CN105181737B

CN105181737B - 超高温热膨胀系数非接触原位测试的方法及装置

Info

Publication number: CN105181737B
Application number: CN201510570595.9A
Authority: CN
Inventors: 金华; 王伟; 许承海; 孟松鹤; 韩新星
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2015-09-09
Filing date: 2015-09-09
Publication date: 2017-10-24
Anticipated expiration: 2035-09-09
Also published as: CN105181737A

Abstract

公开了超高温热膨胀系数非接触原位测试的方法及装置，其中所述方法包括：通过电极压杆给被测试样的两端施加预载荷，并获取施加预载荷后所述被测试样的第一图像；保持所述预载荷不变，给所述电极压杆施加电压以加热所述被测试样至某一加热温度，获取所述加热温度下所述被测试样的第二图像；依据第一图像和第二图像确定所述被测试样的热应变，根据所述热应变和所述加热温度，确定所述被测试样在所述加热温度下的热膨胀系数。根据本发明，能够实现热力耦合作用下超高温热膨胀系数的测试，且测试温度范围广、操作简便、测量精度高、抗干扰性好。

Description

超高温热膨胀系数非接触原位测试的方法及装置

技术领域

本发明涉及实验力学、高温测试技术领域，尤其涉及一种在高温力学性能测试过程中热膨胀系数的非接触式原位测试方法及装置。

背景技术

材料热膨胀系数作为主要的热物性参数是材料热、力性能表征、数值模拟、加工制造以及工业应用过程中最为关键的参数之一。随着航空航天、核能以及大型制造业的发展，对高温材料的需求越发迫切，进而对材料热膨胀系数的测量提出了新的要求：一方面是测试温度范围，航空航天关键热端部件的使用温度最高可达2800℃，因而对材料热膨胀系数的温度上限提出了新的挑战；另一方面是热/力耦合效应对材料热物性尤其是热膨胀系数的影响，而在热/力联合加载下的热膨胀系数参数还属于空白。对于材料常规热膨胀系数的测量具有多种较为成熟的测量方法，然而这些测试方法的测温上限较低一般不超过1600℃，更不能实现热/力联合加载时热膨胀系数的原位测试。

发明内容

本发明的实施例提供了超高温热膨胀系数非接触原位测试的方法及装置，能实现热/力耦合作用下超高温热膨胀系数的测试，具有操作简便、测量精度高、抗干扰等优点，保证了对微小变形测量的准确度和灵敏度。

根据本发明的一个方面，提供了超高温热膨胀系数非接触原位测试的方法，包括：

S1、通过电极压杆给被测试样的两端施加预载荷，并获取施加预载荷后所述被测试样的第一图像；

S2、保持所述预载荷不变，给所述电极压杆施加电压以加热所述被测试样至某一加热温度，获取所述加热温度下所述被测试样的第二图像；

S3、依据第一图像和第二图像确定所述被测试样的热应变，根据所述热应变和所述加热温度，确定所述被测试样在所述加热温度下的热膨胀系数。

优选地，所述预载荷为100N。

优选地，在步骤S1之前，所述方法进一步包括：

将所述被测试样及所述电极压杆置于真空反应舱中，以防止所述被测试样被氧化。

优选地，所述真空反应舱的压力不大于5Pa。

优选地，所述真空反应舱为真空水冷舱，通过所述真空水冷舱的空层中的冷却水对所述真空反应舱进行冷却处理，以防止所述真空反应舱在高温条件下破坏。

根据本发明的另一个发明，提供了超高温热膨胀系数非接触原位测试的装置，包括：

控制器，基于接收的力传感参数产生预载荷信号，并将所述预载荷信号发送给电极压杆；基于接收的加热温度参数产生电信号，并将所述电信号发送给升温单元；根据接收的第一图像以及第二图像确定所述被测试样的热应变；

电极压杆，设置在被测试样的两端，与升温单元和控制器相连；用于依据接收的所述预载荷信号给所述被测试样施加预载荷；

升温单元，与所述电极压杆和所述控制器相连，用于依据接收的电信号给所述电极压杆施加电压；

拍摄单元，用于获取施加预载荷后所述被测试样的第一图像以及加热温度下所述被测试样的第二图像，并将第一图像以及第二图像发送给控制器。

优选地，所述预载荷为100N。

优选地，所述电极压杆设置在真空反应舱中，以防止所述被测试样被氧化。

优选地，所述真空反应舱的压力不大于5Pa。

本发明实施例的用于超高温热膨胀系数非接触原位测试的方法，包括：通过电极压杆给被测试样的两端施加预载荷，并获取施加预载荷后所述被测试样的第一图像；保持所述预载荷不变，给所述电极压杆施加电压以加热所述被测试样至某一加热温度，获取所述加热温度下所述被测试样的第二图像；依据第一图像和第二图像确定所述被测试样的热应变，根据所述热应变和所述加热温度，确定所述被测试样在所述加热温度下的热膨胀系数。通过给被测试样的两端施加预载荷、并给电极压杆施加电压来加热被测试样至某一加热温度，能够实现热力耦合作用下超高温热膨胀系数的测试，且测试温度范围广、操作简便、测量精度高、抗干扰性好，保证了对微小变形测量的准确度和灵敏度。本发明还提供了超高温热膨胀系数非接触原位测试的装置，具备如上方法的所有有益效果。

附图说明

图1为本发明的超高温热膨胀系数非接触原位测试的方法的流程图；

图2为本发明的超高温热膨胀系数非接触原位测试的装置的示意图；

图3为根据本发明得到的高强石墨的热应变数据图；

图4为根据本发明得到的高强石墨的热膨胀系数数据图；

图5为根据本发明得到的紫铜的热应变数据图；

图6为根据本发明得到的紫铜的热膨胀系数数据图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

本发明通过给被测试样的两端施加预载荷、并给电极压杆施加电压来加热被测试样至某一加热温度，实现了实现热力耦合作用下超高温热膨胀系数的测试，具有操作简便、测量精度高、抗干扰等优点，保证了对微小变形测量的准确度和灵敏度。

下面结合附图详细说明本发明实施例的技术方案。参见图1，本发明的超高温热膨胀系数非接触原位测试的方法起始于步骤S1。本发明通过获取被测试样在加热前后的热应变来确定被测试样在加热温度下的热膨胀系数。测量被测试样在加热前后的热应变的方法有很多，主要有应变片法，推杆法，光纤光栅法等接触式测试方法，以及光杠杆法、云纹法、激光扫描微测法、数字图形相关方法等非接触式测试方法。应变片法要求应变片与被测试样紧密粘结以达到同步变形，其耐温性能具有局限性，虽然目前已经研制出可承受800℃以上高温的应变片，但价格比较昂贵；推杆法是将条形被测试样放入加热炉，经推杆传递，由微分转换器使长度变化转换成电信号并放大、检测、记录，推杆法可适用于从室温到1200℃的温度范围，但它的测量精度不高，且测量误差大；光纤光栅法是使用高温粘接剂将光纤光栅部分粘接在被测试样的表面，通过光纤光栅解调仪采集下波长变化数据，然后根据相应的解耦算法对测试数据进行分析处理，获得物体表面热应变数据，但是光纤光栅成本高且不能重复使用。光杠杆法受读数装置的限制，易产生测量误差，此外其分辨率也不能满足要求；云纹法需要在被测试样的表面复制栅线，对被测试样产生了一定的破坏性，另外对微小变形的测量还缺少足够的准确度和灵敏度；激光扫描测微法对测量环境和设备精度有较高的要求，容易受到干扰产生误差。本申请采用数字图像相关方法，通过获取、分析被测试样加热前后的图像信息确定被测试样的热应变，进而确定被测试样在当前加热温度下的热膨胀系数，具有测量温度范围广、操作简便、测量精度高、抗干扰等优点，保证了对微小变形测量的准确度和灵敏度。

一般热膨胀系数都是在专用设备上测的，是被测试样的本征属性；但是在实际过程中，当被测试样受力时，其膨胀系数会发生变化，也就是说在热力耦合作用下，被测试样的热物性并非原来的本征属性，这种情况下再在专用热膨胀仪上测试被测试样的热膨胀系数就不准了。为了研究热力耦合作用下被试材料的热膨胀系数，本发明通过电极压杆将被测试样的两端固定，给被测试样的两端施加预载荷，并使被测试样两端施加的预载荷在测试过程中保持不变，从而能够更好地模拟被试材料在真实服役环境下的预载荷状态。此外，给被测试样施加预载荷还能够保证被测试样与其两端的电极压杆紧密接触，并能够使被测试样的内部结构均匀。优选地，预载荷为100N。给被测试样施加预载荷之后，获取施加预载荷后被测试样的第一图像，从第一图像中可以获取加热前被测试样表面特征点的位置等信息。

若被测试样直接置于空气中，则容易被氧化。为了解决这个问题，根据本发明的优选实施例，在步骤S1之前，进一步包括：将被测试样及电极压杆置于真空反应舱中。真空反应舱中的压力可以根据被测试样的实际服役环境进行设置，优选地，真空反应舱的压力不大于5Pa。比如，测试高强石墨材料在600℃～3000℃温度区间的热膨胀系数或者紫铜在600℃～800℃温度区间的热膨胀系数时，可以将真空反应舱的压力保持在10^-1Pa以下。优选地，所述真空反应舱为真空水冷舱，通过所述真空水冷舱的空层中的冷却水对真空反应舱进行冷却处理，以防止真空反应舱在高温条件下破坏。

在步骤S2中，使施加在被测试样两端的预载荷不变，给电极压杆施加电压，被测试样与其两端的电极压杆以及升温单元之间形成通电电路。此时，被测试样相当于电阻，在给电极压杆施加电压的过程中被测试样中有电流通过，被测试样的温度不断升高，从而达到加热被测试样的目的。现有技术中，热膨胀系数的测试温度一般不超过1400，采用本发明的加热被测试样的方式，再结合通过数字图像相关方法获取被测试样加热前后的图像信息，能够使得根据本发明的热膨胀系数的测试温度上限达到3000℃，大大扩大了热膨胀系数测试方法的应用范围。给被测试样施加预载荷不仅能够保证通电电路的稳定，并能够避免由于被测试样的内部结构不均匀导致被测试样不同部位的温度不均匀的问题。待被测试样的温度升至某一加热温度后，获取被测试样的第二图像，从第二图像中可以获取当前加热温度下被测试样表面特征点的位置等信息。

S3、依据第一图像和第二图像确定被测试样的热应变，根据热应变和加热温度，确定被测试样在加热温度下的热膨胀系数。

假设f(x,y)为加热前第一图像中坐标为(x,y)点的灰度函数，被测试样受热变形后点(x,y)移动到点(x′,y′)，g(x′,y′)为图像中对应点(x′,y′)的灰度函数，为待定参数矢量，包括位移矢量u、v，应变矢量u_x、u_y、v_x、v_y。选取像素大小为(2M+1)×(2M+1)的正方形参考子区，定义表征该参考子区在变形前后第一图像和第二图像相似程度的相关函数为：

公式1

公式2

公式3

公式4

为了匹配追踪变形前后第一图像和第二图像相似程度最接近的特征点，需对相似函数求极值，令

公式5

此时的即为变形后点(x′,y′)相对于点(x,y)的位移和热应变的解向量。

考虑温度参数，定义热应变与加热温度满足公式

公式6

则被测试样在不同温度下的热膨胀系数可按公式7求得：

公式7

式中，M为参考子区大小的表征值；f_m、g_m分别为变形前、变形后参考子区的灰度平均值；为待定参数矢量，u为变形后参考子区的横向位移，v为变形后参考子区的竖向位移，u_x为u对x的偏导函数，u_y为u对y的偏导函数，v_x为v对x的偏导函数，v_y为v对y的偏导函数；P_i为矢量中待求的位移或应变参数，i＝1,2,3,4,5,6，P₁＝u，P₂＝u_x，P₃＝u_y，P₄＝v，P₅＝v_x，P₆＝v_y；Ψ_T为函数对加热温度T的偏导函数，为函数对待定参数矢量的偏导函数。

根据本发明的超高温热膨胀系数非接触原位测试的方法，还可以在给被测试样加热的过程中，获取被测试样在多个加热温度下的第二图像，从而按照上述方法获取被测试样在加热过程中的热应变与加热温度的曲线，进而获得被测试样的热膨胀系数随加热温度变化的散点图。

本发明中，超高温热膨胀系数非接触原位测试的装置采用如图2所示的结构，包括：控制器(图中未示出)、电极压杆3、升温单元(图中未示出)和拍摄单元。

控制器能够接收输入的力传感参数，基于该力传感参数产生预载荷信号，并将预载荷信号发送给电极压杆3，控制电极压杆3给被测试样4的两端施加预载荷。给被测试样4施加预载荷的目一方面是模拟被测试样4的实际服役环境，另一方面也是为了使被测试样4与其两端的电极压杆3紧密接触，从而使被测试样3的内部结构均匀，并控制测试过程中施加在被测试样4两端的预载荷保持不变。因此，力传感系数的大小可以根据被测试样4的实际服役环境以及性能进行确定，被测试样4服役环境的载荷大，力传感系数也可以相应地增大。优选地，预载荷为100N。给被测试样4施加预载荷后，控制器自动开启升温模式，具体地：根据接收的加热温度参数产生电信号，并将电信号发送给升温单元；当然，控制器上也可以设置手动开关，给被测试样4施加预载荷后，可以通过该手动开关手动开启控制器的升温模式。控制器将电信号发送给升温单元后，控制升温单元给被测试样4升温。拍摄单元获取被测试样4加热前的第一图像以及加热后的第二图像后传送给控制器，控制器根据接收的第一图像以及第二图像确定被测试样4的热应变。

电极压杆3，设置在被测试样4的两端，与升温单元和控制器相连；用于依据接收的预载荷信号给被测试样4施加预载荷。若被测试样4直接置于空气中，则容易被氧化。为了解决这个问题，根据本发明的优选实施例，将被测试样4及电极压杆置于真空反应舱1中。真空反应舱1中的压力可以根据被测试样4的实际服役环境进行设置，优选地，真空反应舱1的压力不大于5Pa。比如，测试高强石墨材料在600℃～3000℃温度区间的热膨胀系数或者紫铜在600℃～800℃温度区间的热膨胀系数时，可以将真空反应舱的压力保持在10^-1Pa以下。优选地，真空反应舱1为真空水冷舱，通过真空水冷舱的空层中的冷却水对真空反应舱1进行冷却处理，以防止真空反应舱1在高温条件下破坏。真空反应舱1的一侧设置有观察窗口2，用于使得拍摄单元透过观察窗口2拍摄加热前后的被测试样4。

升温单元，与电极压杆3和控制器相连，用于依据控制器发送的电信号给电极压杆3施加电压。给电极压杆3施加电压后，被测试样4与其两端的电极压杆3以及升温单元之间形成通电电路。此时，被测试样4相当于电阻，在给电极压杆3施加电压的过程中被测试样4中有电流通过，使得被测试样4的温度不断升高，从而达到加热被测试样4的目的。现有技术中，热膨胀系数的测试温度一般不超过1400，采用本发明的加热被测试样的方式，再结合通过数字图像相关方法获取被测试样加热前后的图像信息，能够使得根据本发明的热膨胀系数的测试温度上限达到3000℃，大大扩大了热膨胀系数测试方法的应用范围。给被测试样施加预载荷不仅能够保证通电电路的稳定，并能够避免由于被测试样的内部结构不均匀导致被测试样不同部位的温度不均匀的问题。

拍摄单元，用于获取施加预载荷后被测试样4的第一图像以及加热温度下被测试样4的第二图像，并将第一图像以及第二图像发送给控制器。优选地，拍摄单元包括CCD相机5，该CCD相机5与被测试样4以及观察窗口2位于同一直线上，以获取加热前后被测试样4的图像。CCD相机5的两侧还可以设置LED蓝光灯6，进一步优选地，CCD相机5与观察窗口2之间还可以设置有窄带滤光镜7。

图3、4示出了根据本发明的方法和装置对高强石墨的热膨胀系数进行测试的实施例。高强石墨的尺寸为10mm×10mm×50mm，热膨胀系数测量过程如下：

(1)高强石墨表面经800和1000目砂纸先后打磨后，用棉签和酒精将表面杂质清洗干净，使用耐高温涂料在高强石墨表面制作高对比度的散斑；

(2)将高强石墨置入反应舱，使用真空泵将反应舱内压力降至10^-1Pa以下，并保持真空度；

(3)通过电极压杆施加100N预载荷，设定力传感参数，保持预载荷；

(4)设定升温速率，打开水冷，开始升温，同时采集试样表面应变信息，记录温度数据；

(5)绘制高强石墨的热应变与加热温度的曲线，如图3所示，根据公式6和公式7计算得到高强石墨的热膨胀系数随加热温度变化的散点图，如图4所示。

使用本发明方法测得的高强石墨在600℃～3000℃加热温度区间的热膨胀系数如表1所示。

表1高强石墨在600℃～3000℃加热温度区间的热膨胀系数

加热温度(℃)	热膨胀系数(10^-6/℃)
		600	4.48
700	4.56
		800	4.64
900	4.72
		1000	4.80
1100	4.88
		1200	4.96
1300	5.04
		1400	5.12
1500	5.20
		1600	5.28
1700	5.36
		1800	5.44
1900	5.52
		2000	5.60
2100	5.68
		2200	5.76
2300	5.84
		2400	5.92
2500	6.00
		2600	6.08
2700	6.16

2800	6.24
		2900	6.32
3000	6.40

图5、6示出了根据本发明的方法和装置对紫铜的热膨胀系数进行测试的实施例。紫铜的尺寸为10mm×10mm×50mm，热膨胀系数的测量过程如下：

(1)紫铜表面比较光滑，对光线的反射能力强，制作高温散斑时喷涂一层白色高温基底，在喷涂黑色高温散斑，确保散斑的高对比度；

(2)将紫铜置入反应舱，使用真空泵将反应舱内压力降至10^-1Pa以下，并保持真空度；

(4)设定升温速率，打开水冷，开始升温，同时采集试样表面应变信息，记录加热温度数据；

(5)绘制紫铜的热应变与加热温度的曲线，如图5所示，根据公式6和公式7计算得到紫铜的热膨胀系数随温度变化的散点图，如图6所示。

使用本发明方法测得的紫铜在600℃～800℃温度区间的热膨胀系数表2所示。

表2紫铜在600℃～800℃温度区间的热膨胀系数

温度(℃)	热膨胀系数(10^-6/℃)
		600	20.90
620	21.18
		640	21.46
660	21.74
		680	22.02
700	22.30
		720	22.58
740	22.86
		760	23.14
780	23.42

与现有技术相比，本发明通过给被测试样的两端施加预载荷、并给电极压杆施加电压来加热被测试样至某一加热温度，能够实现热力耦合作用下超高温热膨胀系数的测试，且测试温度范围广、操作简便、测量精度高、抗干扰性好，保证了对微小变形测量的准确度和灵敏度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于热膨胀系数的测试温度高达3000℃的高温热膨胀系数非接触原位测试的方法，包括：

S3、依据第一图像和第二图像确定所述被测试样的热应变，根据所述热应变和所述加热温度，确定所述被测试样在所述加热温度下的热膨胀系数；

其中，步骤S3具体为：

假设f(x,y)为加热前第一图像中坐标为(x,y)点的灰度函数，被测试样受热变形后点(x,y)移动到点(x′,y′)，g(x′,y′)为图像中对应点(x′,y′)的灰度函数，为待定参数矢量，包括位移矢量u、v，应变矢量u_x、u_y、v_x、v_y；选取像素大小为(2M+1)×(2M+1)的正方形参考子区，定义表征所述参考子区在变形前后第一图像和第二图像相似程度的相关函数为：

对相似函数求极值，令

定义热应变与加热温度T满足：

则被测试样在不同温度下的热膨胀系数按公式7求得：

式中，M为参考子区大小的表征值；f_m、g_m分别为变形前、变形后参考子区的灰度平均值；为待定参数矢量，u为变形后参考子区的横向位移，v为变形后参考子区的竖向位移，u_x为u对x的偏导函数，u_y为u对y的偏导函数，v_x为v对x的偏导函数，v_y为v对y的偏导函数；P_i为矢量中待求的位移或应变参数，i＝1,2,3,4,5,6；Ψ_T为函数对加热温度T的偏导函数，为函数对待定参数矢量的偏导函数。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述预载荷为100N。

3.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤S1之前，所述方法进一步包括：

将所述被测试样及所述电极压杆置于真空反应舱中。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述真空反应舱为真空水冷舱，通过所述真空水冷舱的空层中的冷却水对所述真空反应舱进行冷却处理。

5.一种超高温热膨胀系数非接触原位测试的装置，包括：

控制器，基于接收的力传感参数产生预载荷信号，并将所述预载荷信号发送给电极压杆；基于接收的加热温度参数产生电信号，并将所述电信号发送给升温单元；根据接收的第一图像以及第二图像确定被测试样的热应变；

拍摄单元，用于获取施加预载荷后所述被测试样的第一图像以及加热温度下所述被测试样的第二图像，并将第一图像以及第二图像发送给控制器；

其中，确定所述被测试样的热应变具体为：

对相似函数求极值，令

定义热应变与加热温度T满足：

则被测试样在不同温度下的热膨胀系数按公式7求得：

6.如权利要求5所述的装置，其中，所述预载荷为100N。

7.如权利要求5所述的装置，其中，所述电极压杆设置在真空反应舱中。

8.如权利要求7所述的装置，其中，所述真空反应舱的压力不大于5Pa。

9.如权利要求7所述的装置，其中，所述真空反应舱为真空水冷舱，通过所述真空水冷舱的空层中的冷却水对所述真空反应舱进行冷却处理。