CN111060388B - 材料力学性能多参量原位监测平台及多数据融合分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种材料力学性能多参量原位监测平台及多数据融合分析方法，属于精密科学仪器领域。该平台的支撑定位模块用于对其余各功能模块实现牢固支撑、精密定位与有效隔振；精密旋转定位子模块由电机驱动，实现并行原位监测模块绕被测试样的精密转位；多视角全场应变测量模块包含CCD视觉监测子模块和均匀补光子模块，用于实现被测试样的多视角全场应变测量；并行原位监测模块用于实现试验过程中被测试样多参量同步、同位动态监测。具有集成性好、试验精度高、表征手段多、测试内容丰富等优点，为实验力学领域各类材料、构件以及生物医学领域复杂组织、器官的力学性能及运动、变形行为的可视化测试提供了一种革新性技术手段。
Description
技术领域
本发明涉及精密科学仪器领域，特别涉及材料微观力学行为原位测试领域，尤指一种材料力学性能多参量原位监测平台及多数据融合分析方法。该平台包含多种高分辨率成像设备，并可灵活集成各种力学加载装置及物理场加载装置，为实验力学领域各类材料、构件的微观力学行为以及生物医学领域复杂组织、器官的力学性能及运动、变形行为的可视化测试提供可行测试装置及革新性技术手段。
背景技术
开展材料力学性能原位测试是获取材料变形损伤机制、探究其微观力学行为最直接有效的手段。随着科学技术的不断发展，红外热成像技术、高分辨率光学成像技术、2D/3D-DIC技术、中子衍射技术、X射线同步辐射技术等在材料微观力学性能测试领域得到了愈发广泛的应用，基于多种成像设备同步表征的原位测试技术在实验力学领域各类材料、构件的宏微观力学行为以及生物医学领域复杂组织、器官的力学性能及运动、变形行为的测试中扮演着越来越重要的角色。例如，采用红外热成像技术和X射线同步辐射技术进行同步表征，可快速定位材料内部裂纹位置并直观获取裂纹形貌；采用X射线同步辐射技术和高分辨率光学显微成像技术进行同步表征，可直观获取材料表面形貌和对应的内部微区三维结构；采用2D/3D-DIC技术和红外热成像技术进行同步表征，可直观获取材料应变分布信息及温度分布信息，进而获取材料的热应变信息。目前，国内外众多科研机构，如日本岛津、Deben、Gatan、Kammrath&Weiss等公司，上海交通大学、清华大学、吉林大学等高校在材料原位测试领域开展了大量研究，研发了许多原位测试装置。
中子衍射技术、X射线同步辐射中的射线源需与被测材料试样之间互成周期性连续可变夹角，这要求原位监测平台具备沿试样轴线旋转的自由度；高分辨率光学成像装置如显微镜、高速相机等，与被测材料试样之间实现相对位置需要进行精密调节，这要求原位监测平台具备多自由度精密调节机构；并且，原位成像设备大多价格昂贵，这要求原位监测平台应具有良好的集成性，能够灵活集成多种原位成像设备及力学加载设备，实现“一台多用”。然而，现有的原位监测平台往往只能集成一到两种原位监测设备，多数不具备沿试样轴线旋转的自由度，并且难以实现与力学加载装置的灵活集成。
综上所述，实现多种成像设备同步表征对实验力学领域各类材料、构件的宏微观力学行为以及生物医学领域复杂组织、器官的力学性能及运动、变形行为的测试意义重大，但现有原位监测平台难以集成多种成像设备，实现同步表征。
发明内容
本发明的目的在于提供一种材料力学性能多参量原位监测平台及多数据融合分析方法，解决了现有技术存在的上述问题，填补了行业空白。本发明面向上述重大测试需求，研发了一种材料力学性能多参量原位监测平台，并提出一种多参量并行原位测试方法，为实验力学领域各类材料、构件的宏微观力学行为以及生物医学领域复杂组织、器官的力学性能及运动、变形行为的可视化测试提供可行测试装置及革新性技术手段。该平台由支撑定位模块、精密旋转定位模块、多视角全场应变测量模块和并行原位监测模块组成。其中：支撑定位模块用于对其余各功能模块实现牢固支撑、精密定位与有效隔振；精密旋转定位子模块由电机驱动，实现并行原位监测模块绕被测试样的精密转位；多视角全场应变测量模块包含CCD视觉监测子模块和均匀补光子模块，用于实现被测试样的多视角全场应变测量；并行原位监测模块由二维应变测量子模块、高速成像子模块、红外热成像子模块、连续变倍显微成像子模块组成，用于实现试验过程中被测试样多参量同步、同位动态监测。本发明能够灵活集成各种力学加载装置及物理场加载装置，具有集成性好、试验精度高、表征手段多、测试内容丰富等优点，为实验力学领域各类材料、构件以及生物医学领域复杂组织、器官的力学性能及运动、变形行为的可视化测试提供了一种革新性技术手段。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
材料力学性能多参量原位监测平台，包括支撑定位模块1、精密旋转定位模块2、多视角全场应变测量模块3和并行原位监测模块4，所述支撑定位模块1固定在地面，精密旋转定位模块2分别通过电机座205和支撑座207与撑定位模块1的安装平台105刚性连接；多视角全场应变测量模块3的CCD视觉监测子模块301通过固定环30101与撑定位模块1的上安装板106刚性连接，均匀补光子模块302通过固定块30209与立柱103刚性连接；并行原位监测模块4的二维应变测量子模块401通过调节旋钮Ⅱ30118与支撑环30117刚性连接，高速成像子模块402、红外热成像子模块403和连续变倍显微成像子模块404分别通过固定板Ⅰ40105、固定板Ⅱ40201、固定板Ⅲ40304与精密旋转定位模块2的旋转平台201刚性连接。
所述的支撑定位模块1通过精密隔振基座104下端的地脚螺栓孔与地面刚性连接，实现对其余各功能模块牢固支撑、精密定位与有效隔振；上安装板106与精密隔振基座104的下表面上及安装平台105上均设置有安装定位孔，并且中部均设置有集成孔，在竖直方向、水平方向灵活集成各种力学加载装置及物理场加载装置。
所述的精密旋转定位模块2是：电机座205与安装平台105刚性连接，伺服电机204与减速器203刚性连接，减速器203与电机座205刚性连接，小锥齿轮206通过键与减速器203输出轴配合；支撑座207与安装平台105刚性连接，环形导轨内圈208、环形导轨外圈209与支撑座207刚性连接，滑块210与环形导轨内圈208、环形导轨外圈209配合，并通过螺栓与旋转平台201刚性连接，大锥齿轮202与旋转平台201刚性连接；旋转平台201上设置有沿圆周方向均布的安装定位孔，调节高速成像子模块402、红外热成像子模块403和连续变倍显微成像子模块404之间的相对角度。
所述的多视角全场应变测量模块3包括CCD视觉监测子模块301和均匀补光子模块302，其中CCD视觉监测子模块301的CCD相机Ⅰ30106、CCD相机Ⅱ30107、CCD相机Ⅲ30108、CCD相机Ⅳ30109、CCD相机Ⅴ30110、CCD相机Ⅶ30114、CCD相机Ⅷ30115均通过相机调节装置Ⅰ30104与支撑环30117刚性连接；固定环30101与上安装板106刚性连接，丝杠Ⅰ30102、导柱30119上端均与固定环30101刚性连接；直线轴承30103通过螺钉与支撑环30117刚性连接，直线轴承30103与导柱30119配合实现精密导向，丝杠Ⅰ30102与调节旋钮Ⅰ30105配合实现精密驱动，通过旋转调节旋钮Ⅰ30105实现支撑环30117沿竖直方向精确移动；CCD相机Ⅵ30111通过螺钉与相机调节装置Ⅱ30112刚性连接，相机调节装置Ⅱ30112上端与丝杠Ⅱ30113下端刚性连接，丝杠Ⅱ30113与调节旋钮Ⅱ30118配合，通过旋转调节旋钮Ⅱ30118可实现CCD相机Ⅵ30111沿竖直方向精确移动。
所述的多视角全场应变测量模块3中，CCD相机Ⅰ～Ⅷ30115沿圆周方向均匀布置，相邻CCD相机间的夹角为为45°。
所述的并行原位监测模块4包括二维应变测量子模块401、高速成像子模块402、红外热成像子模块403、连续变倍显微成像子模块404，所述红外热成像子模块403与连续变倍显微成像子模块404呈30°，连续变倍显微成像子模块404与二维应变测量子模块401呈15°，二维应变测量子模块401与高速成像子模块402呈15°，保证测试时并行原位监测模块4中各种成像设备能够对被测试样同一区域进行并行原位观测，且CCD视觉监测子模块301竖直方向移动时与并行原位监测模块4中的各个成像设备在空间上均不发生干涉。
本发明的另一目的在于提供一种多参量并行原位测试方法，当对被测试样进行并行原位测试时，包括如下步骤：
步骤1、安装固定被测试样：
通过力学加载装置的试样夹具或试样夹持装置进行被测试样的安装固定，保证被测试样的被观测区域与并行原位监测模块4中的各个成像子模块处于同一平面；
步骤2、定位原位监测区域：
运行精密旋转定位模块2，调节被测试样的被观测区域大致处于连续变倍体式显微镜40302的视野中心；运行三自由度定位平台40303，实现被测试样与连续变倍体式显微镜40302相对位置的精确调节，确保被测试样的被观测区域A严格处于连续变倍体式显微镜40302的视野中心；运行三自由度定位平台Ⅱ40205，实现被测试样与红外热像仪40204相对位置的精确调节，保证被测试样的被观测区域A1严格处于红外热像仪40204的视野中心，且
运行二自由度定位平台Ⅰ40104，实现被测试样与高速相机40102相对位置的精确调节，确保被测试样的被观测区域A2严格处于高速相机40102的视野中心，且
手动调节相机调节装置Ⅱ30112，实现被测试样与CCD相机Ⅵ30111相对位置的精确调节，确保被测试样的被观测区域A3严格处于CCD相机Ⅵ30111的视野中心，且
通过上述调整，实现对被测试样被观测区域的同位监测，即A∩A1∩A2∩A3＝A；
步骤3、开展并行原位监测：
同步触发并行原位监测模块4中的各个成像设备，即统一原位监测时间起始时刻t，对被测试样的被观测区域开展并行原位监测；通过连续变倍体式显微镜40302实时采集表征被测试样被观测区域形貌随时间空间分布的点阵，定义矩阵函数：
H＝{t,x,y,h(t,x,y)}
其中，t代表时刻，x、y代表点的位置坐标，h(t,x,y)为点(x、y)在时刻t的形貌信息；通过红外热像仪40204实时采集表征被测试样被观测区域的温度随时间空间分布的点阵，定义矩阵函数：
T＝{t,x,y,T(t,x,y)}
其中，t代表时刻，x、y代表点的位置坐标，T(t,x,y)为点(x、y)在时刻t的温度信息；通过高速相机40102实时采集表征被测试样被观测区域的高速成像信息随时间空间分布的点阵，定义矩阵函数：
N＝{t,x,y,n(t,x,y)}
其中，t代表时刻，x、y代表点的位置坐标，n(t,x,y)为点(x、y)在时刻t的高速成像信息；通过CCD相机Ⅵ30111实时采集表征被测试样被观测区域的二维应变随时空分布的点阵，定义矩阵函数：
E＝{t,x,y,ε(t,x,y)}
其中，t代表时刻，x、y代表点的位置坐标，ε(t,x,y)为点(x、y)在时刻t的应变信息；
步骤4、进行数据融合分析：
对于上述四种原位成像设备，由于其采样频率不同，会引起采样时间间隔不同，即时间向量的行数不等；
对于连续变倍体式显微镜(40302)，其对应的时间索引向量为：
对于红外热像仪(40204)，其对应的时间索引向量为：
对于高速相机(40102)，其对应的时间索引向量为：
对于CCD相机Ⅵ(30111)，其对应的时间索引向量为：
其中k1≠k2≠k3≠k4，基于最小公倍数原理，求出不同采样周期t1、t2、t3、t4的最小公倍数tm，得出统一的时间索引向量：
其中，ti代表四种原位成像设备的采样周期，k代表最小采样周期数据在统一时间索引下的最大个数。
令四种原位成像设备所获取的图像数据位于一个统一的像素坐标系中，且在该坐标系中，四种原位图像数据重合区域(后简称融合区)的起始点坐标为(xDOI,yDOI)。
对于连续变倍体式显微镜(40302)，融合区所对应的矩阵函数为：
HDOI＝{tU,(xDOI+i1),(yDOI+j1),h(tU,(xDOI+i1),(yDOI+j1))}
对于红外热像仪(40204)，融合区所对应的矩阵函数为：
TDOI＝{tU,(xDOI+i2),(yDOI+j2),T(tU,(xDOI+i2),(yDOI+j2))}
对于高速相机(40102)，融合区所对应的矩阵函数为：
NDOI＝{tU,(xDOI+i3),(yDOI+j3),n(tU,(xDOI+i3),(yDOI+j3))}
对于CCD相机Ⅵ(30111)，融合区所对应的矩阵函数为：
EDOI＝{tU,(xDOI+i4),(yDOI+j4),ε(tU,(xDOI+i4),(yDOI+j4))}
其中，(xDOI+i1,yDOI+j1)代表融合区起始点在连续变倍体式显微镜(40302)像素坐标系中的坐标,(xDOI+i2,yDOI+j2)代表融合区起始点在红外热像仪(40204)像素坐标系中的坐标,(xDOI+i3,yDOI+j3)代表融合区起始点在高速相机(40102)像素坐标系中的坐标,(xDOI+i4,yDOI+j4)代表融合区起始点在CCD相机Ⅵ(30111)像素坐标系中的坐标。
根据上述时空坐标统一的结果，建立融合分析矩阵函数F:
F＝{tU,xDOI,yDOI,HDOI,NDOI,TDOI,EDOI}
本发明的有益效果在于：
1、高度模块化设计；本发明包含支撑定位模块、精密旋转定位模块、多视角全场应变测量模块和并行原位监测模块，其中多视角全场应变测量模块包括CCD视觉监测子模块和均匀补光子模块，并行原位监测模块包含二维应变测量子模块、高速成像子模块、红外热成像子模块、连续变倍显微成像子模块。本发明整体高度模块化、标准化，便于安装调试及后期维护。
2、测试功能丰富；本发明能够实现多视角全场应变测量功能、高速成像功能、显微成像功能、红外热成像功能等，并且能够实现单一原位监测功能及多重原位监测设备并行监测功能，对实验力学领域各类材料、构件的宏微观力学行为以及生物医学领域复杂组织、器官的力学性能及运动、变形行为的实现高分辨率可视化原位测试。
3、集成性良好；本发明上安装板与精密隔振基座的下表面上及安装平台上均设置有安装定位孔，并且中部均设置有较大集成孔，可在竖直方向、水平方向等灵活集成各种力学加载装置及物理场加载装置。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体外观结构示意图；
图2为本发明的支撑定位模块结构示意图；
图3为本发明的精密旋转定位模块整体结构示意图；
图4为本发明的精密旋转定位模块内部结构示意图；
图5为本发明的多视角全场应变测量模块结构示意图；
图6为本发明的CCD视觉监测子模块结构示意图；
图7为本发明的均匀补光子模块结构示意图；
图8为本发明的多视角全场应变测量成像示意图；
图9为本发明的并行原位监测模块结构示意图；
图10为本发明的高速成像子模块、红外热成像子模块、连续变倍显微成像子模块结构示意图；
图11为本发明的并行原位监测成像光路图；
图12为本发明的多视角全场应变测量模块及并行原位监测模块空间位置示意图；
图13为本发明的多参量数据融合分析示意图。
图中：1、支撑定位模块；2、精密旋转定位模块；3、多视角全场应变测量模块；4、并行原位监测模块；101、吊环螺钉；102、锁紧螺母；103、立柱；104、精密隔振基座；105、安装平台；106、上安装板；201、旋转平台；202、大锥齿轮；203、减速器；204、伺服电机；205、电机座；206、小锥齿轮；207、支撑座；208、环形导轨内圈；209、环形导轨外圈；210、滑块；301、CCD视觉监测子模块；302、均匀补光子模块；30101、固定环；30102、丝杠Ⅰ；30103、直线轴承；30104、相机调节装置Ⅰ；30105、调节旋钮Ⅰ；30106、CCD相机Ⅰ；30107、CCD相机Ⅱ；30108、CCD相机Ⅲ；30109、CCD相机Ⅳ；30110、CCD相机Ⅴ；30111、CCD相机Ⅵ；30112、相机调节装置Ⅱ；30113、丝杠Ⅱ；30114、CCD相机Ⅶ；30115、CCD相机Ⅷ；30117、支撑环；30118、调节旋钮Ⅱ；30119、导柱；30201、补光灯组件Ⅰ；30202、补光灯组件Ⅱ；30203、补光灯组件Ⅲ；30204、补光灯组件Ⅳ；30205、补光灯组件Ⅴ；30206、补光灯组件Ⅵ；30207、补光灯组件Ⅶ；30208、补光灯组件Ⅷ；30209、固定块；401、二维应变测量子模块；402、高速成像子模块；403、红外热成像子模块；404、连续变倍显微成像子模块；40101、中间连接板；40102、高速相机；40103、连接板Ⅰ；40104、二自由度定位平台Ⅰ；40105、固定板Ⅰ；40201、固定板Ⅱ；40202、二自由度定位平台Ⅱ；40203、连接板Ⅱ；40204、红外热像仪；40205、三自由度定位平台Ⅱ；40301、连接板Ⅲ；40302、连续变倍体式显微镜；40303、三自由度定位平台；40304、固定板Ⅲ。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图12所示，本发明的材料力学性能多参量原位监测平台及多数据融合分析方法，该平台由支撑定位模块、精密旋转定位模块、多视角全场应变测量模块和并行原位监测模块组成。其中：支撑定位模块用于对其余各功能模块实现牢固支撑、精密定位与有效隔振；精密旋转定位子模块由电机驱动，实现并行原位监测模块绕被测试样的精密转位；多视角全场应变测量模块包含CCD视觉监测子模块和均匀补光子模块，用于实现被测试样的多视角全场应变测量；并行原位监测模块由二维应变测量子模块、高速成像子模块、红外热成像子模块、连续变倍显微成像子模块组成，用于实现试验过程中被测试样多参量同步、同位动态监测。本发明能够灵活集成各种力学加载装置及物理场加载装置，具有集成性好、试验精度高、表征手段多、测试内容丰富等优点，为实验力学领域各类材料、构件以及生物医学领域复杂组织、器官的力学性能及运动、变形行为的可视化测试提供了一种革新性技术手段。
本发明的材料力学性能多参量原位监测平台包括支撑定位模块1、精密旋转定位模块2、多视角全场应变测量模块3和并行原位监测模块4，所述支撑定位模块1固定在地面，精密旋转定位模块2分别通过电机座205和支撑座207与撑定位模块1的安装平台105刚性连接；多视角全场应变测量模块3的CCD视觉监测子模块301通过固定环30101与撑定位模块1的上安装板106刚性连接，均匀补光子模块302通过固定块30209与立柱103刚性连接；并行原位监测模块4的二维应变测量子模块401通过调节旋钮Ⅱ30118与支撑环30117刚性连接，高速成像子模块402、红外热成像子模块403和连续变倍显微成像子模块404分别通过固定板Ⅰ40105、固定板Ⅱ40201、固定板Ⅲ40304与精密旋转定位模块2的旋转平台201刚性连接。
参见图2所示，所述的支撑定位模块1包括吊环螺钉101、锁紧螺母102、立柱103、精密隔振基座104、安装平台105和上安装板106，其中精密隔振基座104通过下端的地脚螺栓孔与地基进行刚性连接，安装平台105通过螺钉与精密隔振基座104刚性连接，立柱103通过其下端的螺纹与精密隔振基座104刚性连接，立柱103上端面与上安装板106下表面配合，并通过锁紧螺母102锁紧实现刚性连接，吊环螺钉101固定在上安装板106的螺纹孔中。支撑定位模块1整体为四立柱式结构，实现对其余各功能模块牢固支撑、精密定位与有效隔振。上安装板106与精密隔振基座104的下表面上及安装平台105上均设置有安装定位孔，并且中部均设置有较大集成孔，可在竖直方向、水平方向等灵活集成各种力学加载装置及物理场加载装置。
参见图3及图4所示，所述的精密旋转定位模块2包括旋转平台201、大锥齿轮202、减速器203、伺服电机204、电机座205、小锥齿轮206、支撑座207、环形导轨内圈208、环形导轨外圈209和滑块210，其中电机座205通过螺栓与安装平台105刚性连接，伺服电机204通过螺栓与减速器203刚性连接，减速器203通过螺栓与电机座205刚性连接，小锥齿轮206通过键与减速器203输出轴配合；支撑座207通过螺栓与安装平台105刚性连接，环形导轨内圈208、环形导轨外圈209通过螺栓与支撑座207刚性连接，滑块210与环形导轨内圈208、环形导轨外圈209配合，并通过螺栓与旋转平台201刚性连接，大锥齿轮202通过螺栓与旋转平台201刚性连接；旋转平台201上设置有沿圆周方向均布的安装定位孔，可灵活调节高速成像子模块402、红外热成像子模块403和连续变倍显微成像子模块404之间的相对角度，以适应不同形状、尺寸的被测试样，并可灵活集成其他原位监测设备，实现功能拓展。
参见图5至图7所示，所述的多视角全场应变测量模块3包括CCD视觉监测子模块301和均匀补光子模块302，其中CCD视觉监测子模块301的包含固定环30101、丝杠Ⅰ30102、直线轴承30103、相机调节装置Ⅰ30104、调节旋钮Ⅰ30105、CCD相机Ⅰ30106、CCD相机Ⅱ30107、CCD相机Ⅲ30108、CCD相机Ⅳ30109、CCD相机Ⅴ30110、CCD相机Ⅵ30111、相机调节装置Ⅱ30112、丝杠Ⅱ30113、CCD相机Ⅶ30114、CCD相机Ⅷ30115、支撑环30117、调节旋钮Ⅱ30118、导柱30119，所述CCD相机Ⅰ30106、CCD相机Ⅱ30107、CCD相机Ⅲ30108、CCD相机Ⅳ30109、CCD相机Ⅴ30110、CCD相机Ⅶ30114、CCD相机Ⅷ30115均通过与相机调节装置Ⅰ30104刚性连接，相机调节装置Ⅰ30104通过螺钉与支撑环30117刚性连接；固定环30101通过螺钉与上安装板106刚性连接，丝杠Ⅰ30102、导柱30119上端均通过螺纹与固定环30101刚性连接；直线轴承30103通过螺钉与支撑环30117刚性连接，直线轴承30103与导柱30119配合实现精密导向，丝杠Ⅰ30102与调节旋钮Ⅰ30105配合实现精密驱动，通过旋转调节旋钮Ⅰ30105可实现支撑环30117沿竖直方向精确移动；CCD相机Ⅵ30111通过螺钉与相机调节装置Ⅱ30112刚性连接，相机调节装置Ⅱ30112上端通过螺纹与丝杠Ⅱ30113下端刚性连接，丝杠Ⅱ30113与调节旋钮Ⅱ30118配合，通过旋转调节旋钮Ⅱ30118可实现CCD相机Ⅵ30111沿竖直方向精确移动。
均匀补光子模块302用于实现对被测试样的均匀补光，由补光灯组件Ⅰ30201、补光灯组件Ⅱ30202、补光灯组件Ⅲ30203、补光灯组件Ⅳ、30204、补光灯组件Ⅴ30205、补光灯组件Ⅵ30206、补光灯组件Ⅶ30207、补光灯组件Ⅷ30208、固定块30209组成，补光灯组件Ⅰ30201、补光灯组件Ⅱ30202、补光灯组件Ⅲ30203、补光灯组件Ⅳ、30204、补光灯组件Ⅴ30205、补光灯组件Ⅵ30206、补光灯组件Ⅶ30207、补光灯组件Ⅷ30208均通过螺钉与固定块30209刚性连接，固定块30209与立柱103配合，并通过螺钉紧固，实现刚性连接。
参见图8所示，CCD视觉监测子模块301中主要包含8个CCD相机，分别为：CCD相机Ⅰ30106、CCD相机Ⅱ30107、CCD相机Ⅲ30108、CCD相机Ⅳ30109、CCD相机Ⅴ30110、CCD相机Ⅵ30111、CCD相机Ⅶ30114、CCD相机Ⅷ30115；均匀补光子模块302中主要包含8个补光灯组件，分别为：补光灯组件Ⅰ30201、补光灯组件Ⅱ30202、补光灯组件Ⅲ30203、补光灯组件Ⅳ30204、补光灯组件Ⅴ30205、补光灯组件Ⅵ30206、补光灯组件Ⅶ30207、补光灯组件Ⅷ30208。其中，每相邻CCD相机之间的夹角均为45°，且补光灯组件Ⅰ30201、补光灯组件Ⅱ30202分别与CCD相机Ⅴ30110、CCD相机Ⅶ30114呈15°，补光灯组件Ⅲ30203、补光灯组件Ⅳ30204分别与CCD相机Ⅵ30111、CCD相机Ⅷ30115呈15°，补光灯组件Ⅶ30207、补光灯组件Ⅷ30208分别与CCD相机Ⅱ30107、CCD相机Ⅳ30109呈15°，补光灯组件Ⅴ30205、补光灯组件Ⅵ30206分别与CCD相机Ⅰ30106、CCD相机Ⅲ30108呈15°，保证补光灯产生的强光对CCD相机成像光路不产生干扰。
参见图9及图10所示，所述的并行原位监测模块4包括二维应变测量子模块401、高速成像子模块402、红外热成像子模块403、连续变倍显微成像子模块404，其中高速成像子模块402由中间连接板40101、高速相机40102、连接板Ⅰ40103、二自由度定位平台Ⅰ40104、固定板Ⅰ40105组成，中间连接板40101通过螺钉与二自由度定位平台Ⅰ40104刚性连接，连接板Ⅰ40103通过螺钉与中间连接板40101刚性连接，高速相机40102通过螺钉与连接板Ⅰ40103刚性连接，高速成像子模块402用于实现对被测试样动态裂纹信息、高速变形信息等的原位监测；红外热成像子模块403由固定板Ⅱ40201、二自由度定位平台Ⅱ40202、连接板Ⅱ40203、红外热像仪40204、二自由度定位平台Ⅱ40205组成，二自由度定位平台Ⅱ40202通过螺钉与二自由度定位平台Ⅱ40205刚性连接，连接板Ⅱ40203通过螺钉与二自由度定位平台Ⅱ40202刚性连接，红外热像仪40204通过螺钉与连接板Ⅱ40203刚性连接，红外热成像子模块403用于实现对被测试样温度分布信息的原位监测；连续变倍显微成像子模块404由连接板Ⅲ40301、连续变倍体式显微镜40302、三自由度定位平台40303、固定板Ⅲ40304组成，连接板Ⅲ40301通过螺钉与三自由度定位平台40303刚性连接，连续变倍体式显微镜40302通过螺钉与连接板Ⅲ40301刚性连接，连续变倍显微成像子模块404用于实现对被测试样表面微观形貌的高分辨率表征。
参见图11及图12所示，多视角全场应变测量模块3中，CCD相机Ⅰ30106、CCD相机Ⅱ30107、CCD相机Ⅲ30108、CCD相机Ⅳ30109、CCD相机Ⅴ30110、CCD相机Ⅵ30111、CCD相机Ⅶ30114、CCD相机Ⅷ30115沿圆周方向均匀布置，相邻CCD相机间的夹角为为45°；并行原位监测模块4中，红外热成像子模块403与连续变倍显微成像子模块404呈30°，连续变倍显微成像子模块404与二维应变测量子模块401呈15°，二维应变测量子模块401与高速成像子模块402呈15°，保证测试时并行原位监测模块4中各种成像设备能够对被测试样同一区域进行并行原位观测，且CCD视觉监测子模块301竖直方向移动时与并行原位监测模块4中的各个成像设备在空间上均不发生干涉。
参见图13所示，本发明的多参量并行原位测试方法，当对被测试样进行并行原位测试时，包括如下步骤：
步骤1：安装固定被测试样；通过力学加载装置(外部装置)的试样夹具或专用的试样夹持装置(外部装置)进行被测试样的安装固定，保证被测试样的被观测区域与并行原位监测模块4中的各个成像子模块处于同一平面；
步骤2：定位原位监测区域；运行精密旋转定位模块2，调节被测试样的被观测区域大致处于连续变倍体式显微镜40302的视野中心；运行三自由度定位平台40303，实现被测试样与连续变倍体式显微镜40302相对位置的精确调节，确保被测试样的被观测区域(记为A)严格处于连续变倍体式显微镜40302的视野中心；运行三自由度定位平台Ⅱ40205，实现被测试样与红外热像仪4020)相对位置的精确调节，保证被测试样的被观测区域(记为A1)严格处于红外热像仪40204的视野中心，且
运行二自由度定位平台Ⅰ40104，实现被测试样与高速相机40102相对位置的精确调节，确保被测试样的被观测区域(记为A2)严格处于高速相机40102的视野中心，且
手动调节相机调节装置Ⅱ30112，实现被测试样与CCD相机Ⅵ30111相对位置的精确调节，确保被测试样的被观测区域(记为A3)严格处于CCD相机Ⅵ30111的视野中心，且
通过上述调整，实现对被测试样被观测区域的同位监测，即A∩A1∩A2∩A3＝A；
步骤3：开展并行原位监测；同步触发并行原位监测模块4中的各个成像设备(即统一原位监测时间起始时刻t)，对被测试样的被观测区域开展并行原位监测；通过连续变倍体式显微镜40302实时采集表征被测试样被观测区域形貌随时间空间分布的点阵，定义矩阵函数：
H＝{t,x,y,h(t,x,y)}
其中，t代表时刻，x、y代表点的位置坐标，h(t,x,y)为点(x、y)在时刻t的形貌信息；通过红外热像仪40204实时采集表征被测试样被观测区域的温度随时间空间分布的点阵，定义矩阵函数：
T＝{t,x,y,T(t,x,y)}
其中，t代表时刻，x、y代表点的位置坐标，T(t,x,y)为点(x、y)在时刻t的温度信息；通过高速相机40102实时采集表征被测试样被观测区域的高速成像信息随时间空间分布的点阵，定义矩阵函数：
N＝{t,x,y,n(t,x,y)}
其中，t代表时刻，x、y代表点的位置坐标，n(t,x,y)为点(x、y)在时刻t的高速成像信息；通过CCD相机Ⅵ30111实时采集表征被测试样被观测区域的二维应变随时空分布的点阵，定义矩阵函数：
E＝{t,x,y,ε(t,x,y)}
其中，t代表时刻，x、y代表点的位置坐标，ε(t,x,y)为点(x、y)在时刻t的应变信息；
步骤4：进行数据融合分析；对于上述四种原位成像设备，由于其采样频率不同，会引起采样时间间隔不同，即时间向量的行数不等；
对于连续变倍体式显微镜(40302)，其对应的时间索引向量为：
对于红外热像仪(40204)，其对应的时间索引向量为：
对于高速相机(40102)，其对应的时间索引向量为：
对于CCD相机Ⅵ(30111)，其对应的时间索引向量为：
其中k1≠k2≠k3≠k4，基于最小公倍数原理，求出不同采样周期t1、t2、t3、t4的最小公倍数tm，得出统一的时间索引向量：
其中，ti代表四种原位成像设备的采样周期，k代表最小采样周期数据在统一时间索引下的最大个数。
令四种原位成像设备所获取的图像数据位于一个统一的像素坐标系中，且在该坐标系中，四种原位图像数据重合区域(后简称融合区)的起始点坐标为(xDOI,yDOI)。
对于连续变倍体式显微镜(40302)，融合区所对应的矩阵函数为：
HDOI＝{tU,(xDOI+i1),(yDOI+j1),h(tU,(xDOI+i1),(yDOI+j1))}
对于红外热像仪(40204)，融合区所对应的矩阵函数为：
TDOI＝{tU,(xDOI+i2),(yDOI+j2),T(tU,(xDOI+i2),(yDOI+j2))}
对于高速相机(40102)，融合区所对应的矩阵函数为：
NDOI＝{tU,(xDOI+i3),(yDOI+j3),n(tU,(xDOI+i3),(yDOI+j3))}
对于CCD相机Ⅵ(30111)，融合区所对应的矩阵函数为：
EDOI＝{tU,(xDOI+i4),(yDOI+j4),ε(tU,(xDOI+i4),(yDOI+j4))}
其中，(xDOI+i1,yDOI+j1)代表融合区起始点在连续变倍体式显微镜(40302)像素坐标系中的坐标,(xDOI+i2,yDOI+j2)代表融合区起始点在红外热像仪(40204)像素坐标系中的坐标,(xDOI+i3,yDOI+j3)代表融合区起始点在高速相机(40102)像素坐标系中的坐标,(xDOI+i4,yDOI+j4)代表融合区起始点在CCD相机Ⅵ(30111)像素坐标系中的坐标。
根据上述时空坐标统一的结果，建立融合分析矩阵函数F:
F＝{tU,xDOI,yDOI,HDOI,NDOI,TDOI,EDOI}
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种材料力学性能多参量原位监测平台，其特征在于：包括支撑定位模块(1)、精密旋转定位模块(2)、多视角全场应变测量模块(3)和并行原位监测模块(4)，所述多视角全场应变测量模块(3)包括CCD视觉监测子模块(301)和均匀补光子模块(302)，所述并行原位监测模块(4)包括二维应变测量子模块(401)、高速成像子模块(402)、红外热成像子模块(403)、连续变倍显微成像子模块(404)；
所述支撑定位模块(1)固定在地面，精密旋转定位模块(2)分别通过电机座(205)和支撑座(207)与支撑定位模块(1)的安装平台(105)刚性连接；多视角全场应变测量模块(3)的CCD视觉监测子模块(301)通过固定环(30101)与支撑定位模块(1)的上安装板(106)刚性连接，均匀补光子模块(302)通过固定块(30209)与支撑定位模块(1)的立柱(103)刚性连接；并行原位监测模块(4)的二维应变测量子模块(401)通过调节旋钮Ⅱ(30118)与支撑环(30117)刚性连接，高速成像子模块(402)、红外热成像子模块(403)和连续变倍显微成像子模块(404)分别通过固定板Ⅰ(40105)、固定板Ⅱ(40201)、固定板Ⅲ(40304)与精密旋转定位模块(2)的旋转平台(201)刚性连接；
所述的精密旋转定位模块(2)是：电机座(205)与安装平台(105)刚性连接，伺服电机(204)与减速器(203)刚性连接，减速器(203)与电机座(205)刚性连接，小锥齿轮(206)通过键与减速器(203)输出轴配合；支撑座(207)与安装平台(105)刚性连接，环形导轨内圈(208)、环形导轨外圈(209)与支撑座(207)刚性连接，滑块(210)与环形导轨内圈(208)、环形导轨外圈(209)配合，并通过螺栓与旋转平台(201)刚性连接，大锥齿轮(202)与旋转平台(201)刚性连接；旋转平台(201)上设置有沿圆周方向均布的安装定位孔，调节高速成像子模块(402)、红外热成像子模块(403)和连续变倍显微成像子模块(404)之间的相对角度。
2.根据权利要求1所述的材料力学性能多参量原位监测平台，其特征在于：所述的支撑定位模块(1)通过精密隔振基座(104)下端的地脚螺栓孔与地面刚性连接，实现对其余各功能模块牢固支撑、精密定位与有效隔振；上安装板(106)与精密隔振基座(104)的下表面上及安装平台(105)上均设置有安装定位孔，并且中部均设置有集成孔，在竖直方向、水平方向灵活集成各种力学加载装置及物理场加载装置。
3.根据权利要求1所述的材料力学性能多参量原位监测平台，其特征在于：所述的多视角全场应变测量模块(3)的CCD视觉监测子模块(301)的CCD相机Ⅰ(30106)、CCD相机Ⅱ(30107)、CCD相机Ⅲ(30108)、CCD相机Ⅳ(30109)、CCD相机Ⅴ(30110)、CCD相机Ⅶ(30114)、CCD相机Ⅷ(30115)均通过相机调节装置Ⅰ(30104)与支撑环(30117)刚性连接；固定环(30101)与上安装板(106)刚性连接，丝杠Ⅰ(30102)、导柱(30119)上端均与固定环(30101)刚性连接；直线轴承(30103)通过螺钉与支撑环(30117)刚性连接，直线轴承(30103)与导柱(30119)配合实现精密导向，丝杠Ⅰ(30102)与调节旋钮Ⅰ(30105)配合实现精密驱动，通过旋转调节旋钮Ⅰ(30105)实现支撑环(30117)沿竖直方向精确移动；CCD相机Ⅵ(30111)通过螺钉与相机调节装置Ⅱ(30112)刚性连接，相机调节装置Ⅱ(30112)上端与丝杠Ⅱ(30113)下端刚性连接，丝杠Ⅱ(30113)与调节旋钮Ⅱ(30118)配合，通过旋转调节旋钮Ⅱ(30118)实现CCD相机Ⅵ(30111)沿竖直方向精确移动。
4.根据权利要求3所述的材料力学性能多参量原位监测平台，其特征在于：所述的多视角全场应变测量模块(3)中，CCD相机Ⅰ～Ⅷ(30115)沿圆周方向均匀布置，相邻CCD相机间的夹角为45°。
5.根据权利要求1所述的材料力学性能多参量原位监测平台，其特征在于：所述的并行原位监测模块(4)的红外热成像子模块(403)与连续变倍显微成像子模块(404)呈30°，连续变倍显微成像子模块(404)与二维应变测量子模块(401)呈15°，二维应变测量子模块(401)与高速成像子模块(402)呈15°，保证测试时并行原位监测模块(4)中各子模块能够对被测试样同一区域进行并行原位观测，且CCD视觉监测子模块(301)竖直方向移动时与并行原位监测模块(4)中的各子模块在空间上均不发生干涉。
6.一种利用权利要求1-5任一项所述的材料力学性能多参量原位监测平台实现的多数据融合分析方法，其特征在于：当对被测试样进行并行原位测试时，包括如下步骤：
步骤1、安装固定被测试样：
通过力学加载装置的试样夹具或试样夹持装置进行被测试样的安装固定，保证被测试样的被观测区域与并行原位监测模块(4)中的各个成像子模块处于同一平面；
所述的并行原位监测模块(4)包括二维应变测量子模块(401)、高速成像子模块(402)、红外热成像子模块(403)、连续变倍显微成像子模块(404)，其中高速成像子模块(402)是：中间连接板(40101)与二自由度定位平台Ⅰ(40104)刚性连接，连接板Ⅰ(40103)与中间连接板(40101)刚性连接，高速相机(40102)与连接板Ⅰ(40103)刚性连接，高速成像子模块(402)实现对被测试样动态裂纹信息、高速变形信息的原位监测；所述红外热成像子模块(403)是：二自由度定位平台Ⅱ(40202)与三自由度定位平台Ⅱ(40205)刚性连接，连接板Ⅱ(40203)与二自由度定位平台Ⅱ(40202)刚性连接，红外热像仪(40204)与连接板Ⅱ(40203)刚性连接，红外热成像子模块(403)实现对被测试样温度分布信息的原位监测；所述连续变倍显微成像子模块(404)是：连接板Ⅲ(40301)与三自由度定位平台(40303)刚性连接，连续变倍体式显微镜(40302)与连接板Ⅲ(40301)刚性连接，连续变倍显微成像子模块(404)实现对被测试样表面微观形貌的高分辨率表征；
步骤2、定位原位监测区域：
运行精密旋转定位模块(2)，调节被测试样的被观测区域大致处于连续变倍体式显微镜(40302)的视野中心；运行三自由度定位平台(40303)，实现被测试样与连续变倍体式显微镜(40302)相对位置的精确调节，确保被测试样的被观测区域A严格处于连续变倍体式显微镜(40302)的视野中心；运行三自由度定位平台Ⅱ(40205)，实现被测试样与红外热像仪(40204)相对位置的精确调节，保证被测试样的被观测区域A1严格处于红外热像仪(40204)的视野中心，且
运行二自由度定位平台Ⅰ(40104)，实现被测试样与高速相机(40102)相对位置的精确调节，确保被测试样的被观测区域A2严格处于高速相机(40102)的视野中心，且
手动调节相机调节装置Ⅱ(30112)，实现被测试样与CCD相机Ⅵ(30111)相对位置的精确调节，确保被测试样的被观测区域A3严格处于CCD相机Ⅵ(30111)的视野中心，且
通过上述调整，实现对被测试样被观测区域的同位监测，即A∩A1∩A2∩A3＝A；
步骤3、开展并行原位监测：
同步触发并行原位监测模块(4)中的各个成像设备，即统一原位监测时间起始时刻t，对被测试样的被观测区域开展并行原位监测；通过连续变倍体式显微镜(40302)实时采集表征被测试样被观测区域形貌随时间空间分布的点阵，定义矩阵函数：
H＝{t,x,y,h(t,x,y)}
其中，t代表时刻，x、y代表点的位置坐标，h(t,x,y)为点(x、y)在时刻t的形貌信息；通过红外热像仪(40204)实时采集表征被测试样被观测区域的温度随时间空间分布的点阵，定义矩阵函数：
T＝{t,x,y,T(t,x,y)}
其中，t代表时刻，x、y代表点的位置坐标，T(t,x,y)为点(x、y)在时刻t的温度信息；通过高速相机(40102)实时采集表征被测试样被观测区域的高速成像信息随时间空间分布的点阵，定义矩阵函数：
N＝{t,x,y,n(t,x,y)}
其中，t代表时刻，x、y代表点的位置坐标，n(t,x,y)为点(x、y)在时刻t的高速成像信息；通过CCD相机Ⅵ(30111)实时采集表征被测试样被观测区域的二维应变随时空分布的点阵，定义矩阵函数：
E＝{t,x,y,ε(t,x,y)}
其中，t代表时刻，x、y代表点的位置坐标，ε(t,x,y)为点(x、y)在时刻t的应变信息；
步骤4、进行数据融合分析：
对于上述四种原位成像设备，由于其采样频率不同，会引起采样时间间隔不同，即时间向量的行数不等；
对于连续变倍体式显微镜(40302)，其对应的时间索引向量为：
对于红外热像仪(40204)，其对应的时间索引向量为：
对于高速相机(40102)，其对应的时间索引向量为：
对于CCD相机Ⅵ(30111)，其对应的时间索引向量为：
其中k1≠k2≠k3≠k4，基于最小公倍数原理，求出不同采样周期t1、t2、t3、t4的最小公倍数tm，得出统一的时间索引向量：
其中，ti代表四种原位成像设备的采样周期，k代表最小采样周期数据在统一时间索引下的最大个数；
令四种原位成像设备所获取的图像数据位于一个统一的像素坐标系中，且在该坐标系中，四种原位图像数据重合区域，即融合区的起始点坐标为xDOI,yDOI；
对于连续变倍体式显微镜(40302)，融合区所对应的矩阵函数为：
HDOI＝{tU,(xDOI+i1),(yDOI+j1),h(tU,(xDOI+i1),(yDOI+j1))}
对于红外热像仪(40204)，融合区所对应的矩阵函数为：
TDOI＝{tU,(xDOI+i2),(yDOI+j2),T(tU,(xDOI+i2),(yDOI+j2))}
对于高速相机(40102)，融合区所对应的矩阵函数为：
NDOI＝{tU,(xDOI+i3),(yDOI+j3),n(tU,(xDOI+i3),(yDOI+j3))}
对于CCD相机Ⅵ(30111)，融合区所对应的矩阵函数为：
E DOI＝{tU,(xDOI+i4),(yDOI+j4),ε(tU,(xDOI+i4),(yDOI+j4))}
其中，(xDOI+i1,yDOI+j1)代表融合区起始点在连续变倍体式显微镜(40302)像素坐标系中的坐标,(xDOI+i2,yDOI+j2)代表融合区起始点在红外热像仪(40204)像素坐标系中的坐标,(xDOI+i3,yDOI+j3)代表融合区起始点在高速相机(40102)像素坐标系中的坐标,(xDOI+i4,yDOI+j4)代表融合区起始点在CCD相机Ⅵ(30111)像素坐标系中的坐标；
根据上述时空坐标统一的结果，建立融合分析矩阵函数F:
F＝{tU,xDOI,yDOI,HDOI,NDOI,TDOI,EDOI}。
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