CN114894113B - 基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开公开的基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量装置及方法，包括设置有第一进光口、紫外光进光口和出光口的壳体，第一进光口与显微镜头连接，出光口与摄像机连接，紫外光进光口与紫外光源连接，在紫外光进光口处设置紫外透过滤波片，在出光口处设置荧光带通滤波片，在壳体内设置二向色镜，紫外光源发出的紫外光能够经过紫外透过滤波片后经二向色镜反射进入第一进光口并经显微镜头照射出，显微镜头进入的光线能够经二向色镜和荧光带通滤波片后进入摄像机。实现了待加工工件加工过程中变形区域的全域场量测量。
Description
技术领域
本发明涉及材料加工去除过程的变形测量技术领域，尤其涉及基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量装置及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
在加工制造与材料科学领域，材料表层去除过程的变形测量一直是研究的热点和难点问题，高精度快响应在位测试技术对于分析材料变形规律及揭示材料动态性能具有重要意义。常规的材料变形测量方法包括显微网格法和流线法，受其空间分辨率与网格/流线特征制备精度限制，上述方法无法有效实现高应变率变形(>103/s)实时在位测量，且工件表面制备网格/流线过程易影响工件结构完整性，难以精确测量表层材料去除过程变形场。
随着高速摄像机等光学测量仪器的发展，基于非接触测量的数字图像相关方法成为材料去除过程中变形场原位测量的一个可行途径，因其具有非接触、全场测量、灵敏度高、无损伤等优点而逐步应用于力学性能测试领域。现有数字图像相关测试方法依靠高速摄像机成像性能的提升使数字图像分辨率及图像处理技精度不断提升，但该方法需要在被测试工件表面制备高质量追踪样点，且对测试过程中的光源强度与入射角度要求较高。目前追踪样点制备技术主要采用喷漆或喷砂等技术在被测试表面制作特征样点，普遍存在对比度低、特征点尺寸大且分布不均匀等问题，且容易破坏被测试样表面原有结构和性能，导致追踪样点质量已成为制约DIC测量精度的关键因素。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量装置及方法，通过在工件表面浸渍荧光纳米微粒形成荧光追踪样点，制备高空间分辨率特征表面，结合快速响应光学系统实现材料去除过程的原位测试，进而分析被测表面荧光颗粒在加工过程中的位置图像获得变形区域的全域场量(包括变形场、应变率场和应力场)。
为实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
第一方面，提出了基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量装置，包括设置有第一进光口、紫外光进光口和出光口的壳体，第一进光口与显微镜头连接，出光口与摄像机连接，紫外光进光口与紫外光源连接，在紫外光进光口处设置紫外透过滤波片，在出光口处设置荧光带通滤波片，在壳体内设置二向色镜，紫外光源发出的紫外光能够经过紫外透过滤波片后经二向色镜反射进入第一进光口并经显微镜头照射出，显微镜头进入的光线能够经二向色镜和荧光带通滤波片后进入摄像机。
第二方面，提出了基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量方法，包括：
制备荧光纳米微粒悬液；
利用荧光纳米微粒悬液，在工件表面制备荧光追踪样点，形成待加工工件；
对待加工工件进行表面材料去除，并在待加工工件进行表面材料去除的过程中，通过原位测量装置采集工件表面变形图像；
对工件表面变形图像进行分析，获得工件表面材料去除过程中变形区域的全域场量。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
1、本公开采用纳米荧光微粒在工件表面制备荧光追踪样点，可以在原位观测工件表面去除过程的同时，记录荧光追踪样点的位移变化，并利用数字图像相关方法进行变形场演化情况的分析，制备的荧光追踪样点，具有消除镜面反射、提高追踪样点对比度的作用。
2、本公开在不增加测试系统复杂性的情况下，可以获得更高质量的成像效果，使得获得待加工工件加工过程中变形区域的全域场量更准确。
3、本公开装置和方法适用于不同固体材料表面去除过程中的变形场测试。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为实施例1公开装置的三维图；
图2为实施例1公开装置的原理图；
图3为实施例2公开的工件表面荧光追踪样点旋涂过程示意图。
其中：1、工件，2、刀具，3、显微镜头，31、第一连接件，4、紫外光源，41、第二连接件，5、壳体，51、紫外透过滤波片，52、二向色镜，53、荧光带通滤波片，6、镜筒，7、变焦镜头，8、摄像机，9、处理器，10、工件，101、滴管，102、荧光追踪样点。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
实施例1
在该实施例中公开了基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量装置，包括设置有第一进光口、紫外光进光口和出光口的壳体，第一进光口与显微镜头连接，出光口与摄像机连接，紫外光进光口与紫外光源连接，在紫外光进光口处设置紫外透过滤波片，在出光口处设置荧光带通滤波片，在壳体内设置二向色镜，紫外光源发出的紫外光能够经过紫外透过滤波片后经二向色镜反射进入第一进光口并经显微镜头照射出，显微镜头进入的光线能够经二向色镜和荧光带通滤波片后进入摄像机。
进一步的，出光口通过变焦镜头与摄像机连接。
进一步的，紫外光源经导光软管与壳体的紫外光进光口连接。
进一步的，变焦镜头通过卡扣与壳体连接。
进一步的，变焦镜头通过镜筒与摄像机连接。
对本实施例公开的基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量装置进行详细说明。
基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量装置，如图1、2所示，包括：显微镜头3、壳体5、镜头和摄像机。
其中，镜头采用变焦镜头。
壳体5上设置第一进光口、出光口和紫外光进光口，显微镜头3通过第一连接件31与壳体5的第一进光口连接，壳体5的紫外光进光口通过第二连接件41与紫外光源连接，在壳体5的中心轴处设置长波通二向色镜52，壳体紫外光进光口位置处设置有紫外透过滤波片51，紫外光进光口通过第二连接件41与紫外光源连接，壳体出光口处设置有荧光带通滤波片53，出光口与变焦镜头7通过卡扣相连，变焦镜头7与摄像机8通过镜筒6连接。
紫外光源发出的紫外光经过紫外透过滤波片51后经二向色镜52反射进入第一进光口，之后从显微镜头3照射在待加工工件表面，待加工工件表面的荧光追踪样点在紫外光的照射下发出荧光，荧光经显微镜头3进入第一进光口后，依次通过二向色镜52、荧光带通滤波片53、出光口，保证足够亮度的荧光进入高速摄像机。
在具体实施时，紫外透过滤波片51与壳体紫外光进光口同轴布置，为荧光追踪样点提供滤除其它光谱波长的紫外激发光源。
二向色镜52与经紫外透过滤波片51进入壳体的紫外光呈45度布置，以便于获得与第一进光口同轴的紫外激发光。
第二连接件41为导光软管，以便适应不同的实验空间和光照环境。
摄像机8与处理器9连接，通过处理器9中相关的图像处理软件对摄像机获取的图像进行处理，获得工件表面材料去除过程中变形区域的全域场量。
本实施例公开装置在对待加工工件进行变形场测量时，需要将显微镜头3垂直朝向待加工工件的测量区域。
本实施例公开的装置，能够与在工件表面制备荧光追踪样点向配合，实现对待加工工件加工过程中变形区域的全域场量测量。
实施例2
在该实施例中，公开了基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量方法，包括：
制备荧光纳米微粒悬液；
利用荧光纳米微粒悬液，在工件表面制备荧光追踪样点，形成待加工工件；
对待加工工件进行表面材料去除；
在待加工工件进行表面材料去除的过程中，通过基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量装置采集工件表面变形图像；
对工件表面变形图像进行分析，获得工件表面材料去除过程中变形区域的全域场量。
进一步的，将荧光纳米粒子溶于有机溶液，制备获得荧光纳米微粒悬液。
进一步的，荧光纳米粒子包括量子点、碳点、掺杂荧光染料的二氧化硅纳米颗粒或金属纳米团簇。
进一步的，采用旋涂法，利用荧光纳米微粒悬液，在工件表面制备荧光追踪样点。
进一步的，基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量装置的显微镜头中心垂直对准待加工工件的加工变形区，紫外光源发出的紫外光经过紫外透过滤波片、二向色镜后由显微镜头照射在待加工工件表面，待加工工件表面的荧光追踪样点在紫外光的照射下发出荧光，经由二向色镜和荧光带通滤波片进入摄像机，实现对工件表面变形图像的采集。
对本实施例公开的基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量方法进行详细说明。
基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量方法，包括：
S1：制备荧光纳米微粒悬液。
在具体实施时，将荧光纳米粒子溶于有机溶液后混合搅拌并超声处理，制备获得荧光纳米微粒悬液。
采用的荧光纳米微粒包括量子点(QDs)、碳点(CDs)、掺杂荧光染料的二氧化硅纳米颗粒(DSNPs)或金属纳米团簇(NCs)，根据待加工工件材料的不同，对荧光纳米微粒的种类进行选择，荧光纳米微粒包括但不限于以上几种。
荧光纳米微粒平均粒径分布在5nm–100nm范围内，且粒径与平均粒径相比，偏差大于5nm的颗粒的量不超过总量的5％。
荧光纳米微粒平均粒径的选择与工件几何尺寸、加工参数等变量有关。
将荧光纳米粒子溶于有机溶液制备荧光纳米微粒悬液时，荧光纳米粒子与有机溶液质量比为3:19～5:17。
S2：利用荧光纳米微粒悬液，在工件表面制备荧光追踪样点，形成待加工工件。
在具体实施时，采用旋涂法，利用荧光纳米微粒悬液，在工件表面制备荧光追踪样点，并对旋涂后的待加工工件在静风暗室环境下干燥处理。
S3：对待加工工件进行表面材料去除，并在待加工工件进行表面材料去除的过程中，通过原位测量装置采集工件表面变形图像。
在具体实施时，将待加工工件装夹在二维切削加工平台上并搭建实施例1公开的基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量装置，基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量装置的显微镜头中心垂直对准待加工工件的加工变形区，使得紫外光源发出的紫外光经过紫外透过滤波片、二向色镜后由显微镜头照射在待加工工件表面，待加工工件表面的荧光追踪样点在紫外光的照射下发出荧光，经由二向色镜和荧光带通滤波片进入摄像机。
S4：对工件表面变形图像进行分析，获得工件表面材料去除过程中变形区域的全域场量。
在具体实施时，通过数字图像相关处理软件对工件表面变形图像进行分析，获得工件表面材料去除过程中变形区域的全域场量。
以荧光纳米粒子选用罗丹明B标记的二氧化硅微球、工件选用70mm×50mm×2mm的铝片试样对本实施例公开的测量方法进行说明。
用分析天平量取平均粒径为20nm的罗丹明B标记的二氧化硅微球15g，乙醇溶液85g，将两者混合搅拌2分钟，超声处理5分钟，以避免颗粒团聚。获得稳定的稳定罗丹明B标记的二氧化硅微球悬液。
对铝片试样用金相纸逐级研磨抛光，先后放入丙酮、无水乙醇、蒸馏水中分别超声清洗10min并烘干。
如图3所，将稳定罗丹明B标记的二氧化硅微球悬液通过滴管101滴落在超声清洗并烘干后的铝片试样工件10表面，并在旋涂机中进行旋涂，工件在10s内线性加速至1000RPM，并保持该速度60s，最后5s内减速为0RPM。将旋涂后的工件于静风暗室环境自然风干6h，完成工件表面荧光追踪样点102的制作。
将制作好荧光追踪样点的工件装夹在高速直角切削平台上，通过高速直角切削平台，采用切削速度30m/min，切削深度0.15mm对工件进行材料去除。
将基于荧光追踪样点的材料去除过程原位测量装置的显微镜头中心垂直对准试样工件的切削变形区，打开紫外光源，调整装置位置和变焦镜头，直至摄像机中出现清晰的图像。
高速摄像机帧率设置为5000fps，曝光时间设置为50μs，在对工件进行直角切削过程中，利用高速摄像机对工件表面去除过程进行光学观测并连续拍摄图像，记录去除过程中材料表面追踪样点位置变化。
将直角切削过程中原位观测装置记录的图像导入软件中，利用数字图像相关软件对导入的图像进行处理，选择切削前的工件表面荧光追踪样点图像作为基准参照图像，在基准参照图中选定区域作为数字图像相关方法分析区域，对该区域进行表面变形场变化的分析，获得铝片试样在表面去除过程中的变形场云图变化以及不同位置点的应变数值变化。
本实施例公开方法采用纳米荧光微粒在工件表面制备荧光追踪样点，可以在原位观测工件表面去除过程的同时，记录荧光追踪样点的位移变化，并利用数字图像相关方法进行变形场演化情况的分析，制备的荧光追踪样点，具有消除镜面反射、提高追踪样点对比度的作用。在不增加测试系统复杂性的情况下，可以获得更高质量的成像效果，使得获得待加工工件加工过程中变形区域的全域场量更准确。适用于不同固体材料表面去除过程中的变形场测试。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量方法，其特征在于，包括：
制备荧光纳米微粒悬液；
利用荧光纳米微粒悬液，在工件表面制备荧光追踪样点，形成待加工工件；
对待加工工件进行表面材料去除，并在待加工工件进行表面材料去除的过程中，通过荧光追踪样点的材料表层去除原位测量装置采集工件表面变形图像；
对工件表面变形图像进行分析，获得工件表面材料去除过程中变形区域的全域场量；采用纳米荧光微粒在工件表面制备荧光追踪样点，能够在原位观测工件表面去除过程的同时，记录荧光追踪样点的位移变化，并进行变形场演化情况的分析；在对工件进行直角切削过程中，利用高速摄像机对工件表面去除过程进行光学观测并连续拍摄图像，记录去除过程中材料表面追踪样点位置变化；
采用旋涂法，利用荧光纳米微粒悬液，在工件表面制备荧光追踪样点；
基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量装置的显微镜头中心垂直对准待加工工件的加工变形区，紫外光源发出的紫外光经过紫外透过滤波片、二向色镜后由显微镜头照射在待加工工件表面，待加工工件表面的荧光追踪样点在紫外光的照射下发出荧光，经由二向色镜和荧光带通滤波片进入摄像机，实现对工件表面变形图像的采集；
所述荧光追踪样点的材料表层去除原位测量装置包括：设置有第一进光口、紫外光进光口和出光口的壳体，第一进光口与显微镜头连接，出光口与摄像机连接，紫外光进光口与紫外光源连接，在紫外光进光口处设置紫外透过滤波片，在出光口处设置荧光带通滤波片，在壳体内设置二向色镜，紫外光源发出的紫外光能够经过紫外透过滤波片后经二向色镜反射进入第一进光口并经显微镜头照射出，显微镜头进入的光线能够经二向色镜和荧光带通滤波片后进入摄像机。
2.如权利要求1所述的基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量方法，其特征在于，出光口通过变焦镜头与摄像机连接。
3.如权利要求2所述的基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量方法，其特征在于，变焦镜头通过卡扣与壳体连接。
4.如权利要求2所述的基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量方法，其特征在于，变焦镜头通过镜筒与摄像机连接。
5.如权利要求1所述的基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量方法，其特征在于，紫外光源经导光软管与壳体的紫外光进光口连接。
6.如权利要求1所述的基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量方法，其特征在于，将荧光纳米粒子溶于有机溶液，制备获得荧光纳米微粒悬液。
7.如权利要求6所述的基于荧光追踪样点的材料表层去除原位测量方法，其特征在于，荧光纳米粒子包括量子点、碳点、掺杂荧光染料的二氧化硅纳米颗粒或金属纳米团簇。
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