CN107807071A - 一种拍摄超音速砂粒的试验系统及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种结构简单但能够比较清晰拍摄出的砂粒运动过程的试验系统及对应的试验方法。试验系统包括实验台、实验舱、试验件夹具、出口面对试验件夹具的喷砂枪、光源、用以拍摄砂粒运动和碰撞状态的高速摄像机、该试验系统结构相对简单；能够在超音速砂粒冲蚀试验中将速度在340m/s至500m/s的超音速砂粒与试验件碰撞过程的运动状态记录下来；能够保证图像中的砂粒轮廓清晰；该试验系统结构简单，测量精度和使用稳定性较高；针对砂粒冲蚀试验设计了实验舱，夹具能在固定多种尺寸和多种平板形状的试验件并可调冲击角度的前提下保证不遮挡照明区域，为高速摄像机提供良好的视野。
Description
技术领域
本发明涉及压力环境下的喷砂试验领域。
背景技术
近十多年来，材料抗砂粒冲蚀性能的相关研究不断取得进步。气固冲蚀是冲蚀研究的重要领域，砂尘碰撞时的冲击角和方位角是冲蚀研究过程中的重要测量参数，而在强紊流气流中砂粒将发生高速旋转，因此碰撞时的方位角为随机变量；砂粒的速度一般通过气流速度来粗略控制。所以，若想更进一步地对材料在超音速砂粒冲蚀条件下损伤过程进行探究，则必须采取有效的试验系统来记录超音速砂粒的运动速度和姿态。
目前，拍摄高速运动的物体的方法主要是使用高速摄像机拍摄或使用PIV(粒子成像测速)技术。
有一种方式是使用高速摄像机拍摄。高速摄像机能够以很高的频率记录被拍摄对象在非常短的时间内的一个动态的图像，单独使用高速摄像机配合普通光源拍摄超音速运动的砂粒，存在以下几个问题。第一，试验用的砂粒为0.3mm～0.5mm粒径的微小石英砂，通常为微透明白色，砂粒的反光率低，根据砂尘冲蚀试验相关标准，从喷砂枪出口到试验件运动距离只有100mm左右，且考虑到受试验件夹具对拍摄视野的影响，高速摄像机很难适用于本试验环境；第二，要保证砂粒在图像中所成的像轮廓分明、没有拖影，需要快门时间足够的短，以至于进光量较少，砂粒反射进入摄像机的光少，即使用强光探照灯打光，所拍摄的图像也会偏暗，难以区分砂粒与背景。另外还有一种方式是利用PIV技术来拍摄高速流场。PIV技术流场图像互相关分析的非接触二维流场测量技术，能够无扰动、精确有效地测量二维流速分布。使用PIV技术测量流场时，一般在流场中散播跟随性好的示踪粒子，使用激光片光源对所测平面进行照射，使用CCD相机拍摄得到示踪粒子的图像。对得到的图像进行相关分析，就能获得流场的二维速度矢量分布。PIV通常应用在拍摄连续稳定流场的流场速度或流场中固体相速度。砂粒冲蚀该试验中，砂粒并不能稳定地在CCD相机所拍摄的固定时间间隔的图片中留下影像，以致很难记录非定常流场中的砂粒速度和砂粒轮廓，且无法记录砂粒运动过程和运动状态。
本试验很难达到PIV记录速度的必要条件。
故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
发明目的：为解决上述问题，本发明提供一种结构简单但能够比较清晰拍摄出的砂粒运动过程的试验系统及对应的试验方法。
同时，本发明还提供了一种夹具，能够应用在上述试验系统中，且能够方便调整砂粒与试验件碰撞时的方位角。
技术方案：为达到上述目的，本发明的试验系统可采用如下技术方案：
一种拍摄超音速砂粒的试验系统，包括实验台、位于实验台上的实验舱、位于实验舱内的试验件夹具、出口面对试验件夹具的喷砂枪、向实验舱内提供光线的光源、位于实验舱侧面并用以拍摄试验件状态的高速摄像机、位于实验舱后方的排砂口；所述实验舱面对高速摄像机的侧面为透明的材质、实验舱的顶部也为透明的材质；
所述试验件夹具包括底座、夹板、位于夹板两侧的支架；所述夹板的底部铰接在底座上，夹板通过铰接改变翻转的角度，所述支架的内侧面为弧形而形成拍摄空间；所述支架上设有若干与夹板的侧面相互固定的固定件。
有益效果，相对于现有技术，本发明结构相对简单；能够在进行超音速砂粒冲蚀试验中将速度在340m/s至500m/s的超音速砂粒与试验件碰撞过程的运动状态记录下来；能够保证图像中的砂粒轮廓清晰；不必投放示踪粒子，简化了结构，成本较低；针对砂粒冲蚀试验设计了实验舱，夹具能在固定各种尺寸试验件并可调冲击角度的前提下保证照明和高速摄影机的视野；实验舱结构简单，便于试验后的砂粒清理与收集。
进一步的，所述支架为两个，对称的设置在夹板的两侧，且支架为弯月形。
进一步的，所述夹板上设有数个用以夹住试验件的螺栓夹垫片。
进一步的，所述支架上设有若干开孔，且该若干开孔以曲线排列，并还设有插入所述开孔中的螺栓，所述螺栓承载夹板的背面。
进一步的，所述光源为激光面光源或者平面白色光源，光源位于高速摄影相机的对面。
进一步的，所述实验台上设有导轨，实验舱的底部设有与导轨配合的移动部件，所述移动部件在导轨的移动为靠近或者远离喷砂枪。
本发明的试验方法可采用如下技术方案：
包括以下步骤：
(1)、将试验件固定在夹板上；通过绕铰链转动夹板以改变冲击角度；通过实验舱靠近或者远离喷砂枪调节冲蚀距离；
(2)、开启光源，调整光照平面位置与所需拍摄平面重合，此平面为对焦平面；开启高速摄像机，调整高速摄像机的镜头与被拍平面距离并对对焦平面对焦；
(3)、调整高速摄像机的拍摄的画面范围、拍摄帧率、快门时间；调整高速摄像机的镜头光圈大小，使图像达到适当的亮度；开始砂粒冲蚀时触发高速摄像机开始拍摄并得到若干砂粒图像，从而获得砂粒运动轨迹及运动状态。
本发明还公开一种夹具的技术方案：
包括底座、夹板、位于夹板两侧的支架；所述夹板的底部铰接在底座上，夹板通过铰接改变翻转的角度，所述支架的内侧面为弧形；所述支架上设有若干与夹板的侧面相互固定的固定件。
该夹具的结构简单，并且能够方便调整夹板的角度，当应用于上述试验系统中时，试验件固定在夹板上之后，能够方便调整砂粒与试验件碰撞时的方位角。
进一步的，所述支架为两个，对称的设置在夹板的两侧，且支架为弯月形。
进一步的，所述支架上设有若干开孔，且该若干开孔以曲线排列，并还设有插入所述开孔中的螺栓，所述螺栓承载夹板的背面。
附图说明
图1是本发明试验系统的结构示意图；
图2是本发明夹具的立体图；
图3是砂粒冲击时的状态图；
图4是使用本发明一个实施例中所拍摄的砂粒形貌；
图5是本发明中一个实施例中采用高速摄像机拍摄的图片。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明中的具体实施方式作进一步说明。
图1中公开了本发明提供的一种拍摄超音速砂粒的试验系统，包括实验台3、计算机2、位于实验台上的实验舱6、位于实验舱6内的试验件夹具8、出口面对试验件夹具的喷砂枪(未图示)、向实验舱6内提供光线的光源7、位于实验舱6侧面并用以拍摄试验件状态的高速摄像机1、位于实验舱6后方的排砂口5。所述实验舱面对高速摄像机和光源的侧面为透明的材质(如有透光率好且不易破碎的钢化玻璃)、实验舱的顶部也为透明的钢化玻璃。实验台3上设有导轨5，实验舱6的底部设有与导轨5配合的移动部件，所述移动部件在导轨的移动为靠近或者远离喷砂枪。通过实验台3上的导轨4调节冲蚀距离，并能在进行不同冲击角试验的情况下保证喷砂枪出口与试验件距离不变。
在本实施例中，光源7为激光面光源，在其他实施例中，也可采用平面白色光源。光源位于高速摄影相机的对面。以光源7为激光面光源为例，通过实验舱6上后方的观察窗口照亮实验舱6的被拍摄平面；高速摄像机1的拍摄方向与被拍摄平面垂直，其镜头通过观察窗口，对试验件夹具8附近范围的超音速砂粒进行摄像；高速摄像机1与计算机2连接，便于把高速摄像机1每次拍摄的图像传输到计算机2中储存，以及通过计算机2控制触发高速摄像机1开始拍摄。
所述试验件夹具包括底座9、夹板10、位于夹板10两侧的支架11。所述夹板10的底部铰接在底座9上，夹板10通过铰接改变翻转的角度，以便研究不同冲击角度对砂粒冲蚀的影响而使试验件角度可调。夹板上设有数个用以夹住试验件的螺栓夹垫片，通过在夹板10上开长槽12并配合螺栓夹垫片16紧固，固定试验件四周，长槽12采用了非对称设计，目的是能够避开试验件中心的冲蚀区域，不会遮挡冲蚀位置。夹板10上装有橡胶垫13，能够增加安放试验件时的摩擦力，使放置在上面的试验件在没夹稳之前不至于滑落，以降低安放试验件的难度。所述支架11的内侧面为弧形而形成拍摄空间，以避免遮挡激光面光源的照明与高速摄像机的拍摄。在本实施方式中，所述支架11为两个，对称的设置在夹板10的两侧，且支架11为弯月形。所述支架11上设有若干与夹板的侧面相互固定的固定件，在本实施例中，固定件具体为一个螺栓14，支架11上设有若干开孔15，且该若干开孔15以曲线排列(该曲线对应配合夹板10的转动轨迹)。还设有插入所述开孔15中的螺栓14，所述螺栓14承载夹板10的背面。
以下，将在公开这种拍摄超音速砂粒的试验系统结构的基础上，进一步阐述了使用该试验系统的试验方法的实施例。
本发明的操作步骤是这样的：
(1)、将试验件固定在夹板上；通过绕铰链转动夹板以改变冲击角度；通过实验舱靠近或者远离喷砂枪调节冲蚀距离；
(2)、开启光源，调整光照平面位置与所需拍摄平面重合，此平面为对焦平面；开启高速摄像机，调整高速摄像机的镜头与被拍平面距离并对对焦平面对焦；
(3)、调整高速摄像机的拍摄的画面范围、拍摄帧率、快门时间；调整高速摄像机的镜头光圈大小，使图像达到适当的亮度；开始砂粒冲蚀时触发高速摄像机开始拍摄并得到若干砂粒图像，从而获得砂粒运动轨迹及运动状态。在某一次砂粒冲蚀试验中，采用的拍摄帧率为54000fps、快门时间1.05μs，使用蔡司100mm镜头，光圈f/2.8。效果如图5所示。
在本发明的上述试验方法中：
为了拍摄尺寸较小的超音速运动的砂粒，需要平衡以下几个拍摄参数以取得较好的图像质量：镜头焦距、光圈大小，高速摄像机1的拍摄帧率、分辨率、快门时间、拍摄距离。高速摄像机1是通过每间隔时间t拍摄一张照片来形成一段视频，每颗砂粒在飞行的过程会在一系列照片中留下影像，为保证同一颗砂粒出现的照片数量n，数量n足够大才能反映出砂粒的运动过程。如图3所示，若摄像机的视野长度为L，宽度为W，砂粒速度为V，则拍摄帧率至少为FPS＝Vn/L。
由于存储和数据传输的限制，拍摄帧率直接影响了图像分辨率，拍摄帧率越高分辨率越低。在其他参数不变的情况下，拍摄的视野范围会变小，因此视野长度L、视野宽度W将会适当缩小。另一方面，为了便于观察尺寸较小的砂粒的形态，希望砂粒在照片中所成的像尽可能的大，可采取两种措施。第一种，调整高速摄像机1与砂粒之间的距离，使拍摄的视野范围缩小，在其他条件不变的情况下，砂粒在图像中的像素数量增多，成的像也变大，但镜头有最小对焦距离，小于这个距离则无法对焦。第二种，采用微距镜头或焦距更长的镜头，但放大倍率也不宜过大，导致砂粒在画面中所占比例太大，以至于视野偏小，记录砂粒运动过程照片数量n偏少。
在拍摄帧率很高的情况下，快门时间相应变短，由于砂粒速度很快，若快门时间较长会导致所拍图像中砂粒会形成拖影，从而使砂粒的轮廓很难分辨。相反的，如果快门时间过短，进光量相应变少，导致画面亮度较低，难以分辨清楚砂粒的轮廓。解决此问题采取的方法：第一，增大光圈以增大进光量，过大的光圈则会有较小景深。第二，采用能量足够强的激光面光源7照明，能在短暂的曝光时间内的进光量能够让拍摄的砂粒有足够的亮度，以分辨其轮廓。
而通过上述试验系统进行的对超音速砂粒撞击试验件的拍摄试验，经过验证，可以实现本发明预想的功能。在某一次砂粒冲蚀试验中，采用的拍摄帧率为54000fps、快门时间1.05μs，使用蔡司100mm微距镜头，光圈f/2.8。砂粒粒径为0.5mm，形貌如图4所示，高速摄像机拍摄的图片如图5所示，砂粒轮廓较分明，速度在343.6m/s。
另外，本发明的具体实现方法和途径很多，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (10)
1.一种拍摄超音速砂粒的试验系统，其特征在于：包括实验台、位于实验台上的实验舱、位于实验舱内的试验件夹具、出口面对试验件夹具的喷砂枪、向实验舱内提供光线的光源、位于实验舱侧面并用以拍摄试验件状态的高速摄像机、位于实验舱后方的排砂口；所述实验舱面对高速摄像机的侧面为透明的材质、实验舱的顶部也为透明的材质；
所述试验件夹具包括底座、夹板、位于夹板两侧的支架；所述夹板的底部铰接在底座上，夹板通过铰接改变翻转的角度，所述支架的内侧面为弧形而形成拍摄空间；所述支架上设有若干与夹板的侧面相互固定的固定件。
2.根据权利要求1所述的拍摄超音速砂粒的试验系统，其特征在于：所述支架为两个，对称的设置在夹板的两侧，且支架为弯月形。
3.根据权利要求1所述的拍摄超音速砂粒的试验系统，其特征在于：所述夹板上设有数个用以夹住试验件的螺栓夹垫片。
4.根据权利要求1或2或3所述的拍摄超音速砂粒的试验系统，其特征在于：所述支架上设有若干开孔，且该若干开孔以曲线排列，并还设有插入所述开孔中的螺栓，所述螺栓承载夹板的背面。
5.根据权利要求4所述的拍摄超音速砂粒的试验系统，其特征在于：所述光源为激光面光源或者平面白色光源，光源位于高速摄影相机的对面。
6.根据权利要求1所述的拍摄超音速砂粒的试验系统，其特征在于：所述实验台上设有导轨，实验舱的底部设有与导轨配合的移动部件，所述移动部件在导轨的移动为靠近或者远离喷砂枪。
7.一种使用如权利要求1至5中任一项试验系统的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、将试验件固定在夹板上；通过绕铰链转动夹板以改变冲击角度；通过实验舱靠近或者远离喷砂枪调节冲蚀距离；
(2)、开启光源，调整光照平面位置与所需拍摄平面重合，此平面为对焦平面；开启高速摄像机，调整高速摄像机的镜头与被拍平面距离并对对焦平面对焦；
(3)、调整高速摄像机的拍摄的画面范围、拍摄帧率、快门时间；调整高速摄像机的镜头光圈大小，使图像达到合适的亮度和画面清晰度；开始砂粒冲蚀时触发高速摄像机开始拍摄并得到若干砂粒图像，从而获得砂粒运动轨迹及运动状态。
8.一种夹具，其特征在于：包括底座、夹板、位于夹板两侧的支架；所述夹板的底部铰接在底座上，夹板通过铰接改变翻转的角度，所述支架的内侧面为弧形；所述支架上设有若干与夹板的侧面相互固定的固定件。
9.根据权利要求8所述的夹具，其特征在于：所述夹板表面具有防滑橡胶垫，且开有非对称的长条孔以避开试验件中心的冲蚀区域，通过螺栓夹垫片固定不同大小和形状的试验件；所述支架上设有若干开孔，且该若干开孔以曲线排列，并还设有插入所述开孔中的螺栓，所述螺栓承载夹板的背面。
10.根据权利要求8所述的夹具，其特征在于：所述支架为两个，对称的设置在夹板的两侧，且支架为弯月形。
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