CN107255454A - 一种基于紫外成像dic的超高温多尺度多功能应变测量系统及测量方法 - Google Patents

一种基于紫外成像dic的超高温多尺度多功能应变测量系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于紫外成像数字图像相关方法(DIC)的超高温多尺度多功能应变测量系统及测量方法，该应变测量系统包括紫外相机(1和5)、同轴长工作距离显微镜头(7和15)、单色光源(2)、与单色光源波长对应的窄带通滤波片(6和16)、在试验件表面制作耐高温散斑或者使用摩擦划痕斑点(自然散斑失效时)，利用高温图像观察炉和配套的高温力学测试装置对被测矩形截面或圆柱面试验件施加力、热载荷，采用同轴紫外光主动照明试验件，并用该基于紫外成像DIC的超高温多尺度多功能应变测量系统采集试验件表面图像，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毫米到微米级视场的二维或三维测量。该发明原理简单、结构紧凑，采用高温图像炉和高温拉伸装置配合对从室温到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

一种基于紫外成像DIC的超高温多尺度多功能应变测量系统 及测量方法
技术领域
本发明涉及实验固体力学领域，尤其是力、热耦合作用下对于全场的二维和三维变形测量方法，应用于航空航天，高温复合材料等各领域的超高温位移和应变测量。
背景技术
对航空航天材料和结构以及各种高温合金和高温陶瓷复合材料在高温环境下由力、热载荷引起的全场变形进行非接触式、高精度测量对于这些材料的安全设计、可靠性评定以及使用寿命预测都有着重要的意义。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电阻应变片和超高温引伸计来实现高温应变的测量。作为一种逐点测量技术，高温电阻应变片只能测量其标距范围内沿某个方向的平均线应变，即局限于特定点特定方向的线应变测量，无法用于被测试样表面全场高温变形的测量；2)其次，作为一种接触式测量技术，与被测试样表面通过焊接或喷涂方式连接的高温电阻应变计或多或少对被测材料有一定的强化作用；3)最后，高温环境对高温应变片的测量结果影响很大。
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用在1200℃用激光照明被测高温物体，并利用两个垂直距离为L的CCD相机分别记录物体表面反射光波相互干涉形成的散斑场，并利用互相关算法跟踪不同相机记录图像中两个激光散斑颗粒的距离变化来测量物体表面的高温变形。显而易见，此方法只能用于两个标记之间的平均变形测量，对于非均匀高温变形场的测量则不适用。为了测量试样表面感兴趣区域内的全场热变形，可采用基于两束相干激光光波干涉的电子散斑干涉法、云纹干涉法等。尽管基于激光光波干涉的云纹干涉和电子散斑干涉法的测量灵敏度非常高，并具有测量结果直观可视的优点，但这些方法的测量光路较为复杂且对测量环境要求苛刻，因此测量通常只能在实验室暗室中的光学隔振平台上进行。此外，测量结果以条纹图的形式直接呈现，需对条纹图进行进一步的相位分析才能获得全场变形信息。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会导致“退相关”效应，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，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，但大部分的测量是在宏观视场范围(cm-m)尺度进行，而且当实验温度进一步上升时，蓝光主动成像仍然可能会失效，加上喷涂散斑材料脱落，因此利用喷涂散斑的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。合肥工业大学王永红发明了基于紫外照明DIC的高温材料机械性能加载测量系统及测量方法，发明号CN104535412A，但此发明第一未涉及多尺度测量尤其是微米级别，一般用于宏观的测量；第二其发明使用的是外置光源容易导致照明不均匀，影响测量精度；第三此发明只在1000度以上使用，1000度以下没有涉及；第四该发明并未涉及在自然纹理下使用。
发明内容
为了解决现有技术存在的无法满足超高温度多尺度多功能应变测量需求的问题，本发明提出了一种基于紫外成像DIC的超高温多尺度多功能应变测量系统及测量方法，可承受极高的温度，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：一种基于紫外成像DIC的超高温多尺度多功能应变测量系统包括同轴显微成像系统、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、相机同步触发器、计算机；同轴显微成像系统用于在超高温的条件下透过光学蓝宝石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显微成像系统，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，从而调节同轴显微成像系统的光轴与试验件表面感兴趣区域，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显微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；相机同步触发器用于保证两个相机同步采集图像；计算机用于处理由紫外相机采集到的图像数据。
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，所述同轴显微成像系统包括相机，显微镜头，单色光源，与光源波长对应的窄带通滤波片，相机同步触发器。
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)在试验件表面喷涂高温散斑或者使用摩擦划痕斑点(在自然纹理失效时)，将试验件固定到高温拉伸装置上；
2)在紫外相机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)利用标定板，采集多组图像，作为标定图像；
4)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；
5)加热过程中，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；
6)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，计算应变。应变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左右相机的匹配，从而进行应变的计算；
7)本发明采用同轴显微镜头，可以进行多尺度测量从mm-μm的范围测量，尤其用于高温局部测量；采用同轴照明，整个视野照明均匀，成像品质高清，精度更高；采用波长较短的紫外光源，除了在极高温度喷涂有散斑的状况下使用外，短波紫外由于波长短，试件表面自然纹理容易形成，所以短波紫外照射下，利用高效，低成本的自然散斑优势明显；采用紫外系统，温度范围在室温到2000度的高温下使用。
一种基于紫外成像DIC的超高温多尺度多功能应变测量系统的用途，用于对航空航天材料、结构以及高温合金和高温陶瓷复合材料在高温环境下由力、热载荷引起的全场变形进行非接触式、高精度测量。采用高温图像炉和高温拉伸装置配合对从室温到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。
本发明的有益效果为：
1、采用了同轴显微成像系统，亮度均匀，成像清晰。显微镜头能够实现多个放大倍数，进行从毫米级到微米级的多尺度测量。同时长工作距离显微镜头能够减少辐射热对镜头的影响，进而提升测量精度。
2、高温炉采用多个玻璃观察窗口设计，能够实现二维，三维多功能应变测量。
3、玻璃观察窗口采用蓝宝石级光学玻璃，高温下折射率变化稳定，进而提升应变测量精度。
4、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，通过滤波片将相机和镜头连接；主动照明和窄带通滤波片能够进一步减小试验件表面热辐射的影响，使得在高达2000℃的超高温条件下实现清晰图像采集，从而使实验容许的温度进一步提升。
5、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。
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为同轴显微成像系统原理图；
图3为标定板示意图；
图中：1、相机；2、单色光源；3、相机同步触发器；4、计算机；5、相机；6、与单色光源波长对应的窄带通滤波片；7、显微镜头；8、机械支撑调节平台；9、玻璃观察窗；10、高温炉；11、高温拉伸装置；12、试验件；13、玻璃观察窗；14、玻璃观察窗；15、显微镜头；16、与单色光源波长对应的窄带通滤波片；17、显微成像系统；18、漫射镜；19、高温散斑；20、反射光；21、分光镜；22、标定板；
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，本发明提供了一种基于紫外成像DIC的超高温多尺度多功能应变测量系统，该系统包括同轴显微成像系统17、机械支撑调节平台8、单色光源2、与单色光源波长对应的窄窄带通滤波片6和16、相机1和5、相机同步触发器3、计算机4；同轴显微成像系统17用于在超高温的条件下透过光学蓝宝石玻璃观察窗采集图像表面的清晰图像；机械支撑调节平台8用于支撑同轴显微成像系统17，通过调节机械支撑调节平台8能够实现空间中三个方向，三个角度共六个自由度的调节，从而调节同轴显微成像系统17的光轴与试验件1表面感兴趣区域，并获得高清晰度和对比度的图像；单色光源2用于产生高强度的单色光，单色光首先经过漫射镜18变成均匀入射光，然后经分光镜21反射后通过同轴显微成像系统17照射到试验件12表面，试验件12表面的反射光经过分光镜21进入相机1和5；与单色光源对应的窄窄带通滤波片6和16用于过滤掉其他波长的光线，仅仅保留与单色光源2波段对应的光线，从而降低试验件12表面热辐射对采集到图像的影响；相机1和5用于采集图像，并将采集到的图像实时传输到计算机4；相机同步触发器3用于保证相机1和5同时采集图像；计算机4用于处理由紫外相机1和5采集到的图像数据。
实施例一
一种基于紫外成像DIC的超高温多尺度多功能应变测量系统及测量方法，包括：同轴显微成像系统17、机械支撑调节平台8、单色光源2、与单色光源波长对应的窄窄带通滤波片6和16、紫外相机1和5、计算机4；同轴显微成像系统17用于在超高温的条件下透过光学蓝宝石玻璃观察窗采集图像表面的清晰图像；机械支撑调节平台8用于支撑同轴显微成像系统17，通过调节机械支撑调节平台8能够实现空间中三个方向，三个角度共六个自由度的调节，从而调节同轴显微成像系统5的光轴与试验件1表面感兴趣区域，并获得高清晰度和对比度的图像；单色光源2用于产生高强度的紫外光，紫外光首先经过漫射镜18变成均匀入射光，然后经分光镜21反射后通过同轴显微成像系统17照射到试验件12表面，试验件12表面的反射光经过分光镜21进入紫外相机；与单色光源对应的窄窄带通滤波片6和16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12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4；相机同步触发器3用于保证相机1和5同步采集图像；计算机4用于处理由紫外相机1和5采集到的图像数据。
具体操作方法如下：
1)在试验件12表面喷涂高温散斑(在自然纹理失效时)，将试验件12固定到高温拉伸夹具11上；
2)在紫外相机1和5前安装窄带通滤波片6和16；
3)用单色光源2对试验件12进行主动照明，并调整紫外相机1和5使图像清晰；
4)利用标定板22采集多幅图像，用作标定；
5)采用高温炉10对试验件12进行加热，使得试验件12能够快速、准确的达到所需温度，使试验件12在标距长度范围内温度均匀分布；
6)达到所需温度后，用拉伸装置11对矩形截面或圆截面试验件12进行加载，在加载的过程中同轴显微成像系统17实时采集试验件12的图像；
7)将拉伸装置11的加载数据和紫外相机1和5采集到的图像数据传输到计算机4中，计算应变。应变计算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，
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 (10)

1.一种基于紫外成像DIC的超高温多尺度多功能应变测量系统，其特征在于：该应变测量系统包括同轴显微成像系统(17)、机械支撑调节平台(8)、计算机(4)和力学实验装置(11)；其中同轴显微成像系统(17)包括单色光源(2)、与单色光源波长对应的窄带通滤波片(6和16)、相机(1和5)、和相机同步触发器(3)；所述同轴显微成像系统(17)用于在超高温的条件下透过多个光学蓝宝石玻璃观察窗(9，13和14)采集试验件(12)表面的清晰图像；所述机械支撑调节平台(8)用于支撑所述同轴显微成像镜头(7和15)；所述单色光源(2)用于产生单色光，所述单色光首先经过漫射镜(18)变成均匀入射光，然后经分光镜(21)反射后通过所述同轴显微成像镜头(7和15)照射到试验件(12)表面，所述试验件(12)表面的反射光(20)经过分光镜(21)进入所述相机(1和5)；所述与单色光源对应的窄带通滤波片(6和16)用于过滤掉其他波长的光线，保留与所述单色光源(2)波段对应的光线，降低试验件(12)表面热辐射对采集到图像的影响；所述相机(1和5)用于采集图像，并将采集到的图像实时传输到所述计算机(4)；所述相机同步触发器(3)用于保证相机(1和5)的同步采集。
2.根据权利要求1所述的一种基于紫外成像DIC的超高温多尺度多功能应变测量系统，其特征在于：所述的同轴显微成像系统(17)包括相机(1和5)，显微镜头(7和15)，单色光源(2)，与光源波长对应的窄带通滤波片(6和16)，同步触发器(3)；单色光源(2)设置于同步触发器(3)下方，位于两个显微镜头(7和15)之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于紫外成像DIC的超高温多尺度多功能应变测量系统，其特征在于：所述的显微镜头(7和15)为长工作距离，具有多个放大倍数的显微镜头。
4.根据权利要求1所述的一种基于紫外成像DIC的超高温多尺度多功能应变测量系统，其特征在于：所述的单色光源(2)为紫外光源，所述相机(1和5)为紫外相机。
5.根据权利要求1所述的一种基于紫外成像DIC的超高温多尺度多功能应变测量系统，其特征在于：所述与光源波长对应的窄带通滤波片(6和16)为与紫外光波长对应的窄带通滤波片。
6.根据权利要求1所述的一种基于紫外成像DIC的超高温多尺度多功能应变测量系统，其特征在于：同时使用两个相机可以完成三维应变测量，使用一个相机可以完成二维应变测量。
7.根据权利要求1所述的一种基于紫外成像DIC的超高温多尺度多功能应变测量系统，其特征在于：所述计算机(4)用于处理由相机(1和5)采集到的图像数据和力学实验装置(11)传输的载荷数据，得到试验件(12)的实时高精度应变数据。
8.一种超高温应变测量方法，其特征在于：使用权利要求1-7任一项所述的一种基于紫外成像DIC的超高温多尺度多功能应变测量系统，包括如下步骤：
1)在试验件(12)表面喷涂高温散斑(19)，将试验件(12)固定到高温拉伸装置(11)上；
2)在相机镜头(7和15)前安装窄带通滤波片(6和16)，用单色光源(2)对试验件(12)进行主动照明，并调整相机(1和5)使图像清晰；
3)相机同步触发器(3)开启，使相机(1和5)保证相机同步频率进行同步采集；
4)利用标定板(22)采集多组图像，对采集图像进行标定；
5)采用高温图像炉(10)对试验件(12)进行加热，用高温拉伸装置(11)对矩形截面或圆截面试验件(12)进行加载，在加载的过程中同轴显微成像系统(17)实时采集试验件(12)的图像；
6)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，计算应变。
9.根据权利要求8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，从而进行应变的三维(或者二维)计算。
10.权利要求1-7任一项所述的一种基于紫外成像DIC的超高温多尺度多功能应变测量系统的用途，其特征在于：用于对航空航天材料、结构以及高温合金和高温陶瓷复合材料在高温环境下由力、热载荷引起的全场变形进行非接触式、高精度测量。
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