CN114235885A - 基于温敏荧光散斑及dic测量技术的热膨胀实时测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料热膨胀检测相关技术领域，其公开了一种基于温敏荧光散斑及DIC测量技术的热膨胀实时测量方法，包括以下步骤：(1)将与试样同材质且涂有荧光涂料的温度标定板进行温度曲线标定，得到荧光强度、成像灰度间的映射关系；(2)对表面制备有荧光散斑的试样进行加热，两台灰度相机同时采集试样不同时刻不同温度下的试样图像；(3)将图像划分为若干个子区，进而计算得到试样表面的温度场；同时基于DIC测量技术对灰度相机采集到的图像进行三维数字图像相关分析以计算得到试样表面的应变场，进而将所述温度场与所述应变场进行线性拟合以得到试样的热膨胀系数曲线。本发明解决了复杂环境中复合材料热膨胀等热力学性能测试问题。
Description
技术领域
本发明属于材料热膨胀检测相关技术领域，更具体地，涉及一种基于温敏荧光散斑及DIC测量技术的热膨胀实时测量方法。
背景技术
温度场与应变场的同步测量是研究材料热力学性能的基础，现有的温度场与应变场的同步测量方法中，有基于红外图像与可见光图像融合的温度场和应变场同步测量，但红外相机其分辨率却远不及普通工业相机、测温精度有限，且高精度红外相机价格昂贵；也有基于示温漆测温和双目彩色相机DIC分析的温度场和应变场同步测量，但该测量系统受涂层厚度、涂抹均匀性等因素影响，其温度判读，测温精确度不高、测温范围有限；也有基于比色法测温和DIC的温度场和应变场同步测量，但比色法只有在高于1000℃时才有较高精度，应用受限。
目前，测定材料热膨胀系数的方法可以分为传统的接触式测量和非接触式测量。接触式测量方法中：光杠杆测量法只适用于管件和柱件的热膨胀系数的测量、测量数据误差较大；应变片法、石英膨胀计法等方法对各向异性材料在非均匀变形条件下的测量，具有一定局限性。非接触式测量方法中：光声法对试件的摆放位置有一定要求，测量精度及应用受限：光干涉法易受外界干扰、对于系统及操作环境要求较高、且仪器价格昂贵，操作复杂；也有基于DIC测定材料热膨胀的应用，但其未有对温度场的标定计算，对于多成分的复合材料热膨胀测量中，因各成分的导热系数、比热容等热物性系数的差异导致试样温度场分布不均匀，进而导致后续热膨胀计算中会存在显著误差。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于温敏荧光散斑及DIC测量技术的热膨胀实时测量方法，其仅依赖便宜的灰度相机，基于温敏荧光散斑实现温度场与变形场的同步测量，且操作简单，结构紧凑，解决了复杂环境中复合材料热膨胀等热力学性能测试问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于温敏荧光散斑及DIC测量技术的热膨胀实时测量方法，该方法包括以下步骤：
(1)提供热膨胀实时测量装置，并将与试样同材质且涂有荧光涂料的温度标定板放置于所述热膨胀实时测量装置上，以进行相机标定及温度曲线标定，得到试样材料温度、荧光强度、成像灰度间的映射关系；其中，所述热膨胀实时测量装置包括两个灰度相机及微处理器，所述灰度相机与所述微处理器相连接；
(2)对表面制备有荧光散斑的试样进行加热，使得试样温度变化以引发热膨胀变形及荧光强度变化，两台灰度相机按照预定频率同时采集试样不同时刻不同温度下的试样图像，并传输及存储至微处理器；
(3)将灰度相机采集到的图像划分为若干个子区，基于子区内荧光散斑的灰度值及得到的映射关系插值计算得到试样表面的温度场；同时基于DIC测量技术对灰度相机采集到的图像进行三维数字图像相关分析以计算得到试样表面的应变场，进而将所述温度场与所述应变场进行线性拟合以得到试样的热膨胀系数曲线。
进一步地，映射关系的标定包括以下步骤：
(1.1)将与试样同材质、涂有温敏荧光涂料制成的温度标定板放置在恒温加热台上，以紫外光源作为激励源使温度标定板发光；
(1.2)设置恒温加热台以预定升温速率加热至T1，并维持预定时间待温度保持稳定不变后，用灰度相机采集图像并记录温度；
(1.3)继续以相同的预定升温速率加热，温度每升高ΔT则维持预定时间待温度保持稳定不变后，用灰度相机采集图像并记录温度，重复该步骤直至温度升高到T2，停止加热；
(1.4)将温敏荧光散斑灰度g与荧光强度I近似表示为：g＝r×I，再结合带通滤光片，在预定波长范围内灰度g与荧光强度I呈线性关系；其中r为反射率；
(1.5)温敏荧光散斑荧光强度I与温度T的关系的近似公式为：
其中Tref,T分别为参考温度和当前温度；I(Tref),I(T)分别为参考温度下的荧光强度和当前温度下的荧光强度；Enr为激发态的活化能；R为摩尔气体常数值；
(1.6)通过对温度区间T1～T2内的
个采样温度下采集到的图像测温点灰度值和温度用指数函数进行曲线拟合，得到温度和成像灰度值间的映射关系。
进一步地，
视为常量，则温度T与荧光强度I成反比，进而计算得到灰度g与温度T的映射关系的近似公式为：
g(T)＝F(T/Tref)g(Tref)
其中g(Tref),g(T)分别为参考温度和当前温度下采集图像中测温点的灰度值，F(T/Tref)为多项指数项；预定升温速率为5℃/min；ΔT为10℃；预定时间为3min。
进一步地，在试样表面制备荧光散斑包括以下步骤：
(1-1)根据试样尺寸、工作距离及相机镜头生成标准散斑图像，导入激光微孔打孔机并在薄铝片上打微孔制成网板，单个微孔直径的最小值达1μm；
(1-2)以温敏荧光粉制成的涂料为原料，在试样表面丝网印刷制备厚度及分布更均匀的荧光散斑；其中，温敏荧光粉的平均最小粒径为0.5μm。
进一步地，试样表面温度场的获取包括如下步骤：
(3-1)根据采集到的图像，将其为N个边长为2M+1的子区；
(3-2)以子区中心为测温点，以子区内荧光散斑灰度值的距离加权均值作为测温点的灰度值，带入标定后的温度-灰度曲线中求解出测温点温度；
(3-3)重复步骤(3-2)直至遍历所有子区，得到试样表面N个子区测温点温度后，进行双三次B样条插值还原出试样表面的温度场。
进一步地，试样表面应变场的获取及将温度场与应变场的线性拟合包括以下步骤：
(6-1)对于单个相机不同时刻不同温度下采集到的图像，选取t0时刻的图像作为参考图像，以划定的子区为搜索单位；在后续时刻采集的图像中，基于快速傅里叶变换的互相关算法求解相对于参考图像的子区初始位移，并通过反向高斯-牛顿法进行非线性优化，得到精确至0.01像素的形变参数矢量；
(6-2)对于同一时刻左右两相机采集到的图像，以左相机的子区作为模板，在右相机图像内进行模板匹配、定位，根据相机标定得到的两台相机内参、外参进行基于散斑的三维重建，得到该子区世界坐标下的像素位移坐标；
(6-3)重复步骤(6-1)和(6-2)，遍历所有子区得到所有位移测量点坐标，并进行双三次B样条插值得到全场三维位移信息；
(6-4)物体膨胀现象不可避免的存在刚体的旋转、平移运动，对得到的三维位移信息进行修正以得到真实的热膨胀位移场；
(6-5)对计算得到的位移场进行微分后得到应变场，将温度场与应变场进行线性拟合得到试样的热膨胀数据。
进一步地，采用的修正公式为：
其中，u,v分别是消除刚体平移、旋转后的x、y方向上的真实热膨胀位移量；u',v'分别是DIC分析得到的x、y方向上的原始位移数据；x0,y0为当前像素点相对于中心网格点O的相对位置，θ为当前像素点处的旋转量。
进一步地，热膨胀系数αT的计算公式为：
进一步地，所述热膨胀实时测量装置还包括恒温加热台、温度标定板、两个紫外光源、四镜光学适配器、两个滤波片及隔热外壳，两个所述灰度相机间隔设置在所述隔热外壳内，两个所述滤光片分别设置在两个灰度相机邻近所述紫外光源的一端，两个所述灰度相机的另一端分别连接于所述微处理器；所述四镜光学适配器设置在所述隔热外壳内，两个所述紫外光源邻近所述四镜光学适配器设置；所述恒温加热台设置在所述隔热外壳的外部，所述温度标定板设置在所述恒温加热台上。
进一步地，所述四镜光学适配器用于改变光路；所述紫外光源用于向试样照射紫外光，以激发所述试样上的温敏荧光散斑，使得温敏荧光散斑发光。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于温敏荧光散斑及DIC测量技术的热膨胀实时测量方法主要具有以下有益效果：
1.将温敏荧光测温原理与DIC测量技术相结合，测温范围更广、精度更高、降低成本价格更低且操作简便。
2.利用温敏荧光散斑不同温度下的灰度变化测量温度场、利用散斑不同温度下的位移变化测量应变场，实现试样表面温度场-应变场的耦合、全场、实时测量。
3.所述四镜光学适配器用于改变光路，使所述两灰度相机可平行放置，优化装置内部空间布局，让测量装置结构更紧凑。
4.对温度场与应变场进行线性拟合得到试样的热膨胀系数曲线，实时、全场的热膨胀曲线更能准确、合理的反应材料性能，特别是复合材料整体的热膨胀性能、导热系数等热物性。
5.基于轻量级软件实现人机交互界面，测量更加便捷、高效，并实现实验过程中的实时监测、分析及结果的可视化直观展示。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于温敏荧光散斑及DIC测量技术的热膨胀实时测量方法的流程示意图；
图2是本发明提供的一种基于温敏荧光散斑及DIC测量技术的热膨胀实时测量装置的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-恒温加热台，2-温度标定板，3-紫外光源，4-四镜光学适配器，5-滤波片，6-灰度相机，7-虚拟相机，8-隔热外壳，9-微处理器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1及图2，本发明提供的一种基于温敏荧光散斑及DIC测量技术的热膨胀实时测量方法，所述热膨胀实时测量方法主要包括以下步骤：
步骤一，提供热膨胀实时测量装置，并将与试样同材质且涂有荧光涂料的温度标定板放置于所述热膨胀实时测量装置上，以进行相机标定及温度曲线标定，得到试样材料温度、荧光强度、成像灰度间的映射关系；其中，所述热膨胀实时测量装置包括两台灰度相机及微处理器，所述灰度相机与所述微处理器相连接。
本实施方式中试样为某型号QFP塑封器件，截面为14*18mm的矩形，内部由环氧树脂、硅片、铜通孔等多种弹性模量和热膨胀系数不同的材料组成，热膨胀变形过程复杂；根据实际试验温度范围选取对应的温敏荧光涂料，PCB生产、工作过程中温度变化在170℃以内，因此本实施例中选取以稀土离子有机配合物作为发光探针分子加粘结剂制成的温敏荧光涂料，在0℃～210℃内具有良好的光学特性、化学及热稳定性，发光强度对温度敏感，平均粒径为0.5μm～3μm。
其中，所述热膨胀实时测量装置包括恒温加热台1、温度标定板2、两个紫外光源3、四镜光学适配器4、两个滤波片5、两个灰度相机6、两个虚拟相机7、隔热外壳8及微处理器9，两个所述灰度相机6间隔设置在所述隔热外壳8内，两个所述滤光片5分别设置在两个灰度相机6邻近所述紫外光源3的一端，两个所述灰度相机6的另一端分别连接于所述微处理器9。所述四镜光学适配器4设置在所述隔热外壳8内，两个所述紫外光源3邻近所述四镜光学适配器4设置。所述恒温加热台1设置在所述隔热外壳8的外部，所述温度标定板2设置在所述恒温加热台1上。两个所述虚拟相机7分别位于所述隔热外壳8相背的两侧。
所述紫外光源3用于向试样照射紫外光，以激发所述试样上的温敏荧光散斑，使得温敏荧光散斑发光。所述恒温加热台1用于试样温度-荧光强度-成像灰度标定，对温度标定板2进行加热，使得温度标定板2上的温敏荧光散斑的荧光强度发生变化。所述四镜光学适配器4用于改变光路，使得两个所述灰度相机6可以平行放置，优化了装置内部空间布局，使得装置结构更加紧凑，可以封装在所述热膨胀实时测量装置的隔热外壳8内，即能有效保护其内部相机，保证工作的稳定性和可靠性，又能提升装置在复杂、恶劣环境中工作的适应性。
标定时，将与试样同材质、涂有荧光涂料的温度标定装置置于恒温加热台1上以进行温度曲线标定，得到试样材料温度、荧光强度、成像灰度间的映射关系。其中，可见光下可用Halcon标定板进行标定，通过调节四镜光学适配器的角度来控制灰度相机2的视场和工作距离，使成像清晰、完整，标定结束后获取系统相机的内外参，并将系统各参数设定锁定。
映射关系的标定主要包括以下步骤：
(1.1)将与试样同材质、涂有温敏荧光涂料制成的温度标定板放置在恒温加热台上，以紫外光源作为激励源使温度标定板发光。
(1.2)设置恒温加热台以预定升温速率加热至T1，并维持预定时间待温度保持稳定不变后，用灰度相机采集图像并记录温度。
(1.3)继续以相同的预定升温速率加热，温度每升高ΔT则维持预定时间待温度保持稳定不变后，用灰度相机采集图像并记录温度，重复该步骤直至温度升高到T2，停止加热。其中，ΔT大于0。
(1.4)将温敏荧光散斑灰度g与荧光强度I可近似表示为：g＝r×I，其中r为反射率；再结合带通滤光片，在一定波长范围内灰度g与荧光强度I呈线性关系。
(1.5)温敏荧光散斑荧光强度I与温度T的关系可近似由下式表示：
其中Tref,T分别为参考温度和当前温度；I(Tref),I(T)分别为参考温度下的荧光强度和当前温度下的荧光强度；Enr为激发态的活化能；R为摩尔气体常数值。
视为常量，则温度T与荧光强度I成反比，将灰度g与荧光强度I的关系式带入上式，灰度g与温度T的映射关系可近似由下式表示：
g(T)＝F(T/Tref)g(Tref)
其中g(Tref),g(T)分别为参考温度和当前温度下采集图像中测温点的灰度值，F(T/Tref)为多项指数项。
(1.6)通过对温度区间T1～T2内的
个采样温度下采集到的图像测温点灰度值和温度用指数函数进行曲线拟合，得到温度和成像灰度值间的映射关系。
在另一个实施方式中，将同材质的试样中的一个作为温度标定块，进行温度-灰度标定实验，具体包括以下步骤：
S701、将温度标定块放置在恒温加热台上，加热区间为40℃～200℃内，加热台表面温差±1～2％℃，升温速率为5℃/min；以紫外光源作为激励源使标定块上的荧光散斑发光，并结合滤波片滤除除荧光散斑发光外的其他杂光。
S702、加热区间内温度间隔每10℃，待温度稳定3min后，使用图像采集系统采集各温度下的标定块图像及对应温度并传入微处理器。
S703、通过对温度区间内的17个采样温度采集到的图像灰度值和对应温度用指数函数进行曲线拟合，得到温度和成像灰度值间的映射曲线。
步骤二，对表面制备有荧光散斑的试样进行加热，使得试样温度变化以引发热膨胀变形及荧光强度变化，两台灰度相机按照预定频率同时采集试样不同时刻不同温度下的试样图像，并传输及存储至微处理器。
其中，需要在试样表面制备荧光散斑，具体包括以下步骤：
(1-1)根据试样尺寸、工作距离及相机镜头等参数生成标准散斑图像，导入激光微孔打孔机在薄铝片上打微孔制成网板，单个微孔直径最小可达1μm。
(1-2)将温敏荧光粉制成的涂料，在试样表面丝网印刷制备厚度及分布更均匀的荧光散斑。其中，温敏荧光粉的平均最小粒径为0.5μm，得到厚度及分布更均匀的散斑。
步骤三，将灰度相机采集到的图像划分为若干个子区，基于子区内荧光散斑的灰度值及得到的映射关系插值计算得到试样表面的温度场；同时基于DIC测量技术对灰度相机采集到的图像进行三维数字图像相关分析以计算得到试样表面的应变场，进而将所述温度场与所述应变场进行线性拟合以得到试样的热膨胀系数曲线。
开展测试实验前，使用图像采集系统采集不同温度下的试样表面散斑图像，选定未加热前图像做参考图像，框选感兴趣区域，设置子区尺寸和步长，将其划分为N个边长为2M+1的子区。
试样表面温度场的获取，包括如下步骤：
(3-1)根据采集到的图像，将其为N个边长为2M+1的子区，子区形状可为矩形、圆形或自定义多边形。
(3-2)以子区中心为测温点，以子区内荧光散斑灰度值的距离加权均值作为测温点的灰度值，带入标定后的温度-灰度曲线中求解出测温点温度。
(3-3)重复步骤(3-2)直至遍历所有子区，得到试样表面N个子区测温点温度后，进行双三次B样条插值还原出试样表面的温度场。
试样表面应变场的获取，并将温度场与应变场进行线性拟合得到试样的热膨胀系数、热膨胀位移等信息，包括如下步骤：
(6-1)对于单个相机不同时刻不同温度下采集到的图像，选取t0时刻的图像作为参考图像，以划定的子区为搜索单位；在后续时刻采集的图像中，基于快速傅里叶变换的互相关算法求解相对于参考图像的子区初始位移，并通过反向高斯-牛顿法进行非线性优化，得到精确至0.01像素的形变参数矢量p＝(u,v,ux,uy,vx,vy)T。
(6-2)对于同一时刻左右两相机采集到的图像，以左相机的子区作为模板，在右相机图像内进行模板匹配、定位，根据相机标定得到的两台相机内参、外参进行基于散斑的三维重建，得到该子区世界坐标下的像素位移坐标。
(6-3)重复步骤(6-1)和(6-2)，遍历所有子区得到所有位移测量点坐标，并进行双三次B样条插值得到全场三维位移信息；对物体热膨胀现象中刚体的旋转、平移运动进行修正，得到真实的热膨胀位移场。
(6-4)物体膨胀现象不可避免的存在刚体的旋转、平移运动，可按下式进行修正，得到真实的热膨胀位移场。
其中，u,v分别是消除刚体平移、旋转后的x、y方向上的真实热膨胀位移量；u',v'分别是DIC分析得到的x、y方向上的原始位移数据；x0,y0为当前像素点相对于中心网格点O的相对位置，θ为该点处的旋转量；
(6-5)对计算得到的位移场进行微分后得到应变场，小变形情况下的Cauchy应变分量可按下式计算：
其中εx,εy分别为x、y方向上的主应变，γxy为应变张量的剪切分量。将温度场与应变场进行线性拟合得到试样的热膨胀相关数据，并在微处理器显示窗口中同步显示。热膨胀系数αT与温度有关，具体计算公式如下：
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于温敏荧光散斑及DIC测量技术的热膨胀实时测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：
(1)提供热膨胀实时测量装置，并将与试样同材质且涂有荧光涂料的温度标定板放置于所述热膨胀实时测量装置上，以进行相机标定及温度曲线标定，得到试样材料温度、荧光强度、成像灰度间的映射关系；其中，所述热膨胀实时测量装置包括两个灰度相机；
(2)对表面制备有荧光散斑的试样进行加热，使得试样温度变化以引发热膨胀变形及荧光强度变化，两台灰度相机按照预定频率同时采集试样不同时刻不同温度下的试样图像；
(3)将灰度相机采集到的图像划分为若干个子区，基于子区内荧光散斑的灰度值及得到的映射关系插值计算得到试样表面的温度场；同时基于DIC测量技术对灰度相机采集到的图像进行三维数字图像相关分析以计算得到试样表面的应变场，进而将所述温度场与所述应变场进行线性拟合以得到试样的热膨胀系数曲线。
2.如权利要求1所述的基于温敏荧光散斑及DIC测量技术的热膨胀实时测量方法，其特征在于：映射关系的标定包括以下步骤：
(1.1)将与试样同材质、涂有温敏荧光涂料制成的温度标定板放置在恒温加热台上，以紫外光源作为激励源使温度标定板发光；
(1.2)设置恒温加热台以预定升温速率加热至T1，并维持预定时间待温度保持稳定不变后，用灰度相机采集图像并记录温度；
(1.3)继续以相同的预定升温速率加热，温度每升高ΔT则维持预定时间待温度保持稳定不变后，用灰度相机采集图像并记录温度，重复该步骤直至温度升高到T2，停止加热；
(1.4)将温敏荧光散斑灰度g与荧光强度I近似表示为：g＝r×I，再结合带通滤光片，在预定波长范围内灰度g与荧光强度I呈线性关系；其中r为反射率；
(1.5)温敏荧光散斑荧光强度I与温度T的关系的近似公式为：
其中Tref,T分别为参考温度和当前温度；I(Tref),I(T)分别为参考温度下的荧光强度和当前温度下的荧光强度；Enr为激发态的活化能；R为摩尔气体常数值；
(1.6)通过对温度区间T1～T2内的
个采样温度下采集到的图像测温点灰度值和温度用指数函数进行曲线拟合，得到温度和成像灰度值间的映射关系。
3.如权利要求2所述的基于温敏荧光散斑及DIC测量技术的热膨胀实时测量方法，其特征在于：
视为常量，则温度T与荧光强度I成反比，进而计算得到灰度g与温度T的映射关系的近似公式为：
g(T)＝F(T/Tref)g(Tref)
其中g(Tref),g(T)分别为参考温度和当前温度下采集图像中测温点的灰度值，F(T/Tref)为多项指数项；预定升温速率为5℃/min；ΔT为10℃；预定时间为3min。
4.如权利要求1所述的基于温敏荧光散斑及DIC测量技术的热膨胀实时测量方法，其特征在于：在试样表面制备荧光散斑包括以下步骤：
(1-1)根据试样尺寸、工作距离及相机镜头生成标准散斑图像，导入激光微孔打孔机并在薄铝片上打微孔制成网板，单个微孔直径的最小值达1μm；
(1-2)以温敏荧光粉制成的涂料为原料，在试样表面丝网印刷制备厚度及分布更均匀的荧光散斑；其中，温敏荧光粉的平均最小粒径为0.5μm。
5.如权利要求1所述的基于温敏荧光散斑及DIC测量技术的热膨胀实时测量方法，其特征在于：试样表面温度场的获取包括如下步骤：
(3-1)根据采集到的图像，将其为N个边长为2M+1的子区；
(3-2)以子区中心为测温点，以子区内荧光散斑灰度值的距离加权均值作为测温点的灰度值，带入标定后的温度-灰度曲线中求解出测温点温度；
(3-3)重复步骤(3-2)直至遍历所有子区，得到试样表面N个子区测温点温度后，进行双三次B样条插值还原出试样表面的温度场。
6.如权利要求2所述的基于温敏荧光散斑及DIC测量技术的热膨胀实时测量方法，其特征在于：试样表面应变场的获取及将温度场与应变场的线性拟合包括以下步骤：
(6-1)对于单个相机不同时刻不同温度下采集到的图像，选取t0时刻的图像作为参考图像，以划定的子区为搜索单位；在后续时刻采集的图像中，基于快速傅里叶变换的互相关算法求解相对于参考图像的子区初始位移，并通过反向高斯-牛顿法进行非线性优化，得到精确至0.01像素的形变参数矢量；
(6-2)对于同一时刻左右两相机采集到的图像，以左相机的子区作为模板，在右相机图像内进行模板匹配、定位，根据相机标定得到的两台相机内参、外参进行基于散斑的三维重建，得到该子区世界坐标下的像素位移坐标；
(6-3)重复步骤(6-1)和(6-2)，遍历所有子区得到所有位移测量点坐标，并进行双三次B样条插值得到全场三维位移信息；
(6-4)物体膨胀现象不可避免的存在刚体的旋转、平移运动，对得到的三维位移信息进行修正以得到真实的热膨胀位移场；
(6-5)对计算得到的位移场进行微分后得到应变场，将温度场与应变场进行线性拟合得到试样的热膨胀数据。
7.如权利要求6所述的基于温敏荧光散斑及DIC测量技术的热膨胀实时测量方法，其特征在于：采用的修正公式为：
其中，u,v分别是消除刚体平移、旋转后的x、y方向上的真实热膨胀位移量；u',v'分别是DIC分析得到的x、y方向上的原始位移数据；x0,y0为当前像素点相对于中心网格点O的相对位置，θ为当前像素点处的旋转量。
8.如权利要求7所述的基于温敏荧光散斑及DIC测量技术的热膨胀实时测量方法，其特征在于：热膨胀系数αT的计算公式为：
9.如权利要求1-8任一项所述的基于温敏荧光散斑及DIC测量技术的热膨胀实时测量方法，其特征在于：所述热膨胀实时测量装置还包括恒温加热台、温度标定板、两个紫外光源、四镜光学适配器、微处理器、两个滤波片及隔热外壳，两个所述灰度相机间隔设置在所述隔热外壳内，且连接于所述微处理器；两个所述滤光片分别设置在两个灰度相机邻近所述紫外光源的一端，两个所述灰度相机的另一端分别连接于所述微处理器；所述四镜光学适配器设置在所述隔热外壳内，两个所述紫外光源邻近所述四镜光学适配器设置；所述恒温加热台设置在所述隔热外壳的外部，所述温度标定板设置在所述恒温加热台上。
10.如权利要求9所述的基于温敏荧光散斑及DIC测量技术的热膨胀实时测量方法，其特征在于：所述四镜光学适配器用于改变光路；所述紫外光源用于向试样照射紫外光，以激发所述试样上的温敏荧光散斑，使得温敏荧光散斑发光。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115077420A (zh) * | 2022-07-18 | 2022-09-20 | 北京航空航天大学 | 基于荧光散斑的平面镜反射变换标定方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011153973A1 (de) * | 2010-06-10 | 2011-12-15 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Verfahren zur berührungslosen, zerstörungsfreien bestimmung der härte, porosität und/oder mechanischen spannungen an werkstoffen oder verbundwerkstoffen |
| CN106525137A (zh) * | 2016-12-07 | 2017-03-22 | 天津大学 | 基于激光诱导荧光的液膜温度场和流场同时测量方法 |
| CN208902633U (zh) * | 2018-09-29 | 2019-05-24 | 河北工业大学 | 一种基于dic测量技术的材料热膨胀测量装置 |
| CN109945776A (zh) * | 2019-02-01 | 2019-06-28 | 天津大学 | 一种电化学中基于荧光颗粒标记与主动光学测量的位移/应变测量方法 |
| KR20200058162A (ko) * | 2018-11-19 | 2020-05-27 | 한국항공우주연구원 | 복합재의 열팽창계수 측정 장치 및 방법 |
| CN112556594A (zh) * | 2020-11-25 | 2021-03-26 | 华中科技大学 | 一种融合红外信息的应变场和温度场耦合测量方法及系统 |
| CN113008669A (zh) * | 2021-01-22 | 2021-06-22 | 天津大学 | 一种动态监测裂纹尖端应力强度因子的方法 |
| RU2753620C1 (ru) * | 2020-11-20 | 2021-08-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" | Способ определения кинетических теплофизических свойств анизотропных композитных материалов |
-
2021
- 2021-12-17 CN CN202111561877.4A patent/CN114235885A/zh active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011153973A1 (de) * | 2010-06-10 | 2011-12-15 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Verfahren zur berührungslosen, zerstörungsfreien bestimmung der härte, porosität und/oder mechanischen spannungen an werkstoffen oder verbundwerkstoffen |
| CN106525137A (zh) * | 2016-12-07 | 2017-03-22 | 天津大学 | 基于激光诱导荧光的液膜温度场和流场同时测量方法 |
| CN208902633U (zh) * | 2018-09-29 | 2019-05-24 | 河北工业大学 | 一种基于dic测量技术的材料热膨胀测量装置 |
| KR20200058162A (ko) * | 2018-11-19 | 2020-05-27 | 한국항공우주연구원 | 복합재의 열팽창계수 측정 장치 및 방법 |
| CN109945776A (zh) * | 2019-02-01 | 2019-06-28 | 天津大学 | 一种电化学中基于荧光颗粒标记与主动光学测量的位移/应变测量方法 |
| RU2753620C1 (ru) * | 2020-11-20 | 2021-08-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина" | Способ определения кинетических теплофизических свойств анизотропных композитных материалов |
| CN112556594A (zh) * | 2020-11-25 | 2021-03-26 | 华中科技大学 | 一种融合红外信息的应变场和温度场耦合测量方法及系统 |
| CN113008669A (zh) * | 2021-01-22 | 2021-06-22 | 天津大学 | 一种动态监测裂纹尖端应力强度因子的方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 徐忠营;王伟;孟松鹤;解维华;易法军;: "数字图像相关技术在高温热膨胀系数测量中的应用", 装备环境工程, no. 03, 15 June 2016 (2016-06-15) * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115077420A (zh) * | 2022-07-18 | 2022-09-20 | 北京航空航天大学 | 基于荧光散斑的平面镜反射变换标定方法 |
| CN115077420B (zh) * | 2022-07-18 | 2023-04-25 | 北京航空航天大学 | 基于荧光散斑的平面镜反射变换标定方法 |
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