CN107014841A - 一种sr‑ct力学试验系统及sr‑ct力学试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种SR‑CT力学试验系统，包括光源、力学试验装置以及数据重建系统，所述力学试验装置包括上支撑板和下支撑板，用于夹持试验工件的夹头位于所述上支撑板和所述下支撑板之间，且所述上支撑板和所述下支撑板之间设置有多根支撑柱，所述支撑柱的根数大于2，且所述支撑柱均匀布置于同一圆周上。该SR‑CT力学试验系统为等间距稀疏离散采样提供了可能，采用等间距离散采样配合稀疏重构算法可以有效提高图像重建速度。本发明中还公开了一种SR‑CT力学试验方法。

Description

一种SR-CT力学试验系统及SR-CT力学试验方法
技术领域
本发明涉及力学试验技术领域，特别涉及一种SR-CT力学试验系统及SR-CT力学试验方法。
背景技术
众所周知，材料的宏观力学性能在很大程度上是由材料本身内部微观结构决定的，且材料的微观结构往往对其宏观力学性能起到决定性的作用。材料的失效破坏从本质上讲，是由微观结构的损伤引起的，因此要了解材料失效破坏机理就需要实时研究材料内部微观结构的演化。现阶段虽然材料力学的研究范畴已经发展到微观结构，但是更多的集中在理论研究，而缺少高精度的实验性研究技术。因此需要发展一种能够在细微条件下研究材料力学行为的方法及技术。
SR-CT(Synchrotron Radiation-Computed Tomography同步辐射计算机断层扫描术)，简称为同步辐射CT技术，作为一种新型的检测技术，其能够实现对材料微观机构进行三维、无损实时在线的观测。
同步辐射CT力学试验系统中通常包括光源、力学试验装置以及数据重建系统，光源的作用在于发出同步辐射光，同步辐射光照射在力学试验装置的试验工件处，力学试验装置一方面对实验工件进行加载，另一方面进行旋转，以便在0°-180°范围内进行投影，投影后的数据被采集并送至数据重建系统，数据重建系统根据运算规则重建扫描图像。
目前的力学试验装置通常包括上支撑板和下支撑板，上支撑板和下支撑板之间对称设置有两根支撑柱，为了保证其刚度，不可避免的会增大支撑柱的尺寸。对于同步辐射CT试验，目前是采集0°-180°完整角度下的所有投影，然后再通过滤波反投影重建算法重建出扫描图像，较粗的支撑柱在投影过程中的遮挡角较大，使得采集投影的角度减小，这将导致重建后的扫描图像质量较差，无法准确观测材料微观结构的变化。
因此，如何能够有效提高重建后的扫描图像质量，以便准确反映材料微观结构的变化是目前本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种SR-CT力学试验系统，以便能够有效提高重建后的扫描图像质量，准确反映材料的微观结构变化。
本发明的另一目的还在于提供一种SR-CT力学试验方法。
为达到上述目的，本发明所提供的SR-CT力学试验系统，包括光源、力学试验装置以及数据重建系统，所述力学试验装置包括上支撑板和下支撑板，用于夹持试验工件的夹头位于所述上支撑板和所述下支撑板之间，且所述上支撑板和所述下支撑板之间设置有多根支撑柱，所述支撑柱的根数大于2，且所述支撑柱均匀布置于同一圆周上。
优选的，所述上支撑板和所述下支撑板之间设置有4-8根所述支撑柱。
优选的，所述上支撑板和所述下支撑板之间设置有6根所述支撑柱。
优选的，所述下支撑板上设置有力传感器，所述力传感器位于所述支撑柱围成的圆周中心，所述力传感器上设置有下部载物台；所述上支撑板上设置有加载装置，所述加载装置的输出端连接有上部载物台，试验工件的上端被连接于所述上部载物台的上夹头夹持，下端被连接于所述下部载物台的下夹头夹持。
优选的，所述加载装置为微米促动器。
优选的，所述上夹头以及所述下夹头均具有用于夹持所述试验工件的夹持端和与所述夹持端相连的膨大端，所述上部载物台上设置有与所述上部夹头的膨大端形状适配的上部卡装槽，所述下部载物台上设置有与所述下部夹头的膨大端形状适配的下部卡装槽。
优选的，其特征在于，所述支撑柱所围成的圆周的直径为40mm。
优选的，所述支撑柱的直径为4mm。
本发明中所公开的SR-CT力学试验方法，采用上述任意一项中所公开的SR-CT力学试验系统，该力学试验方法至少包括以下步骤：
1)对安装于所述力学试验装置上并进行加载的实验工件进行0°-180°范围内的投影；
2)对所述投影进行等间距稀疏离散采样，得到采样结果；
3)所述数据重建系统利用所述采样结果通过稀疏重构算法重建出所述试验工件的截面图像。
优选的，在所述步骤2)和所述步骤3)之间，还包括：对所述采样结果进行滤波处理。
可以看出，本发明中所公开的SR-CT力学试验系统中，力学试验装置在上支撑板和下支撑板之间设置了多于2根的支撑柱，相比于采用两根支撑柱的传统力学实验装置，在需要支撑的负载质量不变的前提下，本发明中的力学实验装置单根支撑柱的直径可以做的更小，这使得在进行投影时，每根支撑柱所造成的连续遮挡角减小，每根支撑柱所造成的连续遮挡角不大于15°，而且经过测算，在0°-180°的范围内，所有支撑柱的总遮挡角也比两根支撑柱所造成的总遮挡角要小，这使得可取得有效投影的角度范围增加，为后续数进行图像重建提供了更多的投影数据支持，这可以有效提高重建后的扫描图像质量；另外由于有效投影角度范围的增加，投影数据增多，因此还为等间距稀疏离散采样提供了可能，采用等间距离散采样配合稀疏重构算法可以有效提高图像重建速度。
本发明所公开的SR-CT力学试验方法，采用上述SR-CT力学试验系统，并且对0°-180°范围内的投影进行等间距系数离散采样，数据重建系统利用采样结果通过稀疏重构算法重建出加载试验工件的截面图像，该力学试验方法可以有效提高扫描图像的重建速度和质量。
附图说明
图1为本发明实施例中所公开的力学试验装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中所公开的力学实验装置的支撑柱在下支撑板上的分布示意图；
图3为本发明实施例中所公开的夹头与载物台的配合示意图；
图4为本发明实施例中所公开的夹头与试验工件的配合示意图；
图5为本发明实施例中力学实验装置的支撑柱在180度范围内的挡光示意图。
其中，1为加载装置，2为上支撑板，3为载物台，4为夹头，5为支撑柱，6为力传感器，7为下支撑板，8为试验工件，9为X射线，31为上部载物台，32为下部载物台，41为上夹头，42为下夹头。
具体实施方式
本发明的核心之一是提供一种SR-CT力学试验系统，以便能够有效提高重建后的扫描图像质量，准确反映材料的微观结构变化。
本发明的另一核心是提供一种SR-CT力学试验方法。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
本发明中所公开的SR-CT力学试验系统，包括用于发射X光线的同步辐射光源、用于对工件进行拉伸或压缩的力学试验装置以及用于对投影数据处理并重建扫描图像的数据重建系统，在该力学试验系统中，力学实验装置进行了改进，该力学试验装置包括上支撑板和下支撑板，用于夹持试验工件的夹头位于上支撑板和下支撑板之间，上支撑板和下支撑板之间设置有多根支撑柱，支撑柱的数量大于2，支撑柱均匀的分布于同一个圆周上。
由于力学试验装置在上支撑板和下支撑板之间设置了多于2根支撑柱，相比于采用两根支撑柱的传统力学实验装置，在需要支撑的负载质量不变的前提下，本发明中的力学实验装置单根支撑柱的直径可以做的更小，这使得在进行投影时，每根支撑柱所造成的连续遮挡角减小，而且经过测算，在0°-180°的范围内，所有支撑柱的总遮挡角也比两根支撑柱所造成的总遮挡角要小，这使得可取得有效投影的角度范围增加，为后续数进行图像重建提供了更多的投影数据支持，这可以有效提高重建后的扫描图像质量；另外由于有效投影角度范围的增加，投影数据增多，因此还为等间距稀疏离散采样提供了可能，采用等间距离散采样配合稀疏重构算法可以有效提高图像重建速度。
通常情况下，同步辐射CT试验平台上的旋转平台承重不得超过2kg，这就严格限制了加载装置的尺寸以及重量，为了满足试验精度，加载装置需要与旋转平台精密配合，因此支撑柱在40mm的圆形区域内进行排布，经过实际测算，在采用6根支撑柱时，支撑柱的尺寸在直径为4mm时即可满足支撑柱的刚度需求，此时根据试验用品大小可以计算出，在180°的范围内每一根支撑柱的连续遮挡角度在13°左右，总的遮挡角度控制在40°左右，如图5中所示。当然，支撑柱的数量为4根、8根时相比于传统的两根支撑柱而言，其联系遮挡角以及总遮挡角也会有不同程度的减小，但是相比于6根而言，4根支撑柱的连续遮挡角较大，8根支撑柱的总遮挡角较大，因此本发明中的SR-CT力学试验装置中，支撑柱的数量采用6根为宜。
请同时参考图1至图4，本发明实施例中所公开的力学试验系统中，力学试验装置的下支撑板上设置有力传感器，以便测量拉力或压力的大小，本实施例中主要用于测量拉力，力传感器位于支撑柱围成的圆周中心，以保证测量结果的准确性，力传感器上设置有下部载物台，上支撑板上设置有加载装置，加载装置的输出端连接有上部载物台，试验工件的上端被连接于上部载物台的上夹头夹持，下端被连接于下部载物台的下夹头夹持，为了保证试验结果的准确性，本实施例中的加载装置为微米促动器，所谓微米促动器是指对实验工件施加微米位移量级的位置装置，其位移分辨率为0.1μm。
上夹头和下夹头分别夹持试验工件的上端和下端，本领域技术人员能够理解的是，上夹头和下夹头与载物台的连接方式包括多种，例如卡接，螺纹连接等，在本实施例中，上夹头以及下夹头均具有用于夹持试验工件的夹持端和与夹持端相连的膨大端，上部载物台上设置有与上部夹头的膨大端形状适配的上部卡装槽，下部载物台上设置有与下部夹头的膨大端形状适配的下部卡装槽，如图3中所示，通过卡装槽与膨大部的配合实现夹头与载物台的连接。
本发明中还公开了一种SR-CT力学试验方法，该方法为，采用上述任意一实施例中所公开的SR-CT力学实验装置，对安装在力学试验装置上并已经进行加载的实验工件进行0°-180°范围内的投影，需要进行说明的是，该投影过程只需保证角度转动范围为180°即可，与起点的选择无关，然后对投影进行等间距系数离散采样，得到采样结果，数据重建系统根据该采样结果通过稀疏重构算法重建出试验工件的截面图像。
试验工件的旋转是将整个力学试验装置安装于旋转平台上实现的，所谓等间距稀疏离散采样是指间隔相同角度进行离散采样，采样时的角度并不连续，但是相邻两次采样的角度间隔始终相等，这样可以避免出现大的连续遮挡角度，从而降低支撑柱对投影采集的影响。
为了进一步提高扫描图像的重建质量，在将采样结果送至数据重建系统之前，还对采样结果进行滤波处理。
该方法可以实现高分辨率同步辐射CT试验，能够在数据缺失的情况下有好的重建效果，能够为后续实验数据特征参数的提取以及数据的分析提供较高的重建质量，可以应用于航天材料、生物材料等先进多相复合材料，进行三维无损、实时在线观测其受拉伸载荷作用下的微观结构演化过程。
以上对本发明所提供的SR-CT力学试验系统及SR-CT力学试验方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种SR-CT力学试验系统，包括光源、力学试验装置以及数据重建系统，其特征在于，所述力学试验装置包括上支撑板和下支撑板，用于夹持试验工件的夹头位于所述上支撑板和所述下支撑板之间，且所述上支撑板和所述下支撑板之间设置有多根支撑柱，所述支撑柱的根数大于2，且所述支撑柱均匀布置于同一圆周上。
2.根据权利要求1所述的SR-CT力学试验系统，其特征在于，所述上支撑板和所述下支撑板之间设置有4-8根所述支撑柱。
3.根据权利要求2所述的SR-CT力学试验系统，其特征在于，所述上支撑板和所述下支撑板之间设置有6根所述支撑柱。
4.根据权利要求1所述的SR-CT力学试验系统，其特征在于，所述下支撑板上设置有力传感器，所述力传感器位于所述支撑柱围成的圆周中心，所述力传感器上设置有下部载物台；所述上支撑板上设置有加载装置，所述加载装置的输出端连接有上部载物台，试验工件的上端被连接于所述上部载物台的上夹头夹持，下端被连接于所述下部载物台的下夹头夹持。
5.根据权利要求4所述的SR-CT力学试验系统，其特征在于，所述加载装置为微米促动器。
6.根据权利要求4所述的SR-CT力学试验系统，其特征在于，所述上夹头以及所述下夹头均具有用于夹持所述试验工件的夹持端和与所述夹持端相连的膨大端，所述上部载物台上设置有与所述上部夹头的膨大端形状适配的上部卡装槽，所述下部载物台上设置有与所述下部夹头的膨大端形状适配的下部卡装槽。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的SR-CT力学试验系统，其特征在于，所述支撑柱所围成的圆周的直径为40mm。
8.根据权利要求7所述的SR-CT力学试验系统，其特征在于，所述支撑柱的直径为4mm。
9.一种SR-CT力学试验方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任意一项所述的SR-CT力学试验系统，至少包括以下步骤：
1)对安装于所述力学试验装置上并进行加载的实验工件进行0°-180°范围内的投影；
2)对所述投影进行等间距稀疏离散采样，得到采样结果；
3)所述数据重建系统利用所述采样结果通过稀疏重构算法重建出所述加载试验工件的截面图像。
10.根据权利要求9所述的SR-CT力学试验方法，其特征在于，在所述步骤2)和所述步骤3)之间，还包括：对所述采样结果进行滤波处理。
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