熟的试验方法可循。根据ESA设计标准、外文型号报告等文献及情报调 研结果，国外研究机构开展的热变形测试以在真空罐、环境模拟箱内测试方式 为主，配以相应的复杂测试设备及对应的附属装置等，影响环节众多、系统设 计较为复杂、造价高昂，短期内无法在国内应用实现且依然具有上述问题。国 内既有热变形测量设备主要集中在机械制造领域，如精锻模具热变形检测系统 及其检测方法(CN102890097A)，三维高精度多功能热变形实验装置 (CN2700874Y)、高速数控车床的温度和热变形综合监测系统及监测方法 (CN102166722A)，其目的是监测机械加工过程中加工设备或机械零部件的热 变形性能，但测试尺寸范围、测试精度、测试环境等均不适合航天器组件级结 构(约0.2m～2m)微米级热变形测量。常温常压下对于结构的热稳定试验尚处 于探索阶段，基于激光、光纤等手段开展的试验方法研究，针对航天器组件级 结构测试的精度一般在几十、甚至上百微米，无法满足全场微米级精度测量， 部分测试方法可实现全场测量(如反射面型面精度摄影测量)，但仅停留在型面 初始加工精度评估基础上，未能对热载荷下变形过程进行监控测量。

对于微米级热变形测量目前仅能通过有限元仿真分析进行结构热变形预 示，而仿真分析结果的正确性无法得到试验验证，仿真分析模型也无法基于试 验数据得以修正，亟需进行微米级热稳定性试验方法研究。

对于试验环境，为满足通用性、快捷性、经济性要求，理想状态是优先在 常规实验室环境下(常温、常压)即可实现热载荷加载及变形测量。对于热控 系统，为满足微热变形试验要求，热载荷的控制及采集精度应优于±2℃，由 于试验获取温度场将作为仿真验证分析的输入，反馈温度还应尽可能反映结构 全场温度场。此外，热控设备及测试设备还需满足环境稳定性要求。对于变形 测量系统，需具备如下特性：1)测试精度达到微米级或夹角测试精度应达到角 秒级；2)必须为大范围全场测量，满足大尺寸结构测量要求；3)必须为非接 触式测量，避免测量仪器对局部测量精度和测量区域的变形产生干扰；4)受环 境和外部温度变化干扰小，无需对试验环境本身进行特殊处理，以满足通用性 要求；5)随载荷变化必须具备实时测量能力，以满足变形监测频率需求。对于 数据处理，由于高精度测试对周围环境噪声较为敏感，需通过一定数据处理方 法对测试噪声进行消除，以满足测试精度要求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种常温常压微米级热稳定性试验系统及试 验方法。

一种常温常压微米级热稳定性试验系统，其包括：支撑架、支撑平台、CCD 相机、图像处理计算机、热控加热器、热控程控电源、测温元件、热控测温采 集卡、热控计算机；被测对象为测量结构；

测量结构与支撑架均固定在支撑平台上；CCD相机安装于支撑架上，安装 位置满足CCD相机监测到测量结构的安装面和主支撑结构外表面；图像处理计 算机与CCD相机连接；热控加热器、测温元件均布置于测量结构的表面，热控 程控电源与热控加热器连接；热控测温采集卡与测温元件连接，热控计算机分 别与热控程控电源、热控测温采集卡连接。

效果较好的，测温元件的热电偶精度需达到±2℃，测温元件的热敏电阻 精度需达±1℃，热电偶或热敏电阻间距不大于结构宏观尺寸的10％。

效果较好的，支撑平台平面度要求优于0.5mm。

效果较好的，CCD相机(4)两台为一组，常温常压微米级热稳定性试验系 统至少包含两组。

效果较好的，支撑架由金属桁架搭建。

效果较好的，本发明的上述的常温常压微米级热稳定性试验系统的试验方 法，其包括以下步骤：

步骤1，将测量结构表面涂上散斑；

步骤2，启动所述常温常压微米级热稳定性试验系统，热控程控电源为热控 加热器提供热控所需电源，热控加热器为测量结构加载热载荷；热控测温采集 卡通过测温元件采集被测结构上各温度测量点的温度；且加载热载荷每至一个 温度时，各温度载荷步的稳定时间为50-60分钟，各温度载荷步的稳定误差为± 1℃；温度稳定后，热控计算机控制热控程控电源的启动与关闭，并获取热控 测温采集卡连续采集的各温度测量点的温度，且采集频率为1Hz，采集次数为 60-100次；

在上述每一个温度下，图像处理计算机单独控制CCD相机或者热控计算机 触发图像处理计算机控制CCD相机进行图像数据的采集，采集的图像数据为测 量结构的安装面和主支撑结构外表面在三个空间方向上的变形；然后图像处理 计算机对CCD相机采集到的图像数据进行散斑变化的分析处理，获得面的位移 值和位移变化云图；

步骤3，热控计算机对热控测温采集卡连续采集的各温度测量点的温度及该 温度下对应的图像处理计算机获得的面的位移值进行数据处理，获得并显示热 稳定性数据。

效果较好的，在试验之前先进行噪声测试，内容为：

在安装面和主支撑结构外表面上选取位移关键点，在常温条件下进行连续 数据采集，测试频率1Hz，采集次数60-100次；

分别提取各面平均位移与关键点单点位移，对两种位移求测试位移绝对值 均值，根据两种位移求测试位移绝对值均值获知位移波动幅值，若位移波动幅 值在设定范围内则直接进行试验，否则调整测试系统或测试环境直到位移波动 幅值在设定范围内再进行试验。

本发明的有益效果在于：

本发明为非接触式测量方法，试可适应于各种构型的结构微变形测试，不 会受结构形式的限制；避免热控系统与测量系统的交叉干涉，便于保证热控实 施效果及测试系统精度；避免测量系统对结构微变形产生附加影响，进一步减 少误差引入环节；测试设备支撑装置与试件在空间上解耦，减少了测量系统与 测试对象间的温度、机械环节耦合影响。

在常规实验室条件下即可进行热载荷施加及微米级变形测量，适用于各领 域组件级、大尺寸结构热变形测量，系统搭建便捷，满足通用性、快捷性、经 济型要求。较高密度的测温点可反映结构整体温度分布情况，可满足仿真分析 热载荷输入要求。可进行全场热变形测量，实时反映测试区域全场热变形情况， 消除了离散点热变形测试的弊端。根据结构尺寸，通过试验系统合理配置、组 合，位移测试精度可以达到微米级，通过全场位移数据可进一步拟合处理得到 平面度变化及转角变化，能够满足高稳定结构变形测试要求。

测试数据均匀化处理方法可以有效消除测试噪声影响，保证常温常压条件 下测试精度。

附图说明

图1是本发明的常温常压微米级热稳定性试验系统示意图。

图2是本发明的常温常压微米级热稳定性试验方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，常温常压微米级热稳定性试验系统包括支撑架2、支撑平台3、 CCD相机4、图像处理计算机5、热控加热器6、热控程控电源7、测温元件8、 热控测温采集卡9、热控计算机10；被测对象为测量结构1。

测量结构1与支撑架2均固定在支撑平台3上；CCD相机4安装于支撑架 2上，安装位置满足CCD相机4监测到测量结构1的安装面和主支撑结构外表 面；图像处理计算机5与CCD相机4连接；热控加热器6、测温元件8均布置 于测量结构1的表面，热控程控电源7与热控加热器6连接；热控测温采集卡9 与测温元件8连接，热控计算机10分别与热控程控电源7、热控测温采集卡9 连接。

支撑架2用于支撑数字图像相关测量所用CCD相机4，支撑平台3用于支 撑待测结构1及支撑架2，CCD相机4用于测量结构1设备安装面、主支撑结构 外表面三个方向变形，图像处理计算机5用于控制CCD相机4的标定、采集、 数据分析处理、数据显示，热控加热器6用于结构热载荷加载，热控程控电源7 用于提供热控所需电源，测温元件8用于结构1温度控制及测量，热控测温采 集卡9用于结构1温度测量点的温度采集，热控计算机10用于控制加热器加热、 温度测量数据采集、热控数据显示。

常温常压微米级热稳定性试验方法按照下述步骤进行：

步骤1，将测量结构1表面涂上散斑。

步骤2，启动所述常温常压微米级热稳定性试验系统，热控程控电源7为热 控加热器6提供热控所需电源，热控加热器6为测量结构1加载热载荷；热控测 温采集卡9通过测温元件8采集被测结构1上各温度测量点的温度；且加载热载 荷每至一个温度时，各温度载荷步的稳定时间为50-60分钟，各温度载荷步的稳 定误差为±1℃；温度稳定后，热控计算机10控制热控程控电源7的启动与关 闭，并获取热控测温采集卡9连续采集的各温度测量点的温度，且采集频率为 1Hz，采集次数为60-100次；

在上述每一个温度下，图像处理计算机5单独控制CCD相机4或者热控计 算机10触发图像处理计算机5控制CCD相机4进行图像数据的采集，采集的图 像数据为测量结构1的安装面和主支撑结构外表面在三个空间方向上的变形； 然后图像处理计算机5对CCD相机4采集到的图像数据进行散斑变化的分析处 理，获得面的位移值和位移变化云图；

步骤3，热控计算机10对热控测温采集卡9连续采集的各温度测量点的温 度及该温度下对应的图像处理计算机5获得的面的位移值进行数据处理，获得 并显示热稳定性数据。

如图2所示，热控实施：依据热分析结果在结构1表面布置热控加热器6 的电线回路，通过热控程控电源7对结构1进行加载，同时在结构表面高密度 粘贴控温(测温)热电偶和热敏电阻8，充分满足结构温度控制及采集要求，其 中热电偶精度需达到±2℃，热敏电阻精度需达±1℃，为保证温控精度及温 度采集可反映结构1全场温度情况，热电偶或热敏电阻间距不大于结构宏观尺 寸的10％。

测试系统搭建：测试前，结构1与支撑架2固定在支撑平台3上，支撑平台 3平面度要求优于0.5mm。结构1表面涂有白(黑)随机散斑，测试系统采用至 少一组(2台)高像素CCD相机追踪温度加载前后的散斑变化。此外，根据结 构尺寸，需对相机组数配置、相机与试件距离等进行规划，以满足测试区域要 求，如有效测试区域达到1.5m×1.5m范围，采用一组相机系统(2台CCD相机) 时，为满足测试视场需求，CCD相机需架设至距离被测面2m位置，由金属桁 架搭建支撑架2。

噪声测试：为了确定当前试验环境、测试区域下的系统精度，在结构1热 稳定性试验开始前，需对其进行常温下噪声测试，调试测试系统精度、确定相 机支撑方式。

噪声测试首先在结构1确定测试区域，并在各测试区域靠近中心位置随机 选取关键点，在常温条件下，对各测试区域进行常温条件下进行连续数据采集， 测试频率1Hz，采集次数60-100次。

噪声测试数据处理：测试结束后，分别提取各测试区域平均位移与关键点 单点位移，对两种位移分别进行均匀化处理。测试位移绝对值均值可反映位移 波动幅值，测试位移均值可反映多次测试平均处理后的测试结果。

试验件热载荷施加：正式试验前，根据试验条件进行测温元件8阈值设置。 试验过程中，各温度载荷步需至少经历50-60分钟的稳定时间，保证各温度测点 稳定在±1℃。

试验件热变形数据采集：温度稳定后，通过热控测温采集卡9及热控计算 机10对测试区域进行频率为1Hz的连续采集，采集次数为60-100次。

确定结构热变形关注点：热变形关注点一般为结构1设备安装面、主支撑 结构外表面，若安装面材料与周围结构材料不一致，可能导致安装面区域散斑 测量计算误差较大，此种情况下需选取安装面周围直径20mm范围内周围结构 区域。

试验数据处理：采用均匀化处理方法进行各关注点热变形数据处理，得到 结构1热稳定性三个方向位移测试结果，进而通过数据处理获得平面度、转角 等其它热稳定性数据。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情 况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但 这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。