[发明专利]一种基于紫外成像DIC的超高温多尺度多功能应变测量系统及测量方法

说明书

本发明涉及一种基于紫外成像数字图像相关方法(DIC)的超高温多尺度多功能应变测量系统及测量方法，该应变测量系统包括紫外相机(1和5)、同轴长工作距离显微镜头(7和15)、单色光源(2)、与单色光源波长对应的窄带通滤波片(6和16)、在试验件表面制作耐高温散斑或者使用摩擦划痕斑点(自然散斑失效时)，利用高温图像观察炉和配套的高温力学测试装置对被测矩形截面或圆柱面试验件施加力、热载荷，采用同轴紫外光主动照明试验件，并用该基于紫外成像DIC的超高温多尺度多功能应变测量系统采集试验件表面图像，利用数字图像相关方法对试验件表面的应变进行高精度实时毫米到微米级视场的二维或三维测量。该发明原理简单、结构紧凑，采用高温图像炉和高温拉伸装置配合对从室温到2000℃超高温环境下的试验件表面的变形和力学性能进行实时、高精度测量。

技术领域

本发明涉及实验固体力学领域，尤其是力、热耦合作用下对于全场的二维和三维变形测量方法，应用于航空航天，高温复合材料等各领域的超高温位移和应变测量。

背景技术

对航空航天材料和结构以及各种高温合金和高温陶瓷复合材料在高温环境下由力、热载荷引起的全场变形进行非接触式、高精度测量对于这些材料的安全设计、可靠性评定以及使用寿命预测都有着重要的意义。目前在超高温条件下进行应变测量，主要有接触式与非接触式两类方法。传统的接触式方法通常用接触式电阻应变片和超高温引伸计来实现高温应变的测量。作为一种逐点测量技术，高温电阻应变片只能测量其标距范围内沿某个方向的平均线应变，即局限于特定点特定方向的线应变测量，无法用于被测试样表面全场高温变形的测量；2)其次，作为一种接触式测量技术，与被测试样表面通过焊接或喷涂方式连接的高温电阻应变计或多或少对被测材料有一定的强化作用；3)最后，高温环境对高温应变片的测量结果影响很大。

由于传统的接触式测量方法存在着以上缺点，研究人员开始使用非接触式高温应变测量方法。Anwander用在1200℃用激光照明被测高温物体，并利用两个垂直距离为L的CCD相机分别记录物体表面反射光波相互干涉形成的散斑场，并利用互相关算法跟踪不同相机记录图像中两个激光散斑颗粒的距离变化来测量物体表面的高温变形。显而易见，此方法只能用于两个标记之间的平均变形测量，对于非均匀高温变形场的测量则不适用。为了测量试样表面感兴趣区域内的全场热变形，可采用基于两束相干激光光波干涉的电子散斑干涉法、云纹干涉法等。尽管基于激光光波干涉的云纹干涉和电子散斑干涉法的测量灵敏度非常高，并具有测量结果直观可视的优点，但这些方法的测量光路较为复杂且对测量环境要求苛刻，因此测量通常只能在实验室暗室中的光学隔振平台上进行。此外，测量结果以条纹图的形式直接呈现，需对条纹图进行进一步的相位分析才能获得全场变形信息。Lyons在1996年用基于数字图像相关(DIC)的方法实现了650℃高温条件下的全场应变测量，DIC方法具有非接触，全场测量，测量温度范围广，测量过程简单等优点，但当温度继续升高时，试验件表面强烈的热辐射会导致“退相关”效应，同时试验件表面喷涂的散斑会由于温度过高发生氧化甚至脱落，这使得按照通常的方法无法在更高温度下进行应变测量。为了克服这个缺点，Pan将主动成像与DIC方法结合起来，用陶瓷涂料制备的耐高温散斑，用单色蓝光源进行照明，同时采用窄带通滤波片过滤辐射光，最后应用高效的增量可靠性导向数字图像相关方法得到全场变形，实现了从0～1550℃温度的应变测量。尽管主动成像的DIC方法也能够完成高温下应变测量，但大部分的测量是在宏观视场范围(cm-m)尺度进行，而且当实验温度进一步上升时，蓝光主动成像仍然可能会失效，加上喷涂散斑材料脱落，因此利用喷涂散斑的DIC方法进行试验件应变测量的难度将会迅速增大，甚至于无法完成测量。合肥工业大学王永红发明了基于紫外照明DIC的高温材料机械性能加载测量系统及测量方法，发明号CN104535412A，但此发明第一未涉及多尺度测量尤其是微米级别，一般用于宏观的测量；第二其发明使用的是外置光源容易导致照明不均匀，影响测量精度；第三此发明只在1000度以上使用，1000度以下没有涉及；第四该发明并未涉及在自然纹理下使用。

发明内容