CN101923028A - 高温涂层结构蠕变/热变形和内部裂纹检测装置 - Google Patents

高温涂层结构蠕变/热变形和内部裂纹检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高温涂层结构蠕变/热变形和内部裂纹检测装置，其特征在于：包括光源(1)、光纤分光镜(2)、透镜(3，6和8)、参考镜(4)、PZT马达及其控制系统(5)、扫描镜及控制系统(7)、涂层结构样品(9)、高温炉(10)、隔热板(11)、光谱仪(12)、光纤(13)和电脑(14)，光纤分光镜(2)分为四路，分别连接到光源(1)、光谱仪(12)、通过透镜(3)和参考镜(4)到PZT马达及其控制系统(5)、通过透镜(6)到扫描镜及控制系统(7)；放置在高温炉(10)中的涂层结构样品(9)发出的光线透过隔热板(11)的小孔经透镜(8)照射到扫描镜及控制系统(7)；光谱仪(12)的输出通过光纤(13)连接到电脑(14)，电脑(14)输出的控制信号分别连接到PZT马达及其控制系统(5)和扫描镜及控制系统(7)。该装置可以检测高温涂层结构热变形/蠕变，又可以同时检测涂层内部裂纹和基体表面裂纹的特性，测量精度高，可用于实时在线检测/监测。

Description

高温涂层结构蠕变/热变形和内部裂纹检测装置
技术领域
本发明属于光测力学、材料性能测试和结构损伤检测技术领域，特别涉及高温涂层结构蠕变/热变形和内部裂纹检测装置。。
背景技术
核电压力容器、航空发动机等结构需承受高温、高压、热冲击等因素的作用，通常需要在这些零部件表面涂/镀热绝缘涂层，以起到隔热、抗氧化、防腐蚀等作用。涂层结构在高温作用下，即使所受应力低于该温度下的屈服点，长时间作用不可避免地会发生缓慢连续的高温变形——蠕变，一旦其蠕变变形增加到一定程度就会发生功能失效，从而导致事故的发生。因此，研究涂层结构在高温下的蠕变变形显得尤为重要。常规的变形测量方法主要有电学测量方法和光学测量方法。电学测量方法主要是通过电阻应变计来实现，其测量精度高，但是由于电阻应变计需要从用胶粘贴在待测试件表面，而且测量对温度变化比较敏感，因此电测方法不易实现高温条件下的精确测量。光学测量方法采用非接触测量，可以减少温度对测量的影响，因此高温条件下的变形测量通常采用光学测量方法，经对现有技术文献的检索发现，比较著名的测量方法有：云纹干涉方法（中国发明专利200810119805.2）和数字散斑相关方法 （中国实用新型专利200720069074.6）。这两种方法测量灵敏度高，能较好的获取高温环境下结构变形。但是这两种方法都只能测量结构表面的热变形/蠕变，不能同时检测涂层结构内部的裂纹和基体表面裂纹情况。
对于结构裂纹的检测，目前比较常用的五种方法有：超声波检测技术（中国发明专利200510124212.1和中国发明专利200510111765.3）、射线照相检测 (B. Ghose, D.K. Kankane. Estimation of location of defects in propellant grain by X-ray radiography, NDT&E International, 41, 2008, pp.125–128)、磁粉检测 （C.Edwards and S. B. Palmer. An analysis of the threading bar method of magnetic partile flaw detection, NDT International, 1981, pp.177-179.）、液体渗透检测 （N. P. Migun, P. P. Prokhorenko, and A. B. Gnusin. Improving the Sensitivity of the Penetrant-Dye Testing with the Help of Thermal Preprocessing, Russian Journal of Nondestructive Testing, 36(5), 2000, pp. 369-374.）和涡流检测 （李小亭, 沈功田. 压力容器无损检测――涡流检测技术, 无损检测,08, 2004）。五种常见的无损检测检测方法之中，只有涡流方法可以实现高温承压环境下的压力容器长时间实时在线监测。但是以上五种常用的方法只能检测结构裂纹信息，不能测量结构的热变形。
综上所述，至今仍没有一种检测方法即可以检测高温涂层结构热变形/蠕变，又可以同时检测涂层内部裂纹和基体表面裂纹的特性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高温涂层结构蠕变变形和内部裂纹检测装置，该装置既可以测量高温涂层结构蠕变变形，又同时可以成像检测涂层内部裂纹和基体的表面裂纹，测量精度高。
本发明技术方案如下：
高温涂层结构蠕变变形和内部裂纹检测装置，其特征在于：
包括光源（1）、光纤分光镜 （2）、透镜（3， 6和8）、参考镜（4）、PZT马达及其控制系统（5）、扫描镜及控制系统（7）、涂层结构样品（9）、高温炉（10）、隔热板（11）、 光谱仪（12）、光纤（13）和电脑（14），光纤分光镜 （2）分为四路，分别连接到光源（1）、光谱仪（12）、通过透镜（3）和参考镜（4）到PZT马达及其控制系统（5）、通过透镜（6）到扫描镜及控制系统（7）；放置在高温炉（10）中的涂层结构样品（9）发出的光线透过隔热板（11）的小孔经透镜（8）照射到扫描镜及控制系统（7）；光谱仪（12）的输出通过光纤（13）连接到电脑（14），电脑（14）输出的控制信号分别连接到PZT马达及其控制系统（5）和扫描镜及控制系统（7）。
该装置可以实现高温涂层结构实时进行局部、全局蠕变变形检测和监测， 并同时可以扫描涂层内部裂纹和基体的表面裂纹。
 
附图说明
图1为本发明实施例的系统装置图；
图2为本发明实施例的隔热板示意图。
图3为本发明检测高温结构的温度曲线（a）和热变形曲线(b)。
 
具体实施方式
参看图1，本实用新型包括光源（1）、光纤分光镜 （2）、透镜（3， 6和8）、参考镜（4）、PZT马达及其控制系统（5）、扫描镜及控制系统（7）、涂层结构样品（9）、高温炉（10）、隔热板（11）、 光谱仪（12）、光纤（13）和电脑（14），光纤分光镜 （2）分为四路，分别连接到光源（1）、光谱仪（12）、通过透镜（3）和参考镜（4）到PZT马达及其控制系统（5）、通过透镜（6）到扫描镜及控制系统（7）；放置在高温炉（10）中的涂层结构样品（9）发出的光线透过隔热板（11）的小孔经透镜（8）照射到扫描镜及控制系统（7）；光谱仪（12）的输出通过光纤（13）连接到电脑（14），电脑（14）输出的控制信号分别连接到PZT马达及其控制系统（5）和扫描镜及控制系统（7）。
本发明的工作过程大致如下：光源（1）可以是红外或者可见光，其发出的光经过光纤分光镜（2）分成两路光，其中一路光经凸透镜（3）照到参考镜，参考镜安装在PZT马达（5）上，旨在实现1/4波长的相位平移达到消除自相干信号并增加系统信噪比的目的，PZT马达的运动控制是由电脑(14)中的控制软件来实现。另外一光路经凸透镜（6）、扫描镜（7）和凸透镜（8）照到高温炉（10）中的涂层结构样品（9）上。两束光分别在参考镜和高温涂层结构样品表面发生反射并且由分光镜的光纤输出端发生干涉并经此光纤接到光谱仪（12）输入端，光谱仪的输出端通过通讯总线将光谱信号传送至带有数据采集和处理系统的电脑(14)。其中,使用扫描镜是为了实现对高温涂层结构实时进行全局蠕变变形检测和监测并同时可以扫描涂层内部裂纹和基体的表面裂纹。为了做到扫描镜、PZT马达和光谱信号的采集和处理的协调进行，本发明利用C/C++语言编制程序对扫描镜和和PZT马达控制、光谱信号采集和处理的整个过程实现自动化。同时为了实现随时终止检测系统的运作，多线程技术也被本发明所采用。为了保护检测系统所有的光学器件并提高系统的稳定性，本发明利用采取了多种隔热措施，比如图（2）所示的开着小孔的隔热板（11），或者隔热玻璃等。在本发明中，为实现同时对高温结构的温度检测，温度传感器也被使用。图3为一高温结构升温和降温循环过程中利用本发明检测系统所记录的温度曲线（a）和热变形曲线(b)。本发明对于热变形的检测精度极高，以白光源为例，其检测精度可达0.1微米。
该发明检测装置采用非接触式方法，避免了高温环境下接触式检测方法的弊端（比如电学测量方法）。对于其它非接触的光学检测方法，比如云纹干涉方法和数字散斑相关方法，这两种方法虽然测量灵敏度高，能较好的获取高温环境下结构变形，但是这两种方法都只能测量结构表面的热变形/蠕变，不能同时检测涂层结构内部的裂纹和基体表面裂纹情况。本发明可以检测高温涂层结构热变形/蠕变，又可以同时检测涂层内部裂纹和基体表面裂纹的特性，检测精度高，可用于实时在线检测/监测。

Claims (1)

1.一种高温涂层结构蠕变/热变形和内部裂纹检测装置，其特征在于：
包括光源（1）、光纤分光镜 （2）、透镜（3， 6和8）、参考镜（4）、PZT马达及其控制系统（5）、扫描镜及控制系统（7）、涂层结构样品（9）、高温炉（10）、隔热板（11）、 光谱仪（12）、光纤（13）和电脑（14），光纤分光镜 （2）分为四路，分别连接到光源（1）、光谱仪（12）、通过透镜（3）和参考镜（4）到PZT马达及其控制系统（5）、通过透镜（6）到扫描镜及控制系统（7）；放置在高温炉（10）中的涂层结构样品（9）发出的光线透过隔热板（11）的小孔经透镜（8）照射到扫描镜及控制系统（7）；光谱仪（12）的输出通过光纤（13）连接到电脑（14），电脑（14）输出的控制信号分别连接到PZT马达及其控制系统（5）和扫描镜及控制系统（7）。
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