CN111829896A - 一种基于紫外成像的超高温应变场-温度场同步测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于紫外成像的超高温应变场‑温度场同步测量系统及测量方法，该应变场‑温度场同步测量系统包括紫外相机(1)、镜头(2)、同轴紫外光源(3)，与紫外光源波长相对应的窄带通滤波片(4)和用于处理图像得到应变场‑温度场的计算机(6)。在测量应变场‑温度场之前首先在试验件(10)表面制作耐高温散斑(9)，利用高温力学试验机对被试件施加力、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的超高温应变场‑温度场同步测量系统采集试验件表面图像，利用数字图像相关方法和事先采用黑体炉已标定的系统对试验件表面的应变场‑温度场进行高精度毫米到微米级视场的测量。本发明原理简单、结构紧凑，采用高温力学试验装置配合对从室温到3273K超高温环境下的试验件表面的应变场‑温度场进行同步高精度测量。

Description

一种基于紫外成像的超高温应变场-温度场同步测量系统及 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、热耦合作用下全场的应变场-温度常同步测量方法，应用于航空航天、发动机热端部件高温合金、陶瓷基复合材料等领域的超高温应变场-温度场同步测量。

背景技术

作为关键高温结构材料，高温合金、陶瓷和陶瓷基复合材料更多地应用在航空发动机、火力、核发电厂等领域。由于服役于热、力耦合极端环境下，这种极端高温会降低材料的强度极限和结构的承载能力，并使结构产生热变形而破坏结构的使用安全性。因此测量和分析在热、载耦合作用下结构的材料全场热变形、热膨胀量等高温性能参数的变化对进一步研究分析材料在高温下的承载能力和结构强度不仅具有重要的意义,而且对材料的安全设计、可靠性评定以及使用寿命预测都具有实际的工程应用价值。而温度是高温材料性能测量试验中又一个重要指标。通常情况，材料的物理性质如热膨胀系数、弹性模量、强度都是和温度相关的，在常温下一般忽略温度对材料参数的影响，但在高温环境中，温度效应变得非常突出。因此进行理论和数值计算时准确的获取全场的温度而不仅仅是一个点的温度对研究分析因缺陷导致的温度分布不均匀，组分多项、各项异性的复合材料性能及在高温极端应力环境中的服役状态有非常重要的意义。

为了测量试样表面的全场热变形，可采用基于两束相干激光光波干涉的电子散斑干涉法、云纹干涉法和激光散斑法。在高温下，

等人证明了干涉条纹可以用电子散斑干涉制作，并且使用温度高达1823K；Anwander等人提出在1473K时，数字激光散斑技术可在10×10毫米的视场中用于测定受载热应变。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。相比之下，在上世纪80年代发展起来的基于数字图像灰度分析和数值计算的数字图像相关方法则更受到了广泛的关注。在过去30年间，数字图像相关方法得到了突飞猛进的发展，已经成为高温应变测量的主流方法。这是因为与其他测试方法相比，数字图像相关方法具有一些特殊的优势：(1)光路、实验设备和实验过程简单；(2)可以实现全场测量；(3)对测量环境和隔振要求较低，容易实现现场测量。在1990年，Turner等人将数字图像相关方法应用于测量金属的热膨胀系数，但由于热辐射的影响，最高温仅到873K。Grant等人、Novak等人提出利用蓝光照明和窄带通滤波相结合来实现了1773K下的变形测量，为克服高温热辐射提供了行之有效的解决思路。近年来，更高温度下抵抗黑体热辐射的理论分析和实验结果证明，紫外光以其更短波长的优势在测量高温变形方面得到了研究者的关注。

而对于高温目标体温度的测量一般分为接触式测量和非接触式测量。接触式测温法是将测温元件直接放在被测温度场或介质中，具有测温精度高、设备简单、使用方便等优点，其缺点是只能进行逐点温度测量，测温响应时间长，对被测温度场有干扰。非接触方法主要是利用物体的辐射强度与温度的函数关系通过光学法来测量温度场。目前市场上商用的红外热像仪采用红外波段测温，一般价格昂贵，且严重依赖进口。为了降低成本，有大量的研究人员直接使用CCD加红外滤波片进行辐射采集，通过黑体热辐射理论，可以计算出温度场。Hottel和Broughton等人1932年利用双波段比色法测量炉子内的火焰温度。日立公司90年代年问世的HAICS-3000系统中采用了炉膛火焰图像识别技术，可以得出火焰温度场的分布。Shimoda等人利用CCD进行测温，其原理是在CCD光学系统中加中心波长分别为600nm和650nm的单色带通滤光片获取两幅单色图像，根据比色法的原理求得燃烧火焰的温度分布。

鉴于以上应变场-温度场同步测量方法，目前应变场-温度场同步测量用的最多的是采用普通CCD相机结合红外热成像仪，普通CCD相机结合红外相机，或者利用彩色CCD相机的多个通道。CCD相机用来采集图像计算应变场，而红外热像仪或红外相机用来提供温度信息。早期Bruck等人采用一台红外相机和两台CCD相机用来进行三维应变场-温度场同步测量，但需要专门的同步算法。Satzger等人利用一个红外相机和条纹投影技术来测量物体温度和形状，但是不能获取应变信息。Wattrisse等人提出结合数字图像相关方法和红外热成像技术，其中利用对可见光敏感的CCD相机来测量应变场，一个红外焦平面阵列相机来测量温度场，但需要复杂的同步计算方法。Bodelot等人采用分光镜将热辐射光束分为红外光和可见光，这两束光分别进入两个CCD传感器，进行变形场-温度场同步测量，同样需要考虑同步算法。Orteu等人采用两台价格低廉的普通CCD相机(0.7-1.1μm)和一台红外相机。但由于热辐射的影响导致图像的对比度下降而使数字图像相关方法失效，最高温度只测到了470℃。Su等人利用彩色CCD的三个通道分别进行测量：利用通道中心波长为540nm的滤波片采集的图像做应变场测量，而中心波长为540nm和600nm的滤波片和蓝光光源采集的图像做温度场测量。但实际上，本实验中红、绿、蓝波段的光谱响应函数存在部分重叠，导致最终测量结果存在一定程度的误差。Cholewa等人采用对可见光敏感的普通CCD相机和红外相机，实现了50-1000mm大范围视场的变形场-温度场同步测量，温度最高到773K，但提出试件表面的散斑会对发射率有一定影响，需事先确定散斑参数如厚度、大小等。

虽然同步全场温度和应变测量备受关注，但变形场-温度场同步测量通常面临几个挑战：1)大部分测量值在773K以下。在773K以上，热辐射会导致变形测量失相关。2)红外摄像机记录样品自身发射和周围辐射反射的总和。因此，温度测量需要与周围光源绝缘。相反，数字图像相关方法通常需要主动照明来获得具有合适对比度的散斑图像进行相关，加热方法本身通常也有热辐射。3)测温时需采用均匀、理想恒定发射率的试样表面进行精确测温，而采用数字图像相关方法进行变形计算时，则需要不同材料或不同表面状态的散斑图。4)从实用的角度来看，一般来说，由CCD相机和IR相机组成的成像系统的组合比较复杂且昂贵。

发明内容

为了解决现有技术存在的无法满足超高温度应变场-温度场同步测量需求的问题，本发明提出了一种基于紫外成像的超高温应变场-温度场同步测量系统及测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于紫外成像的超高温应变场-温度场同步测量系统包括同轴紫外成像系统、高温力学试验装置、单色光源、与单色光源波长对应的窄带通滤波片、相机、紫外镜头、计算机、三脚架、数据传输线；同轴紫外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；单色光源用于产生高强度的单色光；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；

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，所述同轴紫外成像系统包括相机，紫外镜头，单色光源，与光源波长对应的窄带通滤波片。

进一步，所述的应变场计算方法为基于数字图像相关的方法。

进一步，所述的温度场计算方法为基于中心波长为365nm的单色紫外光辐射的方法。

进一步，所述的温度场计算方法依据黑体炉标定后的同轴紫外成像系统的灰度与温度之间的关系函数。

一种超高温应变场-温度场测量方法：

1)在相机镜头前安装窄带通滤波片，用单色光源对试验件进行主动照明，安装并调整相机，连接数据线和电脑以传输、存储数据，并组成同轴紫外成像系统；

2)利用黑体炉对同轴成像系统进行温度预先标定，得出灰度与温度之间关系函数I_n(T),其表达式为：

其中I′为灰度值，T为温度(K)，t_i为积分时间，C₂为第二普朗克常数，辐射参数(k_w,a₀,a₁,a₂)是由不同时刻的灰度值的拟合曲线而确定；

3)将试验件安装在带有环境箱的力学实验装置上，表面喷涂散斑，将同轴紫外成像系统架置在试验件正前方，调整位置使图像清晰；

4)采用高温图像炉对试验件进行加热，用高温力学装置对试验件进行加载，在加载的过程中利用同轴紫外成像系统实时采集试验件的图像；

5)将万能试验机的加载数据，高温炉的温度数据和紫外相机采集到的图像数据实时传输到计算机中，计算应变场-温度场。

6)本发明采用同轴紫外镜头，可以进行从mm-μm多尺度测量，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；采用波长较短的紫外光源，试件表面低成本自然纹理容易形成；采用紫外辐射，较少依赖于表面发射率的变化，测量更趋近于真实温度，即紫外范围，辐射能量对温度高度敏感，测量精度更高，适合超高温3273K下使用。

一种基于紫外成像的超高温应变场-温度场同步测量系统的用途，对航空航天结构材料、如高温合金和高温陶瓷复合材料在极端服役环境下由力、热载荷引起的变形场-温度场进行非接触式、高精度测量。采用高温炉和力学装置配合对从室温到2273K超高温环境下的试验件表面的变形场-温度场能进行高精度测量。

本发明的有益效果为：

1、采用了同轴紫外成像系统，亮度均匀，成像清晰。紫外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。同时长工作距离镜头能够减少辐射热对镜头的影响，进而提升测量精度。

2、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，进而提升测量精度。

3、使用了仅有紫外波段通过的窄带通滤波片，通过滤波片将相机和镜头连接；紫外光源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3273K的超高温条件下实现清晰图像采集，从而实现超高温测量。

4、使用单色紫外波长辐射测温，测量温度不依赖于试件表面发射率变化，从而提高测量精度。

5、采用光源，相机，滤波片，电脑，传输线和三脚架组成的同轴成像系统作为整体进行系统黑体热辐射标定，减少外加环境光源对测温精度的影响。

6、采用直流电流加热系统对试样进行加热，热辐射仅来自试样本身，无来自加热设备的环境热辐射的干扰，进而提高测量精度。

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为同轴紫外成像系统黑体炉标定示意图；

图3为紫外相机的量子效率曲线和紫外滤波片的透光率曲线示意图；

图4为不同发射率下，不同波长辐射测温对温度的敏感性曲线；

图中：1、相机；2、紫外镜头；3、同轴紫外光源；4、与单色光源波长对应的窄带通滤波片；5、数据传输线；6、计算机；7、三脚架；8、同轴紫外成像系统；9、高温散斑；10、试验件；11、高温炉；12、蓝宝石观察窗口；13、力学试验机；14、黑体炉；15、相机量子效率曲线；16、紫外滤波片透光率曲线；17、不同发射率下，波长为250nm的热辐射测温；18、不同发射率下，波长为350nm的热辐射测温；19、不同发射率下，波长为450nm的热辐射测温；

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的超高温应变场-温度场同步测量系统，该系统包括同轴紫外成像系统8、力学试验装置13、高温炉11、紫外单色光源3、与单色光源波长对应的窄窄带通滤波片4、相机1、计算机6、三脚架7、数据传输线5；同轴紫外成像系统8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；力学试验装置13用于对试验件加载；高温炉11用于对试验件升温；紫外单色光源3用于产生高强度单色光，从提供试件照明、调节采集图像清晰度；与单色光源波长对应的带通滤波片4用于滤掉长波红外，高温采集清晰图像；相机1用于采集力、热条件下试件表面图像；计算机6用于处理由紫外相机1采集到的图像数据。并将载荷-时间曲线和应变场-温度场结果显示在计算机6的显示器上；三脚架7用于支撑紫外相机；数据传输线5用于传输给电脑图像；

实施例一

一种基于紫外成像的超高温应变场-温度场测量系统及测量方法，包括：该系统包括同轴紫外成像系统8、力学试验装置13、高温炉11、紫外单色光源3、与单色光源波长对应的窄窄带通滤波片4、相机1、计算机6、三脚架7、数据传输线5；同轴紫外成像系统8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；力学试验装置13用于对试验件加载；高温炉11用于对试验件升温；紫外单色光源3用于产生高强度单色光，从提供试件照明、调节采集图像清晰度；与单色光源波长对应的带通滤波片4用于滤掉长波红外，高温采集清晰图像；相机1用于采集力、热条件下试件表面图像；计算机6用于处理由紫外相机1采集到的图像数据。并将载荷-时间曲线和应变场-温度场结果显示在计算机6的显示器上；三脚架7用于支撑紫外相机；数据传输线5用于传输给电脑图像；

具体操作方法如下：

1)在相机镜头2前安装窄带通滤波片4，用单色光源3对试验件进行主动照明，安装并调整相机1，连接数据线5和电脑6以传输、存储数据，并组成同轴紫外成像系统8；

2)利用黑体炉14对同轴成像系统8进行温度预先标定，得出灰度与温度之间关系函数I_n(T),其表达式为：

其中I′为灰度值，T为温度(K)，t_i为积分时间，C₂为第二普朗克常数，辐射参数(k_w,a₀,a₁,a₂)为标定过程中确定的参数；

3)将试验件10安装在带有高温炉11的力学实验装置13上，表面喷涂散斑10，将同轴紫外成像系统8架置在试验件10正前方，调整位置使图像清晰；

4)采用高温炉11对试验件10进行加热，用力学装置13对试验件10进行加载，在加载的过程中利用同轴紫外成像系统8采集试验件10的图像；

5)将力学试验机13的加载数据，高温炉10的温度数据和紫外相机1采集到的图像数据实时传输到计算机6中，计算应变场-温度场。

如图3和4所示，测试结果如下：相机量子效率曲线15；紫外滤波片透光率曲线16；不同发射率下，波长为250nm的热辐射测温17；不同发射率下，波长为350nm的热辐射测温18；不同发射率下，波长为450nm的热辐射测温19。

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的超高温应变场-温度场同步测量系统，其特征在于：该同步测量系统包括同轴紫外成像系统(8)，力学试验装置(13)和高温炉(11)；其中同轴成像系统(8)包括紫外单色光源(3)、与紫外单色光源波长对应的窄带通滤波片(4)、紫外相机(1)和紫外镜头(2)；所述同轴成像系统(8)用于在超高温的条件下透过光学蓝宝石玻璃观察窗口(9)采集试验件(10)表面的清晰图像；所述力学试验装置(13)用于对试验件(10)施加载荷产生变形；所述高温炉(11)用于对试验件(10)施加高温产生热变形；所述单色紫外光源(3)通过所述同轴成像镜头(2)照射到试验件(10)表面，所述试验件(10)表面的反射光经过镜头(2)进入所述紫外相机(1)；所述与单色光源对应的窄带通滤波片(4)用于过滤掉除紫外波段之外其他波长的光线，保留与所述单色光源(3)波段对应的光线，降低试验件(10)表面热辐射对采集的图像的影响及红外长波段测温对表面发射率的依赖。

2.根据权利要求1所述的一种紫外成像的超高温应变场-温度场同步测量系统，其特征在于：所述单色光源(3)位于紫外相机(1)和紫外镜头(2)之间；所述相机(1)用于采集图像，并利用数据传输线(5)将采集到的图像实时传输到所述计算机(6)。

3.根据权利要求1所述的一种基于紫外成像的超高温应变场-温度场同步测量系统，其特征在于：所述紫外镜头(2)为长工作距离镜头，具有多个放大倍数的紫外光通过的镜头。

4.根据权利要求1所述的一种基于紫外成像的超高温应变场-温度场同步测量系统，其特征在于：所述的单色光源(3)为紫外光源；所述与光源波长对应的窄带通滤波片(4)为与紫外光波长对应的窄带通滤波片。

5.根据权利要求2所述的一种基于紫外成像的超高温应变场-温度场同步测量系统，其特征在于：所述相机(1)采集紫外图像，将采集到的图像实时传输到所述计算机(6)，可以同步计算出应变场和温度场。

6.根据权利要求1所述的一种基于紫外成像的超高温应变场-温度场同步测量系统，其特征在于：所述计算机(6)用于处理紫外相机(1)采集到的图像和力学实验装置(13)传输的载荷数据，得到试验件(10)的高精度应变数据，并将载荷-时间曲线和应变-时间曲线显示在计算机(6)的显示器上；

和/或

所述计算机(6)用于处理紫外相机(1)采集到的图像和高温环境装置(11)传输的温度数据，得到试验件(10)的高精度温度场数据，并将温度场-时间曲线显示在计算机(6)的显示器上。

7.一种超高温应变场-温度场同步测量方法，其特征在于：使用权利要求1-6任一项所述的一种基于紫外成像的超高温应变场-温度场同步测量系统，包括如下步骤：

1)在紫外相机镜头(2)前安装窄带通滤波片(4)，用紫外单色光源(3)对试验件(10)进行主动照明，安装并调整紫外相机(1)，连接数据线(5)和电脑(6)以传输、存储数据，并组成同轴紫外成像系统(8)；

2)利用黑体炉(14)对同轴紫外成像系统(8)进行温度预先标定，得出灰度与温度之间关系函数I(T),其中I取值为灰度除以积分时间，T为温度(K)；

3)将试验件(10)安装在带有高温炉(11)的力学实验装置(13)上，表面喷涂散斑，将同轴紫外成像系统(8)架在试验件正前方，调整位置使图像清晰；

4)采用高温炉(11)对试验件(10)进行加热，用高温力学实验装置(13)对试验件(10)进行加载，在加载的过程中利用同轴紫外成像系统(8)实时采集试验件(10)的图像；

5)将万能试验机(13)的加载数据，高温炉的温度数据和紫外相机采集到的图像数据实时传输到计算机中，计算应变场-温度场。

8.根据权利要求9所述的一种超高温应变场-温度场同步测量方法，其特征在于：所述应变计算方法为选取加载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，从而进行应变场计算。

9.根据权利要求9所述的一种超高温应变场-温度场同步测量方法，其特征在于：所述温度场计算方法需事先对同轴成像系统进行黑体炉标定，得出图像灰度与温度场之间的关系函数，进行温度场计算。

10.根据权利要求1-6任一项所述的一种基于紫外成像的超高温应变场-温度场同步测量系统的用途，其特征在于：用于对航空航天结构材料、发动机热端部件高温合金、高温陶瓷基复合材料材料在高温环境下由力、热载荷引起的全场变形、温度进行非接触式、高精度测量。

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