CN111504215A - 一种基于激光散斑dic法的聚变堆偏滤器靶板应变测量系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于激光散斑数字图像相关(DIC)法的聚变堆偏滤器靶板应变测量系统及方法，包括激光器、激光扩束准直系统、第一、第二带通滤波光学系统、第一、第二CCD成像系统、计算机图像处理系统、偏滤器靶板试件、聚变堆装置和装置窗口。所述激光器通过激光扩束准直系统和装置窗口照射至偏滤器靶板表面生成激光散斑，所述第一、第二CCD成像系统对经第一、第二带通滤波光学系统滤光后的激光散斑进行成像，所述计算机图像处理系统采集散斑参考图像和形变图像，采用DIC法计算得出偏滤器靶板应变。该发明结构简易，耐高温、抗震性能好、能够实现偏滤器靶板表面形变和位移的在线、高精度、全场测量。
Description
技术领域
本发明涉及托卡马克装置偏滤器靶板应变的光学非接触式诊断的技术领域，尤其涉及一种基于激光散斑DIC法的聚变堆偏滤器靶板应变测量系统和方法。
背景技术
偏滤器作为托卡马克装置中最重要的部件之一，其靶板作为直接面向等离子体的第一壁，时常要经受极高的瞬态热负荷，因此偏滤器靶板的可靠性对装置安全、成功运行至关重要。很多研究机构都将偏滤器靶板在高约束模式运行中的温度和结构响应行为作为重要的研究方向。现有的偏滤器靶板应变诊断技术主要是电阻应变片、FBG应变计等接触式测量方法。接触式测量方法通常需要在靶板材料上布设测试点，虽然局部测量精度高，但很难适应高温、强电磁场的极端运行环境，而且接触式测量方法对托卡马克装置来说，不可避免地给芯堆内部的运行环境引入干扰和外界污染，这使得偏滤器靶板应变的在线诊断非常困难。现有的非接触式偏滤器靶板应变测量技术主要有激光散斑干涉技术、X射线衍射技术等，但这些测量方法抗震效果较差，通常只能在实验平台上搭建无法满足在线检测的需求。普通的数字图像相关法通常需要人工制斑，应用于高温环境时散斑与基材容易发生热失配产生脱落、汽化，不但可能给堆内引入杂质，而且大大降低了检测的可靠性。
发明内容
本发明的目的是针对托卡马克装置偏滤器靶板高温应变的全场、非接触式、非入侵性、在线诊断需求，提出了一种基于激光散斑DIC法的聚变堆偏滤器靶板应变测量系统和方法。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，一种基于激光散斑DIC法的聚变堆偏滤器靶板应变测量系统，包括激光器、激光扩束准直系统、第一、第二带通滤波光学系统、第一、第二CCD成像系统、计算机图像处理系统、偏滤器靶板试件、聚变堆装置和装置窗口；所述激光器通过激光扩束准直系统和装置窗口照射至偏滤器靶板表面生成激光散斑，所述第一、第二CCD成像系统对经第一、第二带通滤波光学系统滤光后的激光散斑进行成像，所述计算机图像处理系统采集散斑参考图像和形变图像，采用DIC法计算得出偏滤器靶板应变。
作为上述方案的进一步改进，所述激光器为单波长、长相干激光器，可以是固态激光器、半导体激光器、气体激光器。
进一步地，所述激光扩束准直系统用以将激光束扩大为束斑较大的平行光束。
再进一步地，所述第一、第二CCD成像系统带多个放大倍数的长焦显微镜头，同一系统可以是单部也可以是多部CCD，架设多部CCD相机可同时检测靶板面内位移和离面位移。
再进一步地，所述第一、第二带通滤波光学系统，其透光波段与激光器波长相对应，同时避开靶板热辐射光谱能量密度曲线的峰值波段。
再进一步地，所述偏滤器靶板表面预制作随机微纳结构，以增加表面粗糙度提高散斑图像的灰度梯度，靶板表面可以采用微加工工艺、激光打标、机械打磨方式生成随机微结构。
进一步地，一种基于激光散斑DIC法的聚变堆偏滤器靶板在线、非接触式应变测量方法，包括如下步骤：
(1)偏滤器靶板试件表面处理
对偏滤器靶板试件表面预制作随机微纳结构，增加表面粗糙度；
(2)初始激光散斑与应变散斑图像的采集
使用激光器通过激光扩束系统照射到偏滤器靶板试件表面生成初始散斑，经第一、第二带通滤波光学系统滤除高温下偏滤器靶板试件的自发光，采用第一、第二CCD成像系统记录数字图像作为参考图像；聚变堆装置运行过程中，用第一、第二CCD成像系统采集偏滤器靶板试件实时的激光散斑图像的变换过程；
(3)图像处理
将实时数字图像输入计算机图像处理系统，采用数字图像相关方法对表面散斑图像与参考图像进行匹配，从而做出应变计算，对偏滤器靶板试件的应变进行实时诊断。
再进一步地，所述数字图像相关法计算原理为：将材料表面的灰度信息用第一、第二CCD成像系统记录，并以矩阵的形式记录灰度信息，跟踪图像中每一个点，通过相关匹配算法在形变后的图像中找到对应的位置进行计算。
再进一步地，一种基于激光散斑DIC法的聚变堆偏滤器靶板应变测量系统的使用方法，利用基于激光散斑DIC法的聚变堆偏滤器靶板应变测量系统，对托卡马克装置中偏滤器靶板在高温、强电磁场引起的全场形变进行非接触、高精度、在线测量。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用的DIC技术可以实现偏滤器靶板应变的非接触式、原位诊断；
2、本发明采用长相干激光光源可以直接在靶板粗糙表面生成散斑，与传统人工制斑DIC技术相比，不存在散斑脱落、不会给聚变堆内引入杂质，激光散斑耐高温特性好，测量精度更高；
3、本发明结合带通滤波光学系统，使得托卡马克装置在超高温的运行环境下依然能获得靶板高灰度梯度的散斑图像，大大提高了DIC应变检测技术所适用的温度范围；
4、本发明采用两个或多个CCD相机，能够方便实现靶板的三维、全场应变检测。
附图说明
为了更清楚说明本发明的实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍。
图1是本发明一种基于激光散斑DIC法的聚变堆偏滤器靶板应变测量系统的结构示意图；
图2是激光散斑图；
图中：1、激光器；2、激光扩束准直系统；3.1、第一带通滤波光学系统；3.2、第二带通滤波光学系统；4.1、第一CCD成像系统；4.2、第二CCD成像系统；5、计算机图像处理系统；6、偏滤器靶板试件；7、聚变堆装置；8、装置窗口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案、优点更为清晰，下面详细描述实施例。所述实施例为本发明的部分实施例，通过参考图描述实施方式是示例性，旨在于解释本发明，而不是对本发明的限制。
下面结合附图描述本发明实施例的一种基于激光散斑DIC法的聚变堆偏滤器靶板应变测量系统。该系统包括激光器1、激光扩束准直系统2、与激光波长相适应的第一带通滤波光学系统3.1和第二带通滤波光学系统3.2、第一CCD成像系统4.1和第二CCD成像系统4.2、计算机图像处理系统5、偏滤器靶板试件6、聚变堆装置7、装置窗口8。该系统实物示意图如图1所示。激光器1为单波长、长相干激光器，可以是固态激光器、半导体激光器、气体激光器等。
具体的，采用激光打标技术等微加工工艺在偏滤器靶板试件6表面预加工微纳结构，增加表面粗糙度并安装至装置内；使长相干He-Ne激光器1首先通过激光扩束准直系统2扩大为束斑较大且均匀的平行光束，然后激光照射到偏滤器靶板试件6表面，经靶板表面微结构的散射和衍射生成激光散斑；使用安装第一CCD成像系统4.1和第二CCD成像系统4.2，分别从两个角度采集并记录数字散斑图像作为参考图像，第一CCD成像系统4.1和第二CCD成像系统4.2可以选用长焦显微成像系统的CCD相机；聚变堆装置7运行时，偏滤器靶板试件6受到强电磁场的影响和热流冲击产生应力发生形变，当聚变堆装置7在稳态长脉冲高约束模式下运行，靶板温度可达上千度；偏滤器靶板试件6由于热辐射产生自发光，使用第一带通滤波光学系统3.1和第二带通滤波光学系统3.2滤除偏滤器靶板试件6的自发背景光，并使用第一CCD成像系统4.1和第二CCD成像系统4.2采集实时变化的激光散斑图像；将实时数字散斑图像输入计算机图像处理系统5，采用数字图像相关方法对实时散斑图像与参考图像进行图像相关匹配，并根据双目视觉原理合成偏滤器靶板的面内位移及离面位移应变云图，对偏滤器靶板试件6进行实时监测诊断。
Claims (9)
1.一种基于激光散斑DIC法的聚变堆偏滤器靶板应变测量系统，其特征在于：包括激光器(1)、激光扩束准直系统(2)、第一带通滤波光学系统(3.1)、第二带通滤波光学系统(3.2)、第一CCD成像系统(4.1)、第二CCD成像系统(4.2)、计算机图像处理系统(5)，偏滤器靶板试件(6)、聚变堆装置(7)和装置窗口(8)；所述激光器(1)通过激光扩束准直系统(2)和装置窗口(8)照射至偏滤器靶板试件(6)表面生成激光散斑，所述第一CCD成像系统(4.1)和第二CCD成像系统(4.2)对经第一带通滤波光学系统(3.1)和第二带通滤波光学系统(3.2)滤光后的激光散斑进行成像，所述计算机图像处理系统(5)采集散斑参考图像和形变图像，采用DIC法计算得出偏滤器靶板应变。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光散斑DIC法的聚变堆偏滤器靶板应变测量系统，其特征在于：所述激光器(1)为单波长、长相干激光器，可以是固态激光器、半导体激光器、气体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光散斑DIC法的聚变堆偏滤器靶板应变测量系统，其特征在于：所述激光扩束准直系统(2)用以将激光束扩大为束斑较大的平行光束。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光散斑DIC法的聚变堆偏滤器靶板应变测量系统，其特征在于：所述第一CCD成像系统(4.1)和第二CCD成像系统(4.2)带多个放大倍数的长焦显微镜头，同一系统可以是单部也可以是多部CCD，架设多部CCD相机可同时检测偏滤器靶板试件(6)的面内位移和离面位移。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光散斑DIC法的聚变堆偏滤器靶板应变测量系统，其特征在于：所述第一带通滤波光学系统(3.1)和第二带通滤波光学系统(3.2)，其透光波段与激光器波长相对应，同时避开靶板热辐射光谱能量密度曲线的峰值波段。
6.根据权利要求1所述的一种基于激光散斑DIC法的聚变堆偏滤器靶板应变测量系统，其特征在于：所述偏滤器靶板试件(6)表面预制作随机微纳结构，以增加表面粗糙度提高散斑图像的灰度梯度，靶板表面可以采用微加工工艺、激光打标、机械打磨方式生成随机微结构。
7.一种聚变堆偏滤器靶板在线、非接触式应变测量方法，其特征在于：使用权利要求1-6任一项所述的一种基于激光散斑DIC法的聚变堆偏滤器靶板应变测量系统，包括如下步骤：
(1)偏滤器靶板试件(6)表面处理
对偏滤器靶板试件(6)表面预制作随机微纳结构，增加表面粗糙度；
(2)初始激光散斑与应变散斑图像的采集
使用激光器(1)通过激光扩束准直系统(2)照射到偏滤器靶板试件(6)表面，生成初始散斑，经第一带通滤波光学系统(3.1)和第二带通滤波光学系统(3.2)滤除高温下偏滤器靶板试件(6)的自发光，采用第一CCD成像系统(4.1)和第二CCD成像系统(4.2)记录数字图像作为参考图像；聚变堆装置(7)运行过程中，用第一CCD成像系统(4.1)和第二CCD成像系统(4.2)采集偏滤器靶板试件(6)实时的激光散斑图像的变换过程；
(3)图像处理
将实时数字图像输入计算机图像处理系统(5)，采用数字图像相关方法对表面散斑图像与参考图像进行匹配，从而做出应变计算，对偏滤器靶板试件(6)的应变进行实时诊断。
8.根据权利要求7所述的一种聚变堆偏滤器靶板在线、非接触式应变测量方法，其特征在于：所述数字图像相关法计算原理为：将材料表面的灰度信息用第一CCD成像系统(4.1)和第二CCD成像系统(4.2)记录，并以矩阵的形式记录灰度信息，跟踪图像中每一个点，通过相关匹配算法在形变后的图像中找到对应的位置进行计算。
9.一种基于激光散斑DIC法的聚变堆偏滤器靶板应变测量系统的使用方法，利用权利要求1-6任一项所述的一种基于激光散斑DIC法的聚变堆偏滤器靶板应变测量系统，其特征在于：对托卡马克装置中偏滤器靶板试件(6)由高温、强电磁场引起的全场形变进行非接触、高精度、在线测量。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113552125A (zh) * | 2021-07-19 | 2021-10-26 | 清华大学 | 一种高温风洞环境下材料的烧蚀速率测试装置及方法 |
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