基于紫外照明DIC的高温材料机械性能加载测量系统的制作方法

技术领域

本发明涉及一种用于高温物体表面的力、热载荷作用下的全场变形的机械性能测量系统及其测量方法，应用于机械制造、航空航天、材料等各领域高温条件下应变与变形的测量。

背景技术：

高温材料在高温条件下的机械力学性能的准确测量，对航空航天飞行器材料和结构的可靠性评定、寿命预测以及安全设计至关重要，获取材料表面高温情况下的变形和应变场信息是对其机械性能研究的关键和基础。现有技术中，对于高温材料在高温条件下的机械力学性能的测量存在如下问题：

一是对于1000℃以上的高温还没有相适应的全场变形测量技术；

二是传统的接触式变形测量方法只能实现单点或者平均变形信息，无法获取全场信息。在非接触全场光测方法中，激光散斑干涉方法(ESPI)不仅对环境要求苛刻，而且在材料因温度高呈发红的状态下无法测量；

三是传统方法无法实现高温炉与拉伸机配合在加热的同时进行力的加载，同时高温炉其自身的温度传感器所测得的是炉内气体的温度，由于被测材料与炉内气体之间存在温度差异，因此温度传感器测得的温度并非被测材料的温度；

数字图像相关方法(Digital Image Correlation，DIC)是一种全场非接触方法，被广泛应用于机械制造、航空航天、材料等各领域的测量；但是，由于加温时材料的表面自发光谱同成像照明光源的叠加，在温度高于1000℃的时候，试样表面已经烧红近似达到白色。表面发射光谱已经覆盖整个可见光区域(波长390nm～780nm)，辐射强度将大于照明光源强度，造成所采集图像的亮度饱和，从而出现严重的退相关效应。

如图2所示为1000℃以上不同温度下的材料热辐射谱，可见随着温度的升高，其热辐射谱有由右向左平移的趋势(及辐射波长往短波方向偏移)。在1000℃，辐射谱能量在500nm波段还比较微弱，但是到了1400℃，辐射谱在紫光段(波长380nm～400nm)都还有发射。因此在此高温情况下，普通的单色照明光源(如450nm蓝色光)和滤波已经无法从试样反射光谱中探测出有用信息。

技术实现要素：

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于紫外照明DIC的高温材料机械性能加载测量系统，以期能够实现1000℃以上材料全场应变的非接触测量。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于紫外照明DIC的高温材料机械性能加载测量方法，其特点是：对于处在设定的温度环境、并处在设定的加载状态下的被测试样，将波长小于380nm的紫外光源投射于所述被测试样的表面；利用紫外敏感图像采集模块对于所述被测试样的表面进行图像采集，获得对应于不同温度、不同时刻、不同加载力下的被测试样表面的各采集图像，通过对所述各采集图像进行DIC图像处理，获得被测试样表面的全场热变形信息。

本发明基于紫外照明DIC的高温材料机械性能加载测量方法，其特点是：所述温度环境为1000℃～3000℃。

本发明基于紫外照明DIC的高温材料机械性能加载测量系统，其特点是系统构成包括高温加载单元和测量单元；所述高温加载单元是将拉伸机的拉伸轴沿竖直方向伸向高温炉中，并利用拉伸轴轴端夹具夹持被测试样，使被测试样处在高温炉的可视透明窗位置处；所述测量单元设置在所述高温炉的外部，包括：

一窄带紫外照明光源，以所述窄带紫外照明光源将波长小于380nm的紫外光均匀照射处在高温炉中的被测试样；

一紫外敏感图像采集模块，是在紫外敏感CCD相机的紫外成像镜头的前端设置窄带紫外滤光片构成紫外敏感图像采集模块，以所述紫外敏感图像采集模块获得被测试样的被测表面的采集图像；

一红外热感摄像机，以所述红外热感摄像机获得不同时刻下的被测试样的被测表面的温度信息；

一标定板，用以标定紫外敏感CCD相机的相机参数。

本发明基于紫外照明DIC的高温材料机械性能加载测量系统的测量方法，其特点是按如下过程进行：

步骤1：将被测试样置于高温炉中，并由设置在高温炉中的拉伸轴轴端夹具夹持；将紫外光源投射于被测试样的表面；调整紫外敏感图像采集模块的紫外成像镜头使所述紫外敏感CCD相机可以对于所述被测试样的表面进行图像采集；设置红外热感摄像机使得利用所述红外热感摄像机可以实时测得被测试样的温度；

步骤2：利用所述紫外敏感CCD相机对于所述被测试样的表面进行图像采集，获得对应于不同温度、不同时刻、不同加载力下的被测试样表面的各采集图像，通过对所述各采集图像进行DIC图像处理，获得被测试样表面的全场热变形信息。

本发明是在材料处在加热条件下同时加载力，实时测量材料温度，可有效避免物体表面自身辐射光产生的退相关效应，从而大幅提高测量精度并降低测试难度，与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明利用波长在窄带紫外滤光片带通波长范围内的窄带紫外光照明光源发出的紫外光，均匀照射被测高温试样，其中心波长完全避开高温下材料的自发热辐射光的波长；再利用紫外滤光片将光源的紫外光与材料热辐射光分离，避免了材料热辐射干扰，使图像采集系统能够清晰成像；采用紫外成像镜头能够使紫外光有效透过(普通镜头对紫外光透过率很低，影响清晰成像)，同时使用紫外敏感CCD相机，能够对紫外图像敏感成像(普通CCD相机对紫外不敏感，无法成像)。

2、本发明将拉伸机与高温炉相配合，拉伸机的拉伸杆插入高温炉内部，利用夹具夹紧试样，实现对材料加热的同时进行力的加载，并通过耐高温玻璃窗口拍摄加载过程。

3、本发明利用红外热感摄像机实时拍摄试样，成功避免高温炉自身温度传感器带来的温度误差，实现对被测材料温度的实时精确测量。

4、本发明利用计算机中相关软件处理得到高温下材料的全场变形信息，为1000℃以上材料变形测量提供一种高精度和非接触并且方便易行的测量系统及方法。

附图说明

图1为本发明系统构成示意图；

图2为本发明不同温度下材料自身热辐射光谱曲线示意图；

图中标号：1紫外敏感CCD相机、2紫外成像镜头、3窄带紫外滤光片、4窄带紫外照明光源、5标定板、6支座系统、7计算机、8高温炉、9拉伸机、10红外热感摄像机、11被测试样。

具体实施方式

本实施例中基于紫外照明DIC的高温材料机械性能加载测量方法是：对于处在设定的温度环境、并处在设定的加载状态下的被测试样，将波长小于380nm的紫外光源投射于被测试样的表面；利用紫外敏感图像采集模块对于所述被测试样11的表面进行图像采集，获得对应于不同温度、不同时刻、不同加载力下的被测试样表面的各采集图像，通过对各采集图像进行DIC图像处理，获得被测试样表面的全场热变形信息。

本实施例中测量方法适应于温度环境为1000℃～3000℃的测量过程。

参见图1，本实施例中基于紫外照明DIC的高温材料机械性能加载测量系统的系统构成包括高温加载单元、测量单元以及用于进行数据处理的计算机7；高温加载单元是将拉伸机9的拉伸轴沿竖直方向伸向高温炉8中，并利用拉伸轴轴端夹具夹持被测试样11，使被测试样11处在高温炉8的可视透明窗位置处；测量单元设置在高温炉8的外部，包括：

窄带紫外照明光源4，以窄带紫外照明光源4将波长小于380nm的紫外光均匀照射处在高温炉8中的被测试样11。

紫外敏感图像采集模块，是在紫外敏感CCD相机1的紫外成像镜头2的前端设置窄带紫外滤光片3构成紫外敏感图像采集模块，以紫外敏感图像采集模块获得被测试样11的被测表面的采集图像。

红外热感摄像机10，以红外热感摄像机10获得不同时刻下的被测试样11的被测表面的温度信息。

标定板5，利用紫外敏感CCD相机采集标定板在相机视野内贴紧被测试样11表面的不同位置的图像，用以标定紫外敏感CCD相机的相机参数，进而标定紫外敏感图像采集模块的光学参数。

具体实施中，紫外敏感CCD相机1和红外热感摄像机10通过螺钉分别固定在底座上，底座安装在固定于三脚架上的水平导轨上，由底座和水平导轨和三脚架构成支座系统6，使得紫外敏感CCD相机1和红外热感摄像机10可以在倾角和水平位置以及高度上分别获得一定范围的调整，进而使得紫外敏感CCD相机1和红外热感摄像机10能够分别获得被测试样11的表面图像。

测量过程：

步骤1：将被测试样置于高温炉中，并由设置在高温炉中的拉伸轴轴端夹具夹持；将紫外光源投射于被测试样的表面；调整紫外敏感图像采集模块的紫外成像镜头使所述紫外敏感图像采集模块可以对于所述被测试样的表面进行图像采集；设置红外热感摄像机使得利用所述红外热感摄像机可以实时测得被测试样的温度。

步骤2：利用紫外敏感图像采集模块对于被测试样的表面进行图像采集，获得对应于不同温度、不同时刻、不同加载力下的被测试样表面的各采集图像，通过对各采集图像进行DIC图像处理，获得被测试样表面的全场热变形信息。

材料的自发辐射在近紫外区域极少，本发明中窄带紫外照明光源4是采用窄带光谱LED阵列，光谱中心波长避开被测试样在高温下产生的辐射光谱，光谱带宽选择为5～10nm。

图2所示为1000℃以上不同温度下的材料热辐射谱，随着温度的升高，材料自身辐射谱向短波段扩展，已经覆盖整个可见光区域(390nm～780nm)。而选用的紫外光波段(波长380nm以下)位于材料自身高温热辐射波段之外，可以有效避免高温热辐射光干扰。