[发明专利]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

说明书

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。

发明内容

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及测量方法，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；