本發(fā)明涉及一種裂紋測量裝置。特別是涉及一種揭示材料在微觀尺度下的裂紋萌生、擴展、直至開裂過程的原位雙軸裂紋擴展路徑自動跟蹤測量系統(tǒng)及測量方法。

背景技術(shù)：

結(jié)構(gòu)或元件在使用過程中，由于交變載荷的作用，或者由于載荷和環(huán)境腐蝕的聯(lián)合作用，會產(chǎn)生微小的裂紋。裂紋將隨著交變載荷周次的增加或環(huán)境腐蝕時間的延長而逐漸擴展。隨著裂紋尺寸增大，結(jié)構(gòu)或元件的剩余強度逐漸減小，最后導致斷裂。因此疲勞破壞時的作用力遠小于靜載荷破壞時的作用力，而且疲勞破壞時一般都沒有明顯的變形，對工程結(jié)構(gòu)的危害很大。統(tǒng)計表明在各種機械零件的斷裂事故中，大約有80％以上是由于疲勞實效引起的。

傳統(tǒng)力學研究多集中于零件或試樣在受到單軸應力作用下的裂紋擴展行為，而對于承受面內(nèi)雙軸作用力的裂紋擴展行為研究較少。并且在多軸應力作用下，裂紋擴展方向會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，傳統(tǒng)的手動觀測方法很難及時捕捉裂紋尖端。

傳統(tǒng)測量裂紋尖端，都是用讀數(shù)顯微鏡，就是鏡頭中間有刻蝕的標尺，讓標尺對準裂紋尖端，隨著裂紋尖端擴展，需要人為的調(diào)整顯微鏡位置，使得裂紋尖端再次對準標尺，這時候讀取顯微鏡移動距離(通常顯微鏡有螺旋測微器，可以移動)即為裂紋尖端在本階段內(nèi)的擴展距離。這就要求實驗人員必須時刻守候，等待變化，否則裂紋尖端可能超過視野，而且難以判斷裂紋尖端是朝著哪個方向超出的視野，不容易跟蹤觀測，也不能準確的繪制擴展路徑。

因此，需要開發(fā)一種試驗系統(tǒng)，包括：可以提供面內(nèi)雙向力學加載；集成裂紋觀測顯微鏡；可以方便的調(diào)整顯微鏡相對于想要觀察區(qū)域的位置；自動跟蹤裂紋尖端；具有相關(guān)的控制系統(tǒng)、軟件等。實現(xiàn)功能全面的、成體系的原位雙軸裂紋擴展路徑自動跟蹤測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠揭示材料在微觀尺度下的裂紋萌生、擴展、直至開裂過程的原位雙軸裂紋擴展路徑自動跟蹤測量系統(tǒng)及測量方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種原位雙軸裂紋擴展路徑自動跟蹤測量系統(tǒng)，包括有計算機，以及由光學平臺臺面和光學平臺支腿構(gòu)成的光學平臺，所述的光學平臺臺面上固定設(shè)置有十字滑臺，所述十字滑臺的臺面上固定設(shè)置有用于加載被測試樣的雙向加載裝置，所述的雙向加載裝置的上方對應所述的被測試樣設(shè)置有用于采集圖像的電子顯微鏡，所述的電子顯微鏡固定安裝在粗微調(diào)顯微支架上，所述粗微調(diào)顯微支架中的導向柱的兩端通過設(shè)置在光學平臺臺面上的支撐架進行固定，其中，所述十字滑臺的x方向和y方向上的導軌滑塊上分別設(shè)置有位移傳感器，所述位移傳感器的信號端連接xy雙向移動平臺控制器，所述雙向加載裝置中x方向和y方向的夾具上分別設(shè)置一個力傳感器，所述力傳感器的信號端連接雙向加載裝置控制器，所述雙向加載裝置控制器和xy雙向移動平臺控制器分別連接計算機。

所述的支撐架包括有垂直設(shè)置在光學平臺臺面后側(cè)兩個端角上的兩個支柱，連接在兩個所述支柱頂端上的上橫梁和連接在兩個支柱之間且位于所述上橫梁下面的下橫梁，所述粗微調(diào)顯微支架中的導向柱的頂端固定連接在上橫梁的下端面上，所述粗微調(diào)顯微支架中的導向柱的底端固定連接在下橫梁的上端面上。

兩個所述支柱的前側(cè)面上分別各連接一個起支撐作用的斜支柱，所述斜支柱的底端固定在所述光學平臺臺面前側(cè)的兩個端角上。

所述電子顯微鏡是由智能攝像機和齊焦顯微鏡頭組成，所述的齊焦顯微鏡頭固定插入在所述粗微調(diào)顯微支架中的鏡頭固定環(huán)上，所述齊焦顯微鏡頭的一端連接智能攝像機的鏡頭連接口上，另一端朝向所述的被測試樣。

一種原位雙軸裂紋擴展路徑自動跟蹤測量系統(tǒng)的測量方法，包括如下步驟：

1)將被測樣品或零件加工成具有便于測試的形狀的試樣；

2)在試樣上預制裂紋；

3)使用雙向加載裝置的夾具夾持試樣，使試樣上的裂紋方向平行于測量系統(tǒng)的x方向；

4)根據(jù)所需圖像的放大倍數(shù)，調(diào)整粗微調(diào)顯微支架，使顯微圖像成像清晰；

5)通過xy雙向移動平臺控制器，控制十字滑臺移動，調(diào)整試樣相對于電子顯微鏡的水平位置，直至獲得清晰的裂紋尖端的圖像；

6)捕捉裂紋尖端；

7)在雙向加載裝置的控制軟件中設(shè)置試驗條件，并開始試驗；

8)根據(jù)捕捉到的裂紋尖端坐標，在xy雙向移動平臺控制器的控制軟件中設(shè)置十字滑臺的移動條件，使裂紋尖端始終處在電子顯微鏡視野的中心位置，以實現(xiàn)自動跟蹤；

9)記錄裂紋尖端移動軌跡、裂紋生長速率和方向信息。

步驟1)中，是將被測樣品或零件加工成方形或十字形形狀的試樣。

步驟2)所述的裂紋是通過刀切割或線切割或激光切割的方式形成在試樣的表面的裂紋，或是貫穿試樣上下表面的裂紋。

步驟6)所述的捕捉裂紋尖端，是在智能相機的圖像分析軟件中利用圖案識別功能在初始裂紋尖端附近設(shè)置訓練區(qū)域和檢測區(qū)域，開始試驗后，裂紋尖端的位置發(fā)生變化，智能相機的圖像分析軟件自動確定裂紋尖端的位置；利用智能相機的圖像分析軟件中的繪圖工具獲得裂紋尖端的x、y坐標。

所述的訓練區(qū)域是裂紋尖端的初始圖像形狀，所述的檢測區(qū)域是智能相機的圖像分析軟件捕捉裂紋的視野區(qū)域的范圍。

步驟7)所述的試驗條件包括x軸和y軸的：力控制或位移控制方式、力或位移的波形、力或位移的幅值和均值、力或位移的循環(huán)周期以及x軸和y軸間的相位差。

本發(fā)明的一種原位雙軸裂紋擴展路徑自動跟蹤測量系統(tǒng)及測量方法，能夠揭示材料在微觀尺度下的裂紋萌生、擴展、直至開裂的過程，對于新材料新工藝、精密加工、半導體、微機電系統(tǒng)等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的推動作用。本發(fā)明有益成果如下：

1)本發(fā)明集成了xy雙向移動平臺、雙向加載裝置、顯微觀測裝置、智能相機及其圖像處理軟件、雙向加載裝置控制器及其控制軟件、xy雙向移動平臺控制器及其控制軟件等，組成了一套完整原位雙軸裂紋擴展路徑自動跟蹤測量系統(tǒng)。

2)本發(fā)明可以通過電子顯微鏡實時觀察樣品表面形貌變化和裂紋生長過程，可以自動跟蹤裂紋尖端移動，繪制裂紋尖端移動軌跡、計算裂紋生長速率，為斷裂力學的研究提供新的實驗方法。

3)本發(fā)明可以有效解決視場范圍與測量精度的矛盾。傳統(tǒng)裂紋觀測由于成像精度要求高，從而導致成像視場范圍小。提高相機分辨率可以在一定程序上解決成像精度與視場范圍的矛盾，但這樣會極大增加硬件成本，且降低裂紋觀測的處理效率。本發(fā)明通過調(diào)整相機及鏡頭，使其在裂紋尖端清晰成像。由于系統(tǒng)具有裂尖自動跟蹤功能，不用擔心裂紋會擴展至觀測的視場范圍之外，從而實現(xiàn)裂紋擴展全場觀測。

4)本發(fā)明可以進行系列化推廣，一方面可以結(jié)合單軸、雙軸等各種力學加載裝置，實現(xiàn)裂紋擴展及變形場的觀測，另一方面可以為加載裝置安裝多種附件，例如加熱裝置、腐蝕裝置、溫濕度箱等，實現(xiàn)不同環(huán)境場下的裂紋擴展觀測功能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種原位雙軸裂紋擴展路徑自動跟蹤測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明系統(tǒng)中原位雙軸裂紋擴展路徑自動跟蹤測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明系統(tǒng)中十字滑臺的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明方法中所測試的十字形試樣結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明方法中裂紋追蹤原理示意圖。

圖中

1：上橫梁2：支柱

3：下橫梁4：斜支柱

5：齊焦顯微鏡頭6：夾具

7：力傳感器8：智能攝像機

9：粗微調(diào)顯微支架9.1：臺面

9.2：光柵式位移傳感器9.3：絲杠副

9.4：底座9.5：電機

9.6：聯(lián)軸器9.7：導軌滑塊

9.8：絲杠固定支座10：被測試樣

11：雙向加載裝置12：十字滑臺

13：光學平臺臺面14：光學平臺支腿

15：鋁合金角架16：導向柱

17：雙向加載裝置控制器18：xy雙向移動平臺控制器

19：計算機20：夾持部

21：預制裂紋22：訓練圖案

23：實時捕捉24：初始裂紋位置

25：實時裂紋位置26：裂紋尖端移動軌跡

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的一種原位雙軸裂紋擴展路徑自動跟蹤測量系統(tǒng)及測量方法做出詳細說明。

本發(fā)明的一種原位雙軸裂紋擴展路徑自動跟蹤測量系統(tǒng)，是針對金屬、高分子材料、復合材料等材料樣品或元件進行面內(nèi)雙向加載，同時利用顯微鏡和x、y雙向移動平臺，觀察樣品表面裂紋形狀變化、自動追蹤裂紋尖端，監(jiān)控裂紋生長狀態(tài)的試驗裝置。

如圖1、圖2所示，本發(fā)明的一種原位雙軸裂紋擴展路徑自動跟蹤測量系統(tǒng)，包括有計算機19，以及由光學平臺臺面13和光學平臺支腿14構(gòu)成的光學平臺，光學平臺支腿14的上下部分均有減震腳墊。所述的光學平臺臺面13上固定設(shè)置有十字滑臺12，所述十字滑臺12的臺面上固定設(shè)置有用于加載被測試樣10的雙向加載裝置11，所述的雙向加載裝置11的上方對應所述的被測試樣10設(shè)置有用于采集圖像的電子顯微鏡，所述的電子顯微鏡固定安裝在粗微調(diào)顯微支架9上，所述粗微調(diào)顯微支架9中的導向柱16的兩端通過設(shè)置在光學平臺臺面13上的支撐架進行固定，其中，所述十字滑臺12的x方向和y方向上的導軌滑塊上分別設(shè)置有位移傳感器，所述位移傳感器的信號端連接xy雙向移動平臺控制器18，所述雙向加載裝置11中x方向和y方向的夾具上分別設(shè)置一個力傳感器7，所述力傳感器7的信號端連接雙向加載裝置控制器17，所述雙向加載裝置控制器17和xy雙向移動平臺控制器18分別連接計算機19。

本發(fā)明的實施例中所述的十字滑臺12，是采用凱爾測控試驗系統(tǒng)(天津)有限公司生產(chǎn)的如圖4所示的小型十字滑臺，安裝有光柵式位移傳感器，精度為0.1μm，利用高減速比無回差行星齒輪減速電機作動。其有效行程150mm*100mm，重復定位精度0.5μm。十字滑臺的精度和各項尺寸滿足試驗要求。

所述xy雙向移動平臺控制器18及其控制軟件采用凱爾測控試驗系統(tǒng)(天津)有限公司生產(chǎn)的多通道控制器、伺服驅(qū)動器、careteststudiosoftware操作軟件等。該系統(tǒng)包括通訊模塊、ad轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字信號采集模塊、運動控制模塊、da轉(zhuǎn)換模塊等，可以將智能相機通過tcp/ip協(xié)議傳輸給控制器的裂紋尖端坐標作為反饋變量，軟件設(shè)置通過移動xy平臺維持該坐標至cmos傳感器中心像素點，也就是視野的中心位置。同時記錄每次的移動量，實時繪制裂紋尖端移動軌跡，并實時輸出裂紋生長速率。本發(fā)明的實施例中，所述十字滑臺和xy雙向移動平臺控制器除本例中采用的凱爾測控試驗系統(tǒng)(天津)有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品外，還可以采用日本nsk品牌、iko品牌、日本nb品牌的類似產(chǎn)品。

本發(fā)明的實施例中所述的雙向加載裝置11，是采用凱爾測控試驗系統(tǒng)(天津)有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，配備4套夾具6，用以夾持十字形試樣。本雙向加載裝置11的參數(shù)、精度和各項尺寸滿足試驗要求。所述的雙向加載裝置本身帶有水浴槽，可以進行腐蝕環(huán)境下的靜態(tài)力學測試及疲勞裂紋擴展實驗，在液膜較薄的情況下可以利用顯微鏡觀察，而不影響系統(tǒng)的功能。所述的雙向加載裝置也可以集成加熱裝置、溫濕度環(huán)境箱等，以實現(xiàn)更復雜的功能。

所述雙向加載裝置控制器17及其控制軟件采用凱爾測控試驗系統(tǒng)(天津)有限公司品牌配套ipbf-300型原位雙軸力學試驗系統(tǒng)的控制驅(qū)動器及其控制軟件，可以實現(xiàn)單拉、雙軸拉伸、單軸拉壓循環(huán)(三角波、正弦波、梯形波)、雙軸拉壓循環(huán)、單軸蠕變、雙軸蠕變、單軸松弛、雙軸松弛等多種力學測試。本發(fā)明的實施例中，所述雙向加載裝置11和雙向加載裝置控制器及其控制軟件除本例中采用的凱爾測控試驗系統(tǒng)(天津)有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品外，還可以采用美國mts品牌、美國ta品牌、美國instron品牌的類似產(chǎn)品。

所述的支撐架包括有通過鋁合金角架15垂直設(shè)置在光學平臺臺面13后側(cè)兩個端角上的兩個支柱2，連接在兩個所述支柱2頂端上的上橫梁1和連接在兩個支柱2之間且位于所述上橫梁1下面的下橫梁3，所述粗微調(diào)顯微支架9中的導向柱16的頂端固定連接在上橫梁1的下端面上，所述粗微調(diào)顯微支架9中的導向柱16的底端固定連接在下橫梁3的上端面上。兩個所述支柱2的前側(cè)面上分別各連接一個起支撐作用的斜支柱4，所述斜支柱4的底端通過鋁合金角架15固定在所述光學平臺臺面13前側(cè)的兩個端角上。所述支柱2和斜支柱4組成三角形結(jié)構(gòu)，提高整體裝置的剛度。

所述電子顯微鏡是由智能攝像機8和齊焦顯微鏡頭5組成，所述的齊焦顯微鏡頭5固定插入在所述粗微調(diào)顯微支架9中的鏡頭固定環(huán)上，所述齊焦顯微鏡頭5的一端連接智能攝像機8的鏡頭連接口上，另一端朝向所述的被測試樣10。

齊焦顯微鏡頭5的放大倍率為32-317倍，可以連續(xù)變倍；通過粗微調(diào)顯微支架9調(diào)節(jié)焦距，因為采用齊焦顯微鏡頭，可以保證改變放大倍數(shù)時焦距不變，方便試驗時在不同倍率下觀察試樣表面形貌和裂紋變化。由于光學平臺支腿14的上下部分均有減震腳墊，減小外界振動對于顯微觀測的影響。

本發(fā)明的實施例中，所述智能相機及其所帶的圖像處理軟件是采用美國康耐視品牌8405系列視覺系統(tǒng)。本實施例選用500w像素(2592*1944像素)型智能相機，圖像分析軟件版本為in-sight瀏覽器v4.8.4(9)。該智能相機及其圖像處理軟件具有多種檢測部件，本實施例主要采用其“圖案識別”功能、“繪圖工具”功能、“測量工具”功能等檢測部件。如圖5裂紋追蹤原理示意圖所示，所述“圖案識別”功能可以在選定的檢測區(qū)域內(nèi)自動確定與所訓練圖案最匹配的圖案位置，其中“訓練圖案”是初始階段的裂紋圖樣，由于裂紋尖端形狀在擴展過程中變化不大，因此可以作為訓練圖案使用，軟件另外有“合格閾值”、“角度公差”、“差異接受”等參數(shù)需要指定，即使尖端形狀有變化，也可以保證裂紋尖端的追蹤準確；所述“繪圖工具”功能可以選取圖像邊緣為x、y坐標，然后利用“測量工具”功能實時監(jiān)測捕捉圖案(即裂紋尖端)的位置坐標。該品牌智能相機通過tcp/ip協(xié)議與xy雙向移動平臺控制器及其控制軟件通訊，設(shè)置字符串格式為“$x坐標；y坐標；”，輸出實時監(jiān)測的捕捉圖案(即裂紋尖端)的位置坐標。需要注意的是，圖示裂紋位置變化較大，實際使用中因為是實時控制，不會偏離中心點這么遠，可以保證裂紋尖端始終位于圖像中心。本發(fā)明的實施例中，所述智能相機及其所帶的圖像處理軟件除本例中采用的康耐視品牌的產(chǎn)品外，還可以采用基恩士品牌xg-x系列、國內(nèi)奧普品牌smartvision智能視覺系統(tǒng)、維視品牌工業(yè)視覺系統(tǒng)等類似產(chǎn)品。

本發(fā)明的原位雙軸裂紋擴展路徑自動跟蹤測量系統(tǒng)的測量方法，包括如下步驟：

1)將被測樣品或零件加工成具有便于測試的形狀的試樣，是將被測樣品或零件加工成方形或十字形形狀的試樣，圖4所示是加工成十字形形狀的試樣；

2)在試樣上預制裂紋；所述的裂紋是通過刀切割或線切割或激光切割的方式形成在試樣的表面的裂紋，或是貫穿試樣上下表面的裂紋。

3)使用雙向加載裝置的夾具夾持試樣，使試樣上的裂紋方向平行于測量系統(tǒng)的x方向；

4)根據(jù)所需圖像的放大倍數(shù)，調(diào)整粗微調(diào)顯微支架，使顯微圖像成像清晰；

5)通過xy雙向移動平臺控制器，控制十字滑臺移動，調(diào)整試樣相對于電子顯微鏡的水平位置，直至獲得清晰的裂紋尖端的圖像；

6)捕捉裂紋尖端；

所述的捕捉裂紋尖端，是在智能相機的圖像分析軟件(in-sight瀏覽器軟件)中利用圖案識別功能在初始裂紋尖端附近設(shè)置訓練區(qū)域和檢測區(qū)域，開始試驗后，裂紋尖端的位置發(fā)生變化，圖像分析軟件(in-sight瀏覽器軟件)自動確定裂紋尖端的位置；利用圖像分析軟件(in-sight瀏覽器軟件)中的繪圖工具獲得裂紋尖端的x、y坐標。

所述的訓練區(qū)域是裂紋尖端的初始圖像形狀，所述的檢測區(qū)域是圖像分析軟件(in-sight瀏覽器軟件)捕捉裂紋的視野區(qū)域的范圍。

7)在雙向加載裝置的控制軟件中設(shè)置試驗條件，并開始試驗，所述的試驗條件包括x軸和y軸的：力控制或位移控制方式、力或位移的波形、力或位移的幅值和均值、力或位移的循環(huán)周期以及x軸和y軸間的相位差；

8)根據(jù)捕捉到的裂紋尖端坐標，在xy雙向移動平臺控制器的控制軟件中設(shè)置十字滑臺的移動條件，使裂紋尖端始終處在電子顯微鏡視野的中心位置，如圖5所示，以實現(xiàn)自動跟蹤；

9)記錄裂紋尖端移動軌跡、裂紋生長速率和方向信息。

本發(fā)明的實施例中，以一種十字形試樣為例具體介紹，事例試驗方案為：測量尼龍66材料在室溫環(huán)境下面內(nèi)雙向循環(huán)比例加載時的裂紋擴展情況。首先將需要尼龍66材料依據(jù)圖4形狀制作成試樣，制作方法可以是沖壓、激光切割等。并在中心部位預制裂紋。使用雙向加載裝置的夾具夾持試樣，使試樣上的裂紋方向平行于測量系統(tǒng)的x方向。選定齊焦顯微鏡頭的放大倍數(shù)，調(diào)整粗微調(diào)顯微支架9來調(diào)節(jié)顯微鏡工作距離，使得計算機上的顯微圖像成像清晰。

使用xy雙向移動平臺控制器控制十字滑臺進行水平方向的運動，調(diào)整試樣相對于顯微鏡的水平位置，直至獲得清晰的、想要觀察的區(qū)域圖像，本例中為一側(cè)裂紋尖端。

在in-sight瀏覽器軟件中利用“圖案識別”功能在初始裂紋尖端附近設(shè)置訓練區(qū)域和檢測區(qū)域，開始試驗后軟件將自動確定與所訓練圖案最匹配的圖案位置；利用“繪圖工具”功能選取圖像邊緣為x、y坐標，利用“測量工具”功能測量圖案位置與兩個坐標的垂直間距，以此實現(xiàn)實時監(jiān)測捕捉圖案(即裂紋尖端)的位置坐標。

在雙向加載裝置的控制軟件中設(shè)置加載試驗方案，此例為x、y方向同步執(zhí)行載荷控制的三角波循環(huán)，x軸、y軸的相位差為0，即“比例路徑”。開始試驗，此時雙向加載裝置開始運行，對試樣施加四個方向的循環(huán)作用力。此后裂紋將開始生長，裂紋長度和裂紋尖端的移動方向開始不斷變化。

在xy雙向移動平臺控制軟件中設(shè)置裂紋坐標伺服至(1296.000，972.000)，即電子顯微鏡視野的中心位置，單位為“像素”，誤差閾值為0.01像素，設(shè)置雙向加載裝置中的試驗周期，并開始記錄。此后自動控制xy雙向移動平臺的位置，使得裂紋坐標維持不變，并記錄十字滑臺的x軸、y軸的坐標變化，通過xy雙向移動平臺控制器的控制軟件換算為裂紋尖端移動軌跡、裂紋生長速率等信息，并記錄存儲于相關(guān)數(shù)據(jù)文件中。試驗結(jié)束后使用excel、grapher、origin、matlab等數(shù)據(jù)處理軟件打開數(shù)據(jù)文件，繪制裂紋尖端移動軌跡線、輸出裂紋生長速率等試驗信息。