CN113720701A - 基于dic技术的力学性能测试装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及常低温力学性能测试领域，公开了基于DIC技术的力学性能测试装置及系统。该装置包括罩体、试样腔和温控机构，试样腔的下部置于罩体内部，用于放置试样，且在试样腔的下部设置第一窗口，在罩体设置第二窗口，以形成光路，温控机构用于调控试样的测试温度。该系统包括光源、图像采集装置、力学试验机和本基于DIC技术的力学性能测试装置，光源和图像采集装置分别与第二窗口相对设置，力学试验机的拉伸杆伸入试样腔内并与试样连接。本发明将低温力学测试和DIC技术结合起来，实现了非接触光学测量，具有操作步骤简单、高准确性、测量范围广的优点。

Description

基于DIC技术的力学性能测试装置及系统

技术领域

本发明涉及常低温力学性能测试领域，特别是涉及一种基于DIC技术的力学性能测试装置及系统。

背景技术

材料在低温下的力学性能测试是许多研究的一大技术难题，有些材料或部件在复杂的加工制造过程中或低温下服役时会产生大量的变形，导致其结构部件的强度极限和承载能力发生变化，影响设备的安全性能。因此，研究材料在各温度点的力学行为成为必要，对设备或结构部件的可靠性、寿命预测以及安全设计具有重要意义。

低温下的材料力学行为测量技术按测量方式可分为传统的接触式测量技术和非接触式测量技术。基于数字图像相关技术(Digital Image Correlation，简称：DIC)的光学引伸计是一种非接触的光学方法，在力学测试中用于测量试样的位移及应变等信息。该技术的光学引伸计是通过将图像进行数字化转化的技术实现，使在力学性能测试中通过采用光学方法的非接触方式进行应变、变形等信息的测量。该测试技术对于设备的分辨率要求不高，对周围环境的震动要求比较小。只需要一个能够进行拍摄的高速相机，用来采集测试试样表面变形前后灰度场的数字图像，并且对于相机拍摄数字图像的分辨率要求也不高。在测量过程中只需要给测试试样的表面照射普通的白光或者自然光即可，无需对光源进行过滤处理。相比于接触式测量技术，其具有操作简单、高准确性、测量范围广等优点。

目前，这种光学测量方法在室温以及高温力学性能测试中广泛应用。然而在低温力学性能测试中，使用的低温容器不透明，不允许光源透过，同时低温下的力学测试一般采用低温液体浸泡试样的方式，由于液体与光源的相互作用，影响光路以及在采用低温液体浸泡时试样表面会产生小气泡，都不可避免的扭曲采集到的数字图像，测量数据准确性较差，导致该仪器较少应用到低温力学性能测试中。而且，现有的低温力学性能测试装置一般采用低温液体浸泡试样的方式(如在液氦和液氮浸泡下，可分别获得4.2K和77K温度点的测试环境)，但在低温液体沸点之外的温度控温时，存在温控不准的问题，无法获得各准确温度点的力学性能数据。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明实施例的目的是提供一种基于DIC技术的力学性能测试装置及系统，以解决现有技术中由于低温容器不透明以及液体与光源的相互作用导致无法使用基于DIC的光学引伸计进行测量的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于DIC技术的力学性能测试装置，包括：罩体、试样腔和温控机构，所述试样腔的下部置于所述罩体内部，用于放置试样，且在所述试样腔的下部设置第一窗口，在所述罩体设置第二窗口，以形成光路，所述温控机构用于调控试样的测试温度。

其中，所述温控机构包括用于降低试样的测试温度的制冷机和用于提高试样的测试温度的加热器。

其中，还包括防辐射屏，所述防辐射屏安装于所述罩体的内部，且罩设于所述试样腔的外侧。

其中，所述制冷机包括一级冷头，所述一级冷头与所述防辐射屏接触传热。

其中，还包括导热热桥，所述制冷机包括二级冷头，所述二级冷头通过所述导热热桥与所述试样腔的外壁接触传热。

其中，所述试样腔的上部伸出于所述罩体，且伸出于所述罩体的所述试样腔的部分由隔热材料制成，位于所述罩体内部的所述试样腔的部分由导热材料制成。

其中，还包括吸气机构和吹气机构，在所述试样腔的上部设置氦气进口和氦气出口，所述吸气机构与所述氦气出口连接，所述吹气机构与所述氦气进口连接。

其中，所述第一窗口和所述第二窗口相对，并形成第一光路和第二光路，所述第一光路和所述第二光路分别用于光源照射和图像采集装置采集图像。

其中，所述罩体为真空罩，所述第一窗口和所述第二窗口均为光学窗口。

本发明实施例还公开了一种基于DIC技术的力学性能测试系统，包括：光源、图像采集装置、力学试验机和根据本发明实施例的基于DIC技术的力学性能测试装置，所述光源和所述图像采集装置分别与所述第二窗口相对设置，所述力学试验机的拉伸杆伸入所述试样腔内并与所述试样连接。

(三)有益效果

本发明实施例提供的一种基于DIC技术的力学性能测试装置及系统，在罩体上设置第一窗口，在试样腔设置第二窗口，形成光路，光源可通过该光路照射试样及周围环境，图像采集装置通过该光路采集试样表面图像；采用温控机构调控试样的测试温度，可实现在连续可调可控温度下进行力学性能测试。本发明将低温力学测试和DIC技术结合起来，实现了非接触光学测量，具有操作步骤简单、高准确性、测量范围广的优点。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于DIC技术的力学性能测试装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一种基于DIC技术的力学性能测试系统的结构示意图。

附图标记：

1：制冷机；2：防辐射屏法兰；3：一级冷头；4：导热热桥；5：二级冷头；6：加热器；7：试样腔；8：防辐射屏；9：真空罩；10：拉伸杆；11：第一窗口；12：试样；13：第二窗口；

101：基于DIC技术的力学性能测试装置；102：光源；103：图像采集装置；104：力学试验机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明实施例公开了一种基于DIC技术的力学性能测试装置101，包括：罩体、试样腔7和温控机构，试样腔7的下部置于罩体内部，用于放置试样12，且在试样腔7的下部设置第一窗口11，在罩体设置第二窗口13，以形成光路，温控机构用于调控试样12的测试温度。

具体地，本实施例中罩体围设于试样腔7的外侧。优选地，该罩体为真空罩9，将真空罩9内部抽真空，可减少气体对流换热，以维持内部的低温环境。

温控机构用于调控试样12的测试温度。优选地，温控机构包括制冷机1，该制冷机1的冷头伸入到真空罩9内部，与试样腔7接触，通过热传导的方式冷却试样腔7，以控制试样腔7内试样12的测试温度，可在4.2K-300K连续可调可控温度下进行力学性能测试。

试样腔7用于放置试样12，并维持低温测试条件。优选地，第一窗口11和第二窗口13均为光学窗口。通过罩体上的第一窗口11和试样腔7的第二窗口13，形成光路，光源可通过该光路照射试样12及周围环境，图像采集装置通过该光路采集试样12表面图像。

本发明实施例提供的一种基于DIC技术的力学性能测试装置及系统，在罩体上设置第一窗口11，在试样腔7设置第二窗口13，形成光路，光源可通过该光路照射试样12及周围环境，图像采集装置通过该光路采集试样12表面图像；采用温控机构调控试样12的测试温度，可实现在连续可调可控温度下进行力学性能测试。本发明将低温力学测试和DIC技术结合起来，实现了非接触光学测量，具有操作步骤简单、高准确性、测量范围广的优点。

其中，温控机构包括用于降低试样12的测试温度的制冷机1和用于提高试样12的测试温度的加热器6。具体地，加热器6固定在试样腔7的外侧壁上，通过加热器6加热调节和制冷机1制冷调节，实现温控调节，根据实验测试要求，可选用不同型号的制冷机1和加热器6，以保证试样12测试温度可以在4.2K-300K之间进行调节，相对于利用低温液体浸泡的温控手段，采用本实施例的温控手段实现了温度连续可调可控，精准调温的优点。

其中，本实施例的基于DIC技术的力学性能测试装置101还包括防辐射屏8，防辐射屏8安装于罩体的内部，且罩设于试样腔7的外侧。具体地，本实施例的防辐射屏8的作用为减小试样腔7与外界的热辐射，减小热损失，进而减小在测试过程中的温度变化。可以理解的是，由于加热器6固定在试样腔7的外侧，并给试样腔7加热，因此防辐射屏8是将加热器6和试样腔7一起罩住。

其中，制冷机1包括一级冷头3，一级冷头3与防辐射屏8接触传热。进一步地，在防辐射屏8的上端通过防辐射屏法兰2与一级冷头3连接，一级冷头3通过螺钉连接于防辐射屏法兰2，冷却防辐射屏法兰2，防辐射屏法兰2与防辐射屏8连接，为防辐射屏8提供冷量。

其中，本实施例的基于DIC技术的力学性能测试装置101还包括导热热桥4，制冷机1包括二级冷头5，二级冷头5通过导热热桥4与试样腔7的外壁接触传热。具体地，在本实施例中，导热热桥4连接在二级冷头5的与试样腔7的外壁，采用刚性连接的接触传热方式，用于冷却试样腔7。可以理解的是，由于二级冷头5通过导热热桥4连接于试样腔7的外壁，并给试样腔7降温，因此防辐射屏8是将二级冷头5、导热热桥4和试样腔7一起罩住。

其中，试样腔7的上部伸出于罩体，且伸出于罩体的试样腔7的部分(即试样腔7的上部)由隔热材料制成，位于罩体内部的试样腔7的部分(即试样腔7的下部)由导热材料制成。具体地，隔热材料可选用低导热不锈钢材料，以减少与外界的换热导致的热损失，导热材料可选用高导热高纯铜材料，以保证试样腔7该区域的温度均匀性，试样腔7的上部和下部焊接连接。

其中，本实施例的基于DIC技术的力学性能测试装置101还包括吸气机构(图中未示出)和吹气机构(图中未示出)，在试样腔7的上部设置氦气进口和氦气出口，吸气机构与氦气出口连接，吹气机构与氦气进口连接。可通过吹气机构向试样腔7内通入冷氦气，作为冷量传输媒介，当试样腔7由于二级冷头5的作用降温时，通过吹气机构向试样腔7内部持续输入冷氦气，当试样腔7壁面与试样12之间达到热平衡后，试样12温度不再下降，这时采取降压降温的方法继续降低试样12温度，即通过吸气装置将冷氦气以一定流速抽出，降低压强，试样腔7内的温度也会降低。

其中，第一窗口11和第二窗口13相对，并形成第一光路和第二光路，第一光路和第二光路分别用于光源102照射和图像采集装置103采集图像。具体地，两条光路可为非平行状态(即如图2所示)，第一窗口11和第二窗口13分别竖向设置两个窗口，形成两条水平和两条交叉的光路，光源斜向下照射依次通过第二窗口13和第一窗口11照射试样12及其周围环境，图像采集装置水平照射依次通过第二窗口13和第一窗口11采集试样12表面图像。优选地，第一窗口11和第二窗口13均为光学窗口。

如图2所示，本发明实施例还公开了一种基于DIC技术的力学性能测试系统，包括：光源102、图像采集装置103、力学试验机104和根据上述实施例的基于DIC技术的力学性能测试装置101，光源102和图像采集装置103分别与第二窗口13相对设置，力学试验机104的拉伸杆10伸入试样腔7内并与试样12连接。

具体地，第二窗口13和第一窗口11形成光路，光源102通过该光路照射试样12及其周围环境，图像采集装置103通过该光路采集试样12表面图像。该图像采集装置103可采用高速相机等，之后通过数字图像相关技术，计算出试样12的位移及应变等变形信息。力学试验机104的拉伸杆10与夹具连接，夹具夹持于试样12的一端，试样12的另一端固定，通过拉伸杆10的动作对试样12进行拉伸等操作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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 (10)

1.一种基于DIC技术的力学性能测试装置，其特征在于，包括：罩体、试样腔和温控机构，所述试样腔的下部置于所述罩体内部，用于放置试样，且在所述试样腔的下部设置第一窗口，在所述罩体设置第二窗口，以形成光路，所述温控机构用于调控试样的测试温度。

2.根据权利要求1所述的基于DIC技术的力学性能测试装置，其特征在于，所述温控机构包括用于降低试样的测试温度的制冷机和用于提高试样的测试温度的加热器。

3.根据权利要求2所述的基于DIC技术的力学性能测试装置，其特征在于，还包括防辐射屏，所述防辐射屏安装于所述罩体的内部，且罩设于所述试样腔的外侧。

4.根据权利要求3所述的基于DIC技术的力学性能测试装置，其特征在于，所述制冷机包括一级冷头，所述一级冷头与所述防辐射屏接触传热。

5.根据权利要求2所述的基于DIC技术的力学性能测试装置，其特征在于，还包括导热热桥，所述制冷机包括二级冷头，所述二级冷头通过所述导热热桥与所述试样腔的外壁接触传热。

6.根据权利要求1所述的基于DIC技术的力学性能测试装置，其特征在于，所述试样腔的上部伸出于所述罩体，且伸出于所述罩体的所述试样腔的部分由隔热材料制成，位于所述罩体内部的所述试样腔的部分由导热材料制成。

7.根据权利要求6所述的基于DIC技术的力学性能测试装置，其特征在于，还包括吸气机构和吹气机构，在所述试样腔的上部设置氦气进口和氦气出口，所述吸气机构与所述氦气出口连接，所述吹气机构与所述氦气进口连接。

8.根据权利要求1所述的基于DIC技术的力学性能测试装置，其特征在于，所述第一窗口和所述第二窗口相对，并形成第一光路和第二光路，所述第一光路和所述第二光路分别用于光源照射和图像采集装置采集图像。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的基于DIC技术的力学性能测试装置，其特征在于，所述罩体为真空罩，所述第一窗口和所述第二窗口均为光学窗口。

10.一种基于DIC技术的力学性能测试系统，其特征在于，包括：光源、图像采集装置、力学试验机和根据权利要求1-9中任意一项所述的基于DIC技术的力学性能测试装置，所述光源和所述图像采集装置分别与所述第二窗口相对设置，所述力学试验机的拉伸杆伸入所述试样腔内并与所述试样连接。

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