一种基于DIC测量技术的材料热膨胀测量装置的制作方法

本发明涉及材料热膨胀领域，具体是一种基于dic测量技术的材料热膨胀测量装置。

背景技术：

数字图像相关(digitalimagecorrelation＝dic)测量技术是应用计算机视觉技术的一种图像测量方法，是一种非接触的、用于全场形状、变形、运动测量的方法。它直接处理的对象是具有一定灰度分布的数字图像散斑图，通过对比材料或者结构表面在变形前后的散斑图运用相关算法得到全场位移和应变。二维测量变形及应变方面与传统方法相比有其显著的优点，可以针对不同的试样表面大小和形状进行二维全场应变值的分析计算。它是现代先进光电技术、图像处理与识别技术和计算机技术相结合的产物，是现代光检测学领域的又一新进展。

在材料科学领域，尤其是金属材料作为应用最广泛的一类材料，对于不同材料的热膨胀量测量和膨胀系数测定一直是一个较为重要的课题，对于研究材料的热性能以及内在的相变规律等具有重要的意义。

目前，测定材料热膨胀的方法主要有：应变片法、石英膨胀计法、双线法、光干涉法等。其中，应变片法因其灵敏系数随温度变化而变化，在材料非均匀变形的条件下，其具有一定的局限性。双线法虽然简单易行，但是其具有一定的局限性，主要适用于玻璃及料器等材料。光干涉法对于光路系统的稳定性和激光频率稳定性要求较高，操作较为繁琐。干涉法测量材料线膨胀系数的精度最高，但其精度易受到诸如温度、压力、湿度等因素的影响，因此对测量环境和试件尺寸要求较为苛刻，且仪器价格昂贵，操作复杂。而目前dic在力学测量等方向凭借其可靠性、可用性、高精度和价格低廉等独特优点，已经在材料的力学行为测试与分析上有着许多应用。但是对于在金属材料热膨胀方面的运用并不是很普遍，尤其是在国内外这方面的报道相对较少。申请号为201510009999.0的文献公开了基于dic应变测量系统的板料成形能力与变形均化能力评价方法，虽然将dic技术应用到材料的变形领域，但是其采用的dic技术采用大量的复杂的算法对应特定的一个区域进行采集，实施难度系数较高，而且容易造成一定的算法偏差。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种基于dic测量技术的材料热膨胀测量装置。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于dic测量技术的材料热膨胀测量装置，其特征在于该装置包括热电偶、外加热场、试样托、石英顶杆、反光镜、支点、光源、成像屏、激光测距仪、ccd相机、上位机和温度采集放大模块；

所述热电偶置于外加热场中，且不与外加热场接触；测试时，热电偶的工作端放置于试样的中心位置；热电偶的自由端通过温度采集放大模块与上位机连接；

所述试样托固定在外加热场内；测试时，试样通过试样托固定在外加热场内；试样的一端与外加热场的底部接触，另一端与石英顶杆的一端接触，试样与石英顶杆共轴；所述反光镜安装在支点上，反光镜的中轴线与支点的中心共线；所述石英顶杆的一端与反光镜接触；所述光源与支点和顶杆均在同一水平线上且同轴，光源位于反光镜和成像屏之间；光源和反光镜放置于一个避光空间中；ccd相机与激光测距仪平行放置，ccd相机的镜头与成像屏的距离和激光测距仪与成像屏的距离相同；ccd相机的镜头和激光测距仪均能够检测到成像屏；所述ccd相机与上位机连接。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)将光放大原理与dic技术相结合，间接降低了成本，提高了精度，并且简化dic技术的二值算法，大大提高了生产效率。

(2)利用dic技术，配合外加的热场，将金属材料的热膨胀信号通过光杠杆原理进行放大后，再通过二值法预处理dic技术简单有效的进行数据采集，热场通过高精度热电偶进行温度的电压信号采集，采集到的信号传输到pc，最终通过labview软件实现数据的处理与分析。

(3)采用二值法来区分和采集光斑，更能准确合理地反映材料整体的膨胀性能，同时增加材料膨胀速度衡量指标可更直观的反映材料变形的均匀程度，可更全面的说明材料的膨胀性能。

(4)采用labview软件实现人机交互界面，更加灵活高效，可以实现实验过程中的实时监控和保护以及数据处理，确保实验高效、安全进行。

附图说明

图1是本发明基于dic测量技术的材料热膨胀测量装置一种实施例的整体结构示意图；

图2是本发明基于dic测量技术的材料热膨胀测量装置一种实施例的温度采集放大模块原理图；(图中：1、热电偶；2、外加热场；3、试样托；4、试样；5、石英顶杆；6、反光镜；7、支点；8、光源；9、成像屏；10、激光测距仪；11、ccd相机；12、上位机；13、温度采集放大模块)

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种基于dic测量技术的材料热膨胀测量装置(简称装置，参见图1-2)，其特征在于该装置包括热电偶1、外加热场2、试样托3、石英顶杆5、反光镜6、支点7、光源8、成像屏9、激光测距仪10、ccd相机11、上位机12和温度采集放大模块13；

所述热电偶1置于外加热场2中，且不与外加热场2接触；测试时，热电偶1的工作端放置于试样4的中心位置，采集实验温度；热电偶1的自由端通过温度采集放大模块13与上位机12连接，温度采集放大模块13采集热电偶1的电压信号并将电压信号放大再传输至上位机12中，进行处理；

所述试样托3固定在外加热场2内，用于放置试样4；测试时，试样4通过试样托3固定在外加热场2内；试样4的一端与外加热场2的底部接触，另一端与石英顶杆5的一端接触，试样4与石英顶杆5共轴，保证试样4可以联动石英顶杆5；所述反光镜6安装在支点7上，反光镜6的中轴线与支点7的中心共线；所述石英顶杆5的一端与反光镜6接触；所述光源8与支点7和顶杆6均在同一水平线上且同轴，光源8位于反光镜6和成像屏9之间；光源8和反光镜6放置于一个避光空间(不透光壳体)中，防止外部环境对光路影响；ccd相机11与激光测距仪10平行放置，ccd相机11的镜头与成像屏9的距离和激光测距仪10与成像屏9的距离相同；ccd相机11的镜头和激光测距仪10均能够检测到成像屏9；所述ccd相机11与上位机12通过usb口连接。

所述热电偶1采用铂铑-铂热电偶；

所述外加热场2采用电阻炉；

光源8采用卤素灯；

上位机12中安装有labview软件；

优选地，光源8位于成像屏9的中心位置；

优选地，ccd相机11安装在激光测距仪10上，保证ccd相机11的镜头与成像屏9的距离和激光测距仪10与成像屏9的距离相同；

热电偶1的工作端与试样4表面相距1mm；

试样4为φ5mm×59mm的圆柱体形状，且圆柱体的两个底面平行且光滑；

单向量程(成像屏9与ccd相机11的镜头之间的距离)不小于100mm，优选120mm；成像屏9的直径为100mm；根据成像屏9的直径和单向量程，得到ccd相机11定焦镜头的焦距为12mm。

温度采集放大模块13采用lmv358运放放大器作为模块的主芯片，具体的电路连接是：模块的引脚1连接电源正，引脚2接地，引脚3接热电偶1的gnd引脚，引脚4接热电偶1的out引脚，引脚5和引脚6空置，引脚7接vout，引脚8接地；

本发明基于dic测量技术的材料热膨胀测量装置的工作原理和工作流程是：

步骤1、将试样4通过试样托3固定在外加热场2内；试样4的一端与外加热场2的底部接触，另一端与石英顶杆5的一端接触，试样4与石英顶杆5共轴；试样4在常温状态下，反光镜6不发生偏离，光源8通过反光镜6的反射后，标定此时光源8的光斑在成像屏9上的位置(本实施例中光源8的光斑位于成像屏9的中心位置)；

步骤2、测试开始，打开外加热场2和光源8，热电偶1的工作端放置于试样4中心位置，采集试样4的实时温度，热电偶1温度变化引起电压信号；温度采集放大模块13采集热电偶1的电压信号；试样4在外加热场2中受热膨胀，其膨胀量通过石英顶杆5的变形量进行传递，然后石英顶杆5推动反光镜6，使其绕支点7偏离一定角度，石英顶杆5的变形量转变为反光镜6的角度变化量，光源8通过反光镜6的反射后，在成像屏9上显示偏离初始位置一定距离的光斑；ccd相机11调节自身焦距和与成像屏9位置(位置可通过激光测距仪10完成)，进而完成光源8的光斑图像的采集；

步骤3、通过上位机12的labview软件实时采集ccd相机11的光斑图像，图像经过二值法预处理、滤波等处理后，得到光斑位置信息；上位机12的labview软件实时采集温度采集放大模块13放大后的电压信号并将电压信号转换成温度信息；再将光斑位置信息与对应的温度信息处理后，将位置信息、时间信息和温度信息以图表的形式显示出来并绘制温度-膨胀量曲线和温度-膨胀系数曲线。

步骤3中得到光斑位置信息的具体实现方法如下：

(1)经图像处理后得到的光斑位置坐标位于相机图像坐标系中，其计量单位是像素，无法直接表征被测点的实际位置信息，需要使用激光测距仪10标定出横向坐标转换系数和纵向坐标转换系数，计算方法如公式(1)：

式(1)中，(δx，δy)表示相机图像坐标系中光斑位置变化量，α表示横向坐标转换系数，β表示纵向坐标转换系数，(δx，δy)表示光斑的实际位置变化量；

(2)在labview软件中使用公式(1)计算节点，将光斑位置坐标从图像坐标系转换到世界坐标系；此时的光斑位置坐标已能够表征被测点的位移变化量；

(3)根据光斑瞬时速度计算方法可知，需要对每1分钟内的光斑位置信息进行加权平均处理，才能够消除不稳定因素带来的影响，这样处理后得到的光斑瞬时速度才是真实的；截取一分钟内的数据进行处理，然后求出光斑瞬时速度。

所述二值法预处理的具体方法是：

(1)根据初始开关函数将输入图分为前景和背景，在第一遍对图像扫描结束后，平均两个积分器的值以确定一个阈值；

(2)用这个阈值控制开关再次将输入图分为前景和背景，并用做新的开关函数；

(3)如此反复迭带直到开关函数不在发生变化，此时得到的前景和背景即为最终分割结果，迭代所得的阈值分割的图像效果好。

本发明未述及之处适用于现有技术。