高精度的机械加工是实现工业自动化的核心与基础。温度是影响机械加工的重要因素之一,由温度变化引起的热变形误差在总误差中占据不可忽略的比重。因此,对材料的热力学性质进行研究,减少热误差并补偿正逐步成为工业领域的研究热点之一。其中,热膨胀系数是表征材料热力学性质的关键参数。本文在国内外热变形研究成果的基础上,基于图像传感的方法,研究设计了一种金属材料热膨胀系数测量装置,在无需对样品表面喷涂标记的前提下,实现了高低温箱内金属材料热膨胀系数的实时在线测量。论文的主要研究工作如下:首先,针对高低温箱内金属材料实时在线测量的技术需求,设计了完整的基于图像传感的热膨胀系数测量成像装置。针对测量仪需要隔着高低温箱的光学窗口对箱内样品进行高分辨率成像的技术难题,通过Zemax软件设计了远距离显微成像光路和相应的机械装调结构。实现了工作距离在400mm,空间分辨率为10μm的远距离显微成像。其次,进行了热膨胀系数测量仪的测量软件设计,包括多通道图像采集与处理、高低温箱通讯、实时热膨胀系数计算等程序。并在前述机械装置与光学成像光路研究的基础上,进行了基于特征点匹配的热膨胀图像偏移量计算研究,对SIFT、FAST、ORB、SURF四种特征点检测算法进行分析比较。同时,针对热膨胀图像模糊的问题,采用刃边法进行模糊图像复原,以提高特征点匹配的准确性。最后,在上述软硬件研究与设计的基础上,对铝合金材料的热膨胀系数进行了实验测量。在实验室环境下,由电控升降台带动铝合金标定板,进行了热膨胀系数测量仪的重复性测试,经计算得到其重复性为2.4%。在高低温箱内,以铝合金材料为对象,进行了从-50℃到+50℃的热膨胀系数测量,根据数据拟合得到铝合金的平均热膨胀系数为2.192×10-5℃-1。在20℃时,计算出的铝合金热膨胀系数为2.3×10-5℃-1,查阅得到的20℃铝合金的热膨胀系数为2×10-5℃-1～2.4×10-5℃-1,本文计算的结果在查表范围内。综上所述,本文完成了一种基于图像传感的高低温箱内样品实时在线热膨胀系数测量仪研发工作,达到了预定的设计要求。