[发明专利]一种基于紫外成像的超高温应变场-温度场同步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的超高温应变场‑温度场同步测量系统及测量方法，该应变场‑温度场同步测量系统包括紫外相机(1)、镜头(2)、同轴紫外光源(3)，与紫外光源波长相对应的窄带通滤波片(4)和用于处理图像得到应变场‑温度场的计算机(6)。在测量应变场‑温度场之前首先在试验件(10)表面制作耐高温散斑(9)，利用高温力学试验机对被试件施加力、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的超高温应变场‑温度场同步测量系统采集试验件表面图像，利用数字图像相关方法和事先采用黑体炉已标定的系统对试验件表面的应变场‑温度场进行高精度毫米到微米级视场的测量。本发明原理简单、结构紧凑，采用高温力学试验装置配合对从室温到3273K超高温环境下的试验件表面的应变场‑温度场进行同步高精度测量。

技术领域

本发明涉及实验固体力学领域，尤其是力、热耦合作用下全场的应变场-温度常同步测量方法，应用于航空航天、发动机热端部件高温合金、陶瓷基复合材料等领域的超高温应变场-温度场同步测量。

背景技术

作为关键高温结构材料，高温合金、陶瓷和陶瓷基复合材料更多地应用在航空发动机、火力、核发电厂等领域。由于服役于热、力耦合极端环境下，这种极端高温会降低材料的强度极限和结构的承载能力，并使结构产生热变形而破坏结构的使用安全性。因此测量和分析在热、载耦合作用下结构的材料全场热变形、热膨胀量等高温性能参数的变化对进一步研究分析材料在高温下的承载能力和结构强度不仅具有重要的意义,而且对材料的安全设计、可靠性评定以及使用寿命预测都具有实际的工程应用价值。而温度是高温材料性能测量试验中又一个重要指标。通常情况，材料的物理性质如热膨胀系数、弹性模量、强度都是和温度相关的，在常温下一般忽略温度对材料参数的影响，但在高温环境中，温度效应变得非常突出。因此进行理论和数值计算时准确的获取全场的温度而不仅仅是一个点的温度对研究分析因缺陷导致的温度分布不均匀，组分多项、各项异性的复合材料性能及在高温极端应力环境中的服役状态有非常重要的意义。

为了测量试样表面的全场热变形，可采用基于两束相干激光光波干涉的电子散斑干涉法、云纹干涉法和激光散斑法。在高温下，等人证明了干涉条纹可以用电子散斑干涉制作，并且使用温度高达1823K；Anwander等人提出在1473K时，数字激光散斑技术可在10×10毫米的视场中用于测定受载热应变。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。相比之下，在上世纪80年代发展起来的基于数字图像灰度分析和数值计算的数字图像相关方法则更受到了广泛的关注。在过去30年间，数字图像相关方法得到了突飞猛进的发展，已经成为高温应变测量的主流方法。这是因为与其他测试方法相比，数字图像相关方法具有一些特殊的优势：(1)光路、实验设备和实验过程简单；(2)可以实现全场测量；(3)对测量环境和隔振要求较低，容易实现现场测量。在1990年，Turner等人将数字图像相关方法应用于测量金属的热膨胀系数，但由于热辐射的影响，最高温仅到873K。Grant等人、Novak等人提出利用蓝光照明和窄带通滤波相结合来实现了1773K下的变形测量，为克服高温热辐射提供了行之有效的解决思路。近年来，更高温度下抵抗黑体热辐射的理论分析和实验结果证明，紫外光以其更短波长的优势在测量高温变形方面得到了研究者的关注。