CN105783761A - 一种高精度超高温视频引伸计及测量方法 - Google Patents

一种高精度超高温视频引伸计及测量方法 Download PDF

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陈斌
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Abstract

本发明涉及一种高精度超高温视频引伸计及测量方法，该高精度超高温视频引伸计包括紫外相机(17)、同轴远心成像系统(5)、单色光源(12)、与单色光源波长对应的窄带通滤波片(14)、机械支撑调节平台(6)、计算机(13)；在试验件表面制作耐高温散斑或采用边缘带有四个凸台的特制试验件，利用带观察窗的高温试验机对被测矩形截面或圆截面试验件施加力、热载荷，采用同轴紫外光主动照明试验件，并用该高温视频引伸计采集试验件表面视频图像，利用数字图像相关方法对试验件表面的应变进行高精度实时测量。该发明原理简单、结构紧凑，可与高温试验机配合对从室温到2000℃超高温环境下的试验件表面的变形和力学性能进行实时、高精度测量。

Description

一种高精度超高温视频引伸计及测量方法
技术领域
本发明涉及实验固体力学领域，尤其是一种基于数字图像相关的高精度超高温视频引伸计及实时应变测量方法。
背景技术
目前在超高温条件下进行应变测量，主要有接触式与非接触式两类方法。传统的接触式方法通常用接触式超高温引伸计来实现高温应变的测量，但这种超高温引伸计的测量需要对熔炉进行开孔，通过引伸杆将熔炉内高温区域的变形转换到外部的低温区域。但开孔使得熔炉的设计与隔热变得困难，此外超高温引伸计量程比较有限，无法进行大变形的测量；同时由于高温引伸计本身的附加重量、与实验件之间的相对滑动，与试验件表面接触导致试验件表面变形等原因使得其应变测量精度也不够高；此外，超高温引伸计只能测量一个方向的应变，无法实现横向和纵向应变的同时测量。
由于传统的接触式测量方法存在着以上缺点，研究人员开始使用非接触式高温应变测量方法。Anwander用数字激光散斑相关方法实现了1200℃高温的应变测量，该方法是利用试验件表面反射的激光在两个CCD相机中形成的激光散斑作为散斑场，计算两个散斑场的变形，得到最终两束激光之间的平均应变，但是干涉的方法对振动特别敏感，对环境要求很高，同时激光的成本较高，使其在实际条件下应用比较困难。Lyons在1996年用基于数字图像相关(DIC)的方法实现了650℃高温条件下的全场应变测量，DIC方法具有非接触，全场测量，测量温度范围广，测量过程简单等优点，但当温度继续升高时，试验件表面强烈的热辐射导致的去相干效应会使得试验件表面的特征完全消失，同时试验件表面喷涂的散斑会由于温度过高发生氧化甚至脱落，这使得按照通常的方法无法在更高温度下进行应变测量。为了克服这个缺点，Pan将主动成像与DIC方法结合起来，用陶瓷涂料制备的耐高温散斑，用单色蓝光源进行照明，同时采用窄带通滤波片过滤辐射光，得到相干影响很小的高质量的数字图像，最后应用高效的增量可靠性导向数字图像相关方法得到全场变形，实现了从0～1550℃温度的应变测量。尽管主动成像的DIC方法也能够完成高温下应变测量，但是实验条件较为复杂，且当实验温度进一步上升时，利用喷涂散斑的DIC方法进行试验件应变测量的难度将会迅速增大，甚至于无法完成测量。
为了在更高温度下实现高精度应变测量，一些研究人员用基于数字图像处理的方法来进行超高温条件下的应变测量。用基于数字图像处理的视频引伸计与一种边缘带有四个凸台的特制试验件进行单向拉伸试验，在1500℃条件下实现了实时的应变测量，其首先提取出凸台的轮廓特征，然后计算凸台的重心，最终通过计算重心之间的位移来计算目标区域的应变。Jenner等提到了一种将热电偶丝焊接到试验件上，用特征识别的方法提取热电偶丝的特征，通过测试两个热电偶丝之形心间的距离变化来计算应变的方法。这两种基于数字图像处理的方法能够简单快速的实现应变的计算，但是采用特征提取计算应变的方法精度有限，使其无法满足超高温度下实时高精度应变测量的需求。
发明内容
为了解决现有技术存在的无法满足超高温度下实时高精度应变测量需求的问题，本发明提出了一种基于数字图像相关的实时高精度超高温视频引伸计及应变测量方法，避免了散斑的喷涂，可承极高的温度，计算速度快、精度高。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种高精度超高温视频引伸计包括同轴远心成像系统、机械支撑调节平台、单色光源、与单色光源波长对应的窄带通滤波片、相机、三角支架、计算机；同轴远心成像系统用于在超高温的条件下透过光学石英玻璃观察窗采集试验件表面的清晰图像；机械支撑调节平台用于支撑同轴远心成像系统，通过调节机械支撑调节平台能够实现空间中三个方向，三个角度共六个自由度的调节，从而调节同轴远心成像系统的光轴与试验件表面感兴趣区域垂直，并获得高清晰度和对比度的图像；单色光源用于产生高强度的单色光，单色光首先经过漫射镜变成均匀入射光，然后经分光镜反射后通过同轴远心成像系统照射到试验件表面，试验件表面的反射光经过分光镜进入紫外相机；与单色光源对应的窄带通滤波片用于过滤掉其他波长的光线，仅仅保留与单色光源波段对应的光线，从而降低试验件表面热辐射对采集到图像的影响；相机用于采集图像，并将采集到的图像实时传输到计算机；三角支架用于支撑同轴远心成像系统，同时还能够对同轴远心成像系统的高度进行粗调；计算机用于处理由紫外相机采集到的图像数据和万能试验机传输的载荷数据，得到试验件的实时高精度应变数据。并将载荷-时间曲线和应变-时间曲线实时显示在计算机的显示器上。
进一步，所述单色光源为紫外光源，所述相机为紫外相机。
进一步，所述与光源波长对应的窄带通滤波片为与紫外光波长对应的窄带通滤波片。
进一步，所述同轴远心成像系统包括相机，远心镜头，单色光源，与光源波长对应的窄带通滤波片。
进一步，所述的试验件为边缘带有四个凸台的特制试验件，凸台的形状不限。
进一步，所述的应变计算方法为基于数字图像相关(DIC)的方法。
一种超高温应变测量方法：
1)采用边缘带有四个凸台的特制试验件，在试验件表面喷涂高温散斑，将试验件1固定到高温拉伸夹具上；
2)在远心镜头前安装窄带通滤波片，用单色光源对试验件进行主动照明，并调整紫外相机使图像清晰；
3)采用高温炉对试验件进行加热，使得试验件能够快速、准确的达到所需温度，使试验件在标距长度范围内温度均匀分布；
4)达到所需温度后，用万能试验机对矩形截面或圆截面试验件进行加载，在加载的过程中用高精度的图像采集单元实时采集试验件的图像；
5)将万能试验机的加载数据和紫外相机采集到的图像数据实时传输到计算机中，实时计算应变。应变计算有两种方法，第一种方法为选取拉伸前的一张图像作为参考图像，利用DIC方法对试验件表面的散斑图进行匹配，从而进行应变的计算，第二种方法为选取包含四个凸台的四个小区域作为四个子区，用DIC方法对四个子区进行匹配，从而实现超高温条件下实时高精度的应变测量。但当温度很高时，散斑会发生脱落，此时只能采用第二种方法进行高精度应变计算。
本发明的有益效果为：
1、采用了同轴远心成像系统，亮度均匀，成像清晰。同时远心镜头畸变较小，对离面位移不敏感，能够提高采集到的图像质量，进而提升应变测量精度。
2、和传统的高温引伸计相比，本发明能够在超高温条件下同时测量横向应变和纵向应变，进而可以得到试验件的泊松比。
3、和传统的高温引伸计相比，本发明能够实现大应变的测量，同时能够避免引伸杆与试验件接触导致试验件表面变形。
4、采用边缘带有四个凸台的特制试验件，在试验件表面喷涂高温散斑。当温度较低时，用试验件表面的散斑特征或者试验件的凸台作为特征都能用DIC方法进行高精度应变测量。当温度进一步升高时，可直接利用试验件的四个凸台特征进行应变测量，从而不需要考虑超高温条件下试验件表面散斑脱落以及退相关效应的影响，极大的扩展了该方法的适用温度范围；
5、不需要计算整个应变场，只需要用DIC方法计算凸台区域或者选取的表面散斑区域内几个特征点处子区的位移，即可测得标距长度的平均应变，计算量大大降低，从而实现实时的应变测量；
6、使用了紫外光的主动照明，在相机前增加了一个窄带通滤波片，主动照明和窄带通滤波片能够进一步的减小试验件表面热辐射的影响，使得在高达2000℃的超高温条件下，凸台处的轮廓依然能够清晰可见，从而使实验容许的温度进一步提升；
7、数字图像相关方法进行位移的准确跟踪和应变的测量，能够在保持高效率的同时得到更精确的应变计算结果。
8、能够实时获取载荷数据和应变数据，并将其实时显示在显示器上，结果清楚明了。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图；
图2为同轴远心成像系统原理图；
图3为边缘带有四个凸台的特制试验件示意图；
图中：1、试验件；2、夹具；4、光学观察窗；5同轴远心成像系统；6、机械支撑调节平台；7、超高温视频引伸计；8、热电偶；9、万能试验机；10、高温炉；11、三角支架；12、单色光源；13、计算机；14、与单色光源波长对应的窄带通滤波片；15、远心镜头；16、分光镜；17、相机；18、反射光；19、入射光；20、漫射镜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种超高温视频引伸计，该引伸计包括同轴远心成像系统5、机械支撑调节平台6、单色光源12、与单色光源波长对应的窄窄带通滤波片14、相机17、三角支架11、计算机13；同轴远心成像系统5用于在超高温的条件下透过光学石英玻璃观察窗采集图像表面的清晰图像；机械支撑调节平台6用于支撑同轴远心成像系统5，通过调节机械支撑调节平台6能够实现空间中三个方向，三个角度共六个自由度的调节，从而调节同轴远心成像系统5的光轴与试验件1表面感兴趣区域垂直，并获得高清晰度和对比度的图像；单色光源12用于产生高强度的单色光，单色光首先经过漫射镜20变成均匀入射光，然后经分光镜16反射后通过同轴远心成像系统5照射到试验件1表面，试验件1表面的反射光经过分光镜16进入相机17；与单色光源对应的窄窄带通滤波片14用于过滤掉其他波长的光线，仅仅保留与单色光源12波段对应的光线，从而降低试验件1表面热辐射对采集到图像的影响；相机17用于采集图像，并将采集到的图像实时传输到计算机13；三角支架11用于支撑同轴远心成像系统5，同时还能够对同轴远心成像系统5的高度进行粗调；计算机13用于处理由紫外相机17采集到的图像数据和万能试验机9传输的载荷数据，得到试验件1的实时高精度应变数据。并将载荷-时间曲线和应变-时间曲线实时显示在计算机13的显示器上。
实施例一
一种高精度超高温视频引伸计，包括：同轴远心成像系统5、机械支撑调节平台6、单色光源12、与单色光源波长对应的窄窄带通滤波片14、紫外相机、三角支架11、计算机13；同轴远心成像系统5用于在超高温的条件下透过光学石英玻璃观察窗采集图像表面的清晰图像；机械支撑调节平台6用于支撑同轴远心成像系统5，通过调节机械支撑调节平台6能够实现空间中三个方向，三个角度共六个自由度的调节，从而调节同轴远心成像系统5的光轴与试验件1表面感兴趣区域垂直，并获得高清晰度和对比度的图像；单色光源12用于产生高强度的紫外光，紫外光首先经过漫射镜20变成均匀入射光，然后经分光镜16反射后通过同轴远心成像系统5照射到试验件1表面，试验件1表面的反射光经过分光镜16进入紫外相机；与单色光源对应的窄窄带通滤波片14用于过滤掉其他波长的光线，仅仅保留紫外光，从而降低试验件1表面热辐射对采集到图像的影响；紫外相机用于采集图像，并将采集到的图像实时传输到计算机13；三角支架11用于支撑同轴远心成像系统5，同时还能够对同轴远心成像系统5的高度进行粗调；计算机13用于处理由紫外相机17采集到的图像数据和万能试验机9传输的载荷数据，得到试验件1的实时高精度应变数据。并将载荷-时间曲线和应变-时间曲线实时显示在计算机13的显示器上。
具体操作方法如下：
1)采用边缘带有四个凸台的特制试验件1，在试验件1表面喷涂高温散斑，将试验件1固定到高温拉伸夹具3上；
2)在远心镜头15前安装窄带通滤波片4，用单色光源12对试验件1进行主动照明，并调整紫外相机17使图像清晰；
3)采用高温炉10对试验件1进行加热，使得试验件1能够快速、准确的达到所需温度，使试验件1在标距长度范围内温度均匀分布；
4)达到所需温度后，用万能试验机(9)对矩形截面或圆截面试验件1进行加载，在加载的过程中同轴远心成像系统5实时采集试验件1的图像；
5)将万能试验机9的加载数据和紫外相机17采集到的图像数据实时传输到计算机12中，实时计算应变。应变计算有两种方法，第一种方法为选取拉伸前的一张图像作为参考图像，利用DIC方法对试验件表面的散斑图进行匹配，从而进行应变的计算，第一种方法为选取包含四个凸台的四个小区域作为四个子区，用DIC方法对四个子区进行匹配，从而实现超高温条件下实时高精度的应变测量。但当温度很高时，散斑会发生脱落，此时只能采用第二种方法进行高精度应变计算。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种高精度超高温视频引伸计，其特征在于：该超高温视频引伸计包括同轴远心成像系统(5)、机械支撑调节平台(6)、单色光源(12)、与单色光源波长对应的窄带通滤波片(14)、相机(17)、三角支架(11)、计算机(13)；所述同轴远心成像系统(5)用于在超高温的条件下透过光学石英玻璃观察窗采集试验件(1)表面的清晰图像；所述机械支撑调节平台(6)用于支撑所述同轴远心成像系统(5)，通过调节所述机械支撑调节平台(6)能够实现空间中三个方向和三个角度共六个自由度的调节，从而调节所述同轴远心成像系统(5)的光轴与试验件(1)表面感兴趣区域垂直，并获得试验件(1)的图像；所述单色光源(12)用于产生单色光，所述单色光首先经过漫射镜(20)变成均匀入射光，然后经分光镜(16)反射后通过所述同轴远心成像系统(5)照射到试验件(1)表面，所述试验件(1)表面的反射光经过分光镜(16)进入所述相机(17)；所述与单色光源对应的窄带通滤波片(14)用于过滤掉其他波长的光线，保留与所述单色光源(12)波段对应的光线，降低试验件(1)表面热辐射对采集到图像的影响；所述相机(17)用于采集图像，并将采集到的图像实时传输到所述计算机(13)；所述三角支架(11)用于支撑所述同轴远心成像系统(5)，同时还能够对所述同轴远心成像系统(5)的高度进行粗调；所述计算机(13)用于处理由相机(17)采集到的图像数据和万能试验机(9)传输的载荷数据，得到试验件(1)的实时高精度应变数据；并将载荷-时间曲线和应变-时间曲线实时显示在计算机(13)的显示器上。
2.根据权利要求1所述的一种高精度超高温视频引伸计，其特征在于：所述的同轴远心成像系统(5)包括相机(17)，远心镜头(15)，单色光源(12)，与光源波长对应的窄带通滤波片(14)。
3.根据权利要求2所述的一种高精度超高温视频引伸计，其特征在于：所述的单色光源(12)为紫外光源，所述相机(17)为紫外相机。
4.根据权利要求3所述的一种高精度超高温视频引伸计，其特征在于：所述与光源波长对应的窄带通滤波片(14)为与紫外光波长对应的窄带通滤波片。
5.根据权利要求1所述的一种高精度超高温视频引伸计，其特征在于：所述试验件为边缘带有四个凸台的试验件(1)。
6.一种使用权利要求1引伸计的超高温应变测量方法，其特征在于：
1)采用边缘带有四个凸台的特制试验件(1)，在试验件(1)表面喷涂高温散斑，将试验件(1)固定到高温拉伸夹具(3)上；
2)在远心镜头(15)前安装窄带通滤波片(14)，用单色光源(12)对试验件(1)进行主动照明，并调整相机(17)使图像清晰；
3)采用高温炉(10)对试验件(1)进行加热，使得试验件(1)达到预设温度，使试验件(1)在标距长度范围内温度均匀分布；
4)达预设温度后，用万能试验机(9)对矩形截面或圆截面试验件(1)进行加载，在加载的过程中同轴远心成像系统(5)实时采集试验件(1)的图像；
5)将万能试验机(9)的加载数据和紫外相机(17)采集到的图像数据实时传输到计算机(13)中，实时应变计算。
7.根据权利要求6所述的一种超高温应变测量方法，其特征在于：所述应变计算有两种方式，第一种方法为选取拉伸前的一张图像作为参考图像，利用基于数字图像相关的方法对试验件表面的散斑图进行匹配，从而进行应变的计算；第二种方法为选取包含四个凸台的四个小区域作为四个子区，用基于数字图像相关的方法对四个子区进行匹配，实现超高温条件下实时高精度的应变测量。
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