CN102374849B - 一种高温有氧加载光学测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种高温有氧加载光学测量系统，属于光测力学、工程材料、构件变形和位移测试技术领域。该测量系统由加载系统、高温炉、数据采集与处理系统、控制及显示系统等组成。本发明可以模拟航天航空飞行器内部分元器件实际工作环境，结合数字图像相关和云纹干涉光学测量方法，可实现高温材料及构件在高温有氧环境下的力学性能、变形状态以及破坏机理研究，利用数字散斑相关系统或云纹干涉测试系统，可实现材料及结构非接触测量和变形场全场测量。该系统具有使用方便，结构紧凑、测量精度高等特点，可以实现不同温度、不同氧压、不同载荷及保护气环境下高温材料和结构的变形行为研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温有氧加载光学测量系统，属于光测力学、工程材料、构件变形和位移测试技术领域。
背景技术
随着航空、航天、动力工业等部门对在役高温元件的变形实测研究工作的需要，高温环境下材料和结构的力学性能以及变形状态和破坏机理日益受到科研人员的重视。在许多航空航天工程领域，高温材料及结构长期在高温有氧环境下工作，因此在模拟实际的工作环境下对高温材料及结构的力学性能测试对航空及航天飞行器的安全性研究起着指导性的作用。因此发展模拟实际工作环境下的变形测量成为实验力学领域研究人员目前所关注的集中问题。目前高温测试方法也比较多，传统的电测方法及高温引伸计测量方法无法进行全场位移变形场的测量，且都存在温度过高会引起严重的飘移问题。随着激光技术和现代光学的发展，产生了全息干涉、散斑干涉技术，这些方法在高温测试领域有了很大发展。本发明是在模拟航天航空领域高温材料及结构的实际工作环境基础上，结合数字图像相关方法和云纹干涉法光学测量方法，发展了一种高温有氧加载光学测量系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种高温有氧加载光学测量系统，以实现高温有氧环境下航空航天工程领域高温材料及结构的力学性能测试。
本发明的技术方案如下：
一种高温有氧加载光学测量系统，含有加载系统、高温炉、数据采集与处理系统、气压泵、控制及显示系统；所述的控制及显示系统包括温度控制及记录仪、氧压控制器、力显示器、步进电机控制器和步进电机驱动器；所述的加载系统包括步进电机、带螺纹的连接杆、力传感器、波纹管、移动试件夹持杆、固定试件夹持杆和加载架；带螺纹的连接杆的一端与步进电机的输出轴连接，连接杆的另一端与传感器的上端连接，传感器的下端与移动试件夹持杆相连；所述的两端带有法兰的波纹管与高温炉通过法兰密封连接，移动试件夹持杆固定在波纹管法兰上；步进电机控制器通过信号线依次与步进电机驱动器和步进电机相连。所述的高温炉包括第一石英玻璃观察窗、第二石英玻璃观察窗、密封盖和手柄，在该炉内放置氧压传感器、温度传感器和试件，力传感器通过信号线与力显示器相连；氧压传感器通过气压泵与氧压控制器相连；温度传感器与温度控制及记录仪相连；所述的数据采集与处理系统包括计算机和CCD相机，通过CCD相机记录不同载荷下试件表面的变形图像，将变形图像输入计算机内进行处理。
本发明的技术特征还在于：所述的加载系统还包括导向机构，导向机构通过锁紧螺母与带螺纹的连接杆相连，该导向机构是由滑块和导块组成，滑块沿加载架上下滑动。
所述的控制及显示系统中的温度控制及记录仪、氧压控制器、力显示器、步进电机控制器和步进电机驱动器被封装在一个箱内。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明通过模拟航天航空领域高温材料及结构的实际工作环境，结合数字图像相关和云纹干涉光学测量方法，建立一种研究航天航空领域材料和结构的力学性能、变形状态以及破坏机理的高温有氧加载光学测量系统。该系统操作简单、可以实现不同温度、不同氧压及保护气环境下高温材料和结构的变形行为研究。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图。
图2为本发明的高温炉和数据采集与处理系统匹配图。
图3为本发明的导向机构的结构示意图。
图4为图3的A-A的剖视图。
图中：1-加载系统；2-高温炉；3-数据采集与处理系统；4-气压泵；5-控制及显示系统；6-温度控制及记录仪；7-氧压控制器；8-力显示器；9-步进电机控制器；10-步进电机驱动器；11-步进电机；12-带螺纹的连接杆；13-锁紧螺母；14-导向机构；15-力传感器；16-带冷却液进出口的连接杆；17-波纹管；18-移动试件夹持杆；19-氧压传感器；20-温度传感器；21-试件；22-固定试件夹持杆；23-加载架；24-计算机；25-CCD相机；26-第一石英玻璃观察窗；27-第二石英玻璃观察窗；28-密封盖；29-手柄；30-滑块；31-导块螺母；32-侧柱。
具体实施方式
现结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
图1、2为本发明结构原理示意图，本发明所述的高温有氧加载光学测量系统含有加载系统1、高温炉2、数据采集与处理系统3、气压泵4、控制及显示系统5；所述的控制及显示系统5包括温度控制及记录仪6、氧压控制器7、力显示器8、步进电机控制器9和步进电机驱动器10；所述的加载系统包括步进电机11、带螺纹的连接杆12、力传感器15、波纹管17、移动试件夹持杆18、固定试件夹持杆22和加载架23；带螺纹的连接杆的一端与步进电机11的输出轴连接，连接杆的另一端与传感器的上端连接，传感器的下端与移动试件夹持杆18相连；所述的两端带有法兰的波纹管17与高温炉2通过法兰密封连接，移动试件夹持杆18固定在波纹管法兰上；步进电机控制器9通过信号线依次与步进电机驱动器10和步进电机11相连。
所述的高温炉2包括第一石英玻璃观察窗26、第二石英玻璃观察窗27、密封盖28和手柄29，在该炉内放置氧压传感器19、温度传感器20和试件21，力传感器15通过信号线与力显示器8相连；氧压传感器19通过气压泵4与氧压控制器7相连；温度传感器20与温度控制及记录仪6相连；所述的数据采集与处理系统3包括计算机24和CCD相机25，通过CCD相机25记录不同载荷下试件表面的变形图像，将变形图像输入计算机24内进行处理(如图2所示)。
本发明中控制及显示系统5包括温度控制及记录仪6、氧压控制器7、步进电机控制器9、力显示器8和步进电机驱动器10，所述部件被封装在一个箱内。温度控制及记录仪6可以控制加温速度、设定目标温度和记录不同时间内的温度；氧压控制器7可以设定所需氧压，通过气压泵4对高温炉2内环境进行氧压控制；步进电机控制器9可以根据实际材料的加载要求设定步进速度和步进距离，进而控制步进电机驱动器10控制步进电机11工作，通过机械传递实现移动试件加持杆18的上下移动，实现对试件21进行加载；力显示器9用来显示和记录加载过程中力传感器15所反应出来的载荷大小。
本发明中波纹管17与高温炉2通过法兰密封连接，移动试件夹持杆18固定在波纹管法兰上，波纹管可实现高温炉密封和载荷传递；通过标定不同压缩或拉伸变形下载荷的大小，在实际试验中可以消除由于波纹管变形带来的载荷，提高测量精度。
本发明中导向机构14通过锁紧螺母13固定在带螺纹的连接杆12上，通过滑块30与加载架23的侧柱32接触可以使滑块30沿着侧柱的方向上下移动，从而使导向机构14随着带螺纹的连接杆12的转动上下移动，进而保证移动试件夹持杆18的竖直移动，最终可实现移动试件夹持杆18和固定试件夹持杆22的中心在竖直直线上。
如图2所示，本发明所述的高温炉2的观测窗设有第一石英玻璃观察窗26、第二石英玻璃观察窗27和密封盖28，石英玻璃观察窗精密加工而成。高温炉2的第一石英玻璃观察窗和第二石英玻璃观察窗作为前观测窗用于图像采集窗口，同时采用双层石英玻璃可以保证隔热效果，减小高温炉加温热量对CCD相机镜头的影响，减小测量误差。密封盖用于保证高温炉内温度和氧压的稳定性。
测量过程的主要步骤如下：
一、调节及安装：将试件放置在高温炉内的试件夹持杆上，通过调节移动试件夹持杆的位置使得试件具有预载载荷，通过调节CCD相机的位置使试件能够清晰成像；
二、参数设置：根据所测试的试件性能测试要求通过温度控制器、氧压控制器设置温度大小、氧压大小，通过步进电机控制器设置步进脉冲和每个脉冲的步进量来实现步进电机的运转，可以实现对试件进行加载，通过步进电机控制器和驱动器实现加载速度的设定；加载速度大小通过DIC方法对步进电机进行标定；
三、测试：通过温度控制及记录仪及氧压控制器实现高温炉内温度和氧压的要求，打开步进电机控制器实现步进电机的工作，通过力显示器记录不同时刻下的载荷大小信息，同时通过CCD相机记录不同载荷下试件表面的变形图像；
四、实验结果处理：通过图像处理软件对采集的图像进行处理，可以得到不同载荷下试件的变形场信息，从而可以得出材料的力学性能参数。
Claims (3)
1.一种高温有氧加载光学测量系统，其特征在于：该系统含有加载系统（1）、高温炉（2）、数据采集与处理系统（3）、气压泵（4）、控制及显示系统（5）；所述的控制及显示系统（5）包括温度控制及记录仪（6）、氧压控制器（7）、力显示器（8）、步进电机控制器（9）和步进电机驱动器（10）；所述的加载系统包括步进电机（11）、带螺纹的连接杆（12）、力传感器（15）、波纹管（17）、移动试件夹持杆（18）、固定试件夹持杆（22）和加载架（23）；带螺纹的连接杆的一端与步进电机（11）的输出轴连接，连接杆的另一端与力传感器的上端连接，力传感器的下端与移动试件夹持杆（18）相连；所述的波纹管（17）与高温炉（2）通过法兰密封连接，移动试件夹持杆（18）固定在波纹管法兰上；步进电机控制器（9）通过信号线依次与步进电机驱动器（10）和步进电机（11）相连；所述的高温炉（2）包括第一石英玻璃观察窗（26）、第二石英玻璃观察窗（27）、密封盖（28）和手柄（29），在该炉内放置氧压传感器（19）、温度传感器（20）和试件（21），力传感器（15）通过信号线与力显示器（8）相连；氧压传感器（19）通过气压泵（4）与氧压控制器（7）相连；温度传感器（20）与温度控制及记录仪（6）相连；所述的数据采集与处理系统（3）包括计算机（24）和CCD相机（25）,通过CCD相机（25）记录不同载荷下试件表面的变形图像，将变形图像输入计算机（24）内进行处理。
2.按照权利要求1所述的高温有氧加载光学测量系统，其特征在于：所述的加载系统还包括导向机构（14），导向机构（14）通过锁紧螺母（13）与带螺纹的连接杆相连，该导向机构是由滑块（30）和导块（31）组成，滑块（30）沿加载架（23）上下滑动。
3.按照权利要求1所述的高温有氧加载光学测量系统，其特征在于：所述的控制及显示系统（5）中的温度控制及记录仪（6）、氧压控制器（7）、力显示器（8）、步进电机控制器（9）和步进电机驱动器（10）被封装在一个箱内。
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