本發(fā)明涉及實(shí)驗(yàn)固體力學(xué)領(lǐng)域，尤其是力、熱耦合作用下對于全場的二維和三維變形測量方法，應(yīng)用于航空航天，高溫復(fù)合材料等各領(lǐng)域的超高溫位移和應(yīng)變測量。

背景技術(shù)：

對航空航天材料和結(jié)構(gòu)以及各種高溫合金和高溫陶瓷復(fù)合材料在高溫環(huán)境下由力、熱載荷引起的全場變形進(jìn)行非接觸式、高精度測量對于這些材料的安全設(shè)計(jì)、可靠性評定以及使用壽命預(yù)測都有著重要的意義。目前在超高溫條件下進(jìn)行應(yīng)變測量，主要有接觸式與非接觸式兩類方法。傳統(tǒng)的接觸式方法通常用接觸式電阻應(yīng)變片和超高溫引伸計(jì)來實(shí)現(xiàn)高溫應(yīng)變的測量。作為一種逐點(diǎn)測量技術(shù)，高溫電阻應(yīng)變片只能測量其標(biāo)距范圍內(nèi)沿某個方向的平均線應(yīng)變，即局限于特定點(diǎn)特定方向的線應(yīng)變測量，無法用于被測試樣表面全場高溫變形的測量；2)其次，作為一種接觸式測量技術(shù)，與被測試樣表面通過焊接或噴涂方式連接的高溫電阻應(yīng)變計(jì)或多或少對被測材料有一定的強(qiáng)化作用；3)最后，高溫環(huán)境對高溫應(yīng)變片的測量結(jié)果影響很大。

由于傳統(tǒng)的接觸式測量方法存在著以上缺點(diǎn)，研究人員開始使用非接觸式高溫應(yīng)變測量方法。anwander用在1200℃用激光照明被測高溫物體，并利用兩個垂直距離為l的ccd相機(jī)分別記錄物體表面反射光波相互干涉形成的散斑場，并利用互相關(guān)算法跟蹤不同相機(jī)記錄圖像中兩個激光散斑顆粒的距離變化來測量物體表面的高溫變形。顯而易見，此方法只能用于兩個標(biāo)記之間的平均變形測量，對于非均勻高溫變形場的測量則不適用。為了測量試樣表面感興趣區(qū)域內(nèi)的全場熱變形，可采用基于兩束相干激光光波干涉的電子散斑干涉法、云紋干涉法等。盡管基于激光光波干涉的云紋干涉和電子散斑干涉法的測量靈敏度非常高，并具有測量結(jié)果直觀可視的優(yōu)點(diǎn)，但這些方法的測量光路較為復(fù)雜且對測量環(huán)境要求苛刻，因此測量通常只能在實(shí)驗(yàn)室暗室中的光學(xué)隔振平臺上進(jìn)行。此外，測量結(jié)果以條紋圖的形式直接呈現(xiàn)，需對條紋圖進(jìn)行進(jìn)一步的相位分析才能獲得全場變形信息。lyons在1996年用基于數(shù)字圖像相關(guān)(dic)的方法實(shí)現(xiàn)了650℃高溫條件下的全場應(yīng)變測量，dic方法具有非接觸，全場測量，測量溫度范圍廣，測量過程簡單等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，試驗(yàn)件表面強(qiáng)烈的熱輻射會導(dǎo)致“退相關(guān)”效應(yīng)，同時試驗(yàn)件表面噴涂的散斑會由于溫度過高發(fā)生氧化甚至脫落，這使得按照通常的方法無法在更高溫度下進(jìn)行應(yīng)變測量。為了克服這個缺點(diǎn)，pan將主動成像與dic方法結(jié)合起來，用陶瓷涂料制備的耐高溫散斑，用單色藍(lán)光源進(jìn)行照明，同時采用窄帶通濾波片過濾輻射光，最后應(yīng)用高效的增量可靠性導(dǎo)向數(shù)字圖像相關(guān)方法得到全場變形，實(shí)現(xiàn)了從0～1550℃溫度的應(yīng)變測量。盡管主動成像的dic方法也能夠完成高溫下應(yīng)變測量，但大部分的測量是在宏觀視場范圍(cm-m)尺度進(jìn)行，而且當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度進(jìn)一步上升時，藍(lán)光主動成像仍然可能會失效，加上噴涂散斑材料脫落，因此利用噴涂散斑的dic方法進(jìn)行試驗(yàn)件應(yīng)變測量的難度將會迅速增大，甚至于無法完成測量。合肥工業(yè)大學(xué)王永紅發(fā)明了基于紫外照明dic的高溫材料機(jī)械性能加載測量系統(tǒng)及測量方法，發(fā)明號cn104535412a，但此發(fā)明第一未涉及多尺度測量尤其是微米級別，一般用于宏觀的測量；第二其發(fā)明使用的是外置光源容易導(dǎo)致照明不均勻，影響測量精度；第三此發(fā)明只在1000度以上使用，1000度以下沒有涉及；第四該發(fā)明并未涉及在自然紋理下使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的無法滿足超高溫度多尺度多功能應(yīng)變測量需求的問題，本發(fā)明提出了一種基于紫外成像dic的超高溫多尺度多功能應(yīng)變測量系統(tǒng)及測量方法，可承受極高的溫度，計(jì)算速度快、精度高。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為：一種基于紫外成像dic的超高溫多尺度多功能應(yīng)變測量系統(tǒng)包括同軸顯微成像系統(tǒng)、機(jī)械支撐調(diào)節(jié)平臺、單色光源、與單色光源波長對應(yīng)的窄帶通濾波片、相機(jī)、相機(jī)同步觸發(fā)器、計(jì)算機(jī)；同軸顯微成像系統(tǒng)用于在超高溫的條件下透過光學(xué)藍(lán)寶石玻璃觀察窗采集試驗(yàn)件表面的清晰圖像；機(jī)械支撐調(diào)節(jié)平臺用于支撐同軸顯微成像系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)機(jī)械支撐調(diào)節(jié)平臺能夠?qū)崿F(xiàn)空間中三個方向，三個角度共六個自由度的調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)同軸顯微成像系統(tǒng)的光軸與試驗(yàn)件表面感興趣區(qū)域，并獲得高清晰度和對比度的圖像；單色光源用于產(chǎn)生高強(qiáng)度的單色光，單色光首先經(jīng)過漫射鏡變成均勻入射光，然后經(jīng)分光鏡反射后通過同軸顯微成像系統(tǒng)照射到試驗(yàn)件表面，試驗(yàn)件表面的反射光經(jīng)過分光鏡進(jìn)入紫外相機(jī)；與單色光源對應(yīng)的窄帶通濾波片用于過濾掉其他波長的光線，僅僅保留與單色光源波段對應(yīng)的光線，從而降低試驗(yàn)件表面熱輻射對采集到圖像的影響；相機(jī)用于采集圖像，并將采集到的圖像實(shí)時傳輸?shù)接?jì)算機(jī)；相機(jī)同步觸發(fā)器用于保證兩個相機(jī)同步采集圖像；計(jì)算機(jī)用于處理由紫外相機(jī)采集到的圖像數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步，所述單色光源為紫外光源，所述相機(jī)為紫外相機(jī)。

進(jìn)一步，所述與光源波長對應(yīng)的窄帶通濾波片為與紫外光波長對應(yīng)的窄帶通濾波片。

進(jìn)一步，所述同軸顯微成像系統(tǒng)包括相機(jī)，顯微鏡頭，單色光源，與光源波長對應(yīng)的窄帶通濾波片，相機(jī)同步觸發(fā)器。

進(jìn)一步，所述的應(yīng)變計(jì)算方法為基于數(shù)字圖像相關(guān)(dic)的方法。

一種超高溫應(yīng)變測量方法：

1)在試驗(yàn)件表面噴涂高溫散斑或者使用摩擦劃痕斑點(diǎn)(在自然紋理失效時)，將試驗(yàn)件固定到高溫拉伸裝置上；

2)在紫外相機(jī)前安裝窄帶通濾波片，用單色光源對試驗(yàn)件進(jìn)行主動照明，并調(diào)整紫外相機(jī)使圖像清晰；

3)利用標(biāo)定板，采集多組圖像，作為標(biāo)定圖像；

4)采用高溫爐對試驗(yàn)件進(jìn)行加熱，使得試驗(yàn)件能夠快速、準(zhǔn)確的達(dá)到所需溫度，使試驗(yàn)件在標(biāo)距長度范圍內(nèi)溫度均勻分布；

5)加熱過程中，用萬能試驗(yàn)機(jī)對矩形截面或圓截面試驗(yàn)件進(jìn)行加載，在加載的過程中用高精度的圖像采集單元實(shí)時采集試驗(yàn)件的圖像；

6)將萬能試驗(yàn)機(jī)的加載數(shù)據(jù)和紫外相機(jī)采集到的圖像數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，計(jì)算應(yīng)變。應(yīng)變方法為選取拉伸前的一張圖像作為參考圖像，利用dic方法對試驗(yàn)件表面的散斑圖進(jìn)行左右相機(jī)的匹配，從而進(jìn)行應(yīng)變的計(jì)算；

7)本發(fā)明采用同軸顯微鏡頭，可以進(jìn)行多尺度測量從mm-μm的范圍測量，尤其用于高溫局部測量；采用同軸照明，整個視野照明均勻，成像品質(zhì)高清，精度更高；采用波長較短的紫外光源，除了在極高溫度噴涂有散斑的狀況下使用外，短波紫外由于波長短，試件表面自然紋理容易形成，所以短波紫外照射下，利用高效，低成本的自然散斑優(yōu)勢明顯；采用紫外系統(tǒng)，溫度范圍在室溫到2000度的高溫下使用。

一種基于紫外成像dic的超高溫多尺度多功能應(yīng)變測量系統(tǒng)的用途，用于對航空航天材料、結(jié)構(gòu)以及高溫合金和高溫陶瓷復(fù)合材料在高溫環(huán)境下由力、熱載荷引起的全場變形進(jìn)行非接觸式、高精度測量。采用高溫圖像爐和高溫拉伸裝置配合對從室溫到2000℃超高溫環(huán)境下的試驗(yàn)件表面的變形和力學(xué)性能進(jìn)行實(shí)時、高精度測量。

本發(fā)明的有益效果為：

1、采用了同軸顯微成像系統(tǒng)，亮度均勻，成像清晰。顯微鏡頭能夠?qū)崿F(xiàn)多個放大倍數(shù)，進(jìn)行從毫米級到微米級的多尺度測量。同時長工作距離顯微鏡頭能夠減少輻射熱對鏡頭的影響，進(jìn)而提升測量精度。

2、高溫爐采用多個玻璃觀察窗口設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)二維，三維多功能應(yīng)變測量。

3、玻璃觀察窗口采用藍(lán)寶石級光學(xué)玻璃，高溫下折射率變化穩(wěn)定，進(jìn)而提升應(yīng)變測量精度。

4、使用了紫外光的主動照明，在相機(jī)前增加了一個窄帶通濾波片，通過濾波片將相機(jī)和鏡頭連接；主動照明和窄帶通濾波片能夠進(jìn)一步減小試驗(yàn)件表面熱輻射的影響，使得在高達(dá)2000℃的超高溫條件下實(shí)現(xiàn)清晰圖像采集，從而使實(shí)驗(yàn)容許的溫度進(jìn)一步提升。

5、數(shù)字圖像相關(guān)方法進(jìn)行位移的準(zhǔn)確跟蹤和應(yīng)變的測量，能夠在保持高效率的同時得到更精確的應(yīng)變計(jì)算結(jié)果。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為同軸顯微成像系統(tǒng)原理圖；

圖3為標(biāo)定板示意圖；

圖中：1、相機(jī)；2、單色光源；3、相機(jī)同步觸發(fā)器；4、計(jì)算機(jī)；5、相機(jī)；6、與單色光源波長對應(yīng)的窄帶通濾波片；7、顯微鏡頭；8、機(jī)械支撐調(diào)節(jié)平臺；9、玻璃觀察窗；10、高溫爐；11、高溫拉伸裝置；12、試驗(yàn)件；13、玻璃觀察窗；14、玻璃觀察窗；15、顯微鏡頭；16、與單色光源波長對應(yīng)的窄帶通濾波片；17、顯微成像系統(tǒng)；18、漫射鏡；19、高溫散斑；20、反射光；21、分光鏡；22、標(biāo)定板；

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所得到的所有其它實(shí)施方式，都屬于本發(fā)明所保護(hù)的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種基于紫外成像dic的超高溫多尺度多功能應(yīng)變測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括同軸顯微成像系統(tǒng)17、機(jī)械支撐調(diào)節(jié)平臺8、單色光源2、與單色光源波長對應(yīng)的窄窄帶通濾波片6和16、相機(jī)1和5、相機(jī)同步觸發(fā)器3、計(jì)算機(jī)4；同軸顯微成像系統(tǒng)17用于在超高溫的條件下透過光學(xué)藍(lán)寶石玻璃觀察窗采集圖像表面的清晰圖像；機(jī)械支撐調(diào)節(jié)平臺8用于支撐同軸顯微成像系統(tǒng)17，通過調(diào)節(jié)機(jī)械支撐調(diào)節(jié)平臺8能夠?qū)崿F(xiàn)空間中三個方向，三個角度共六個自由度的調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)同軸顯微成像系統(tǒng)17的光軸與試驗(yàn)件1表面感興趣區(qū)域，并獲得高清晰度和對比度的圖像；單色光源2用于產(chǎn)生高強(qiáng)度的單色光，單色光首先經(jīng)過漫射鏡18變成均勻入射光，然后經(jīng)分光鏡21反射后通過同軸顯微成像系統(tǒng)17照射到試驗(yàn)件12表面，試驗(yàn)件12表面的反射光經(jīng)過分光鏡21進(jìn)入相機(jī)1和5；與單色光源對應(yīng)的窄窄帶通濾波片6和16用于過濾掉其他波長的光線，僅僅保留與單色光源2波段對應(yīng)的光線，從而降低試驗(yàn)件12表面熱輻射對采集到圖像的影響；相機(jī)1和5用于采集圖像，并將采集到的圖像實(shí)時傳輸?shù)接?jì)算機(jī)4；相機(jī)同步觸發(fā)器3用于保證相機(jī)1和5同時采集圖像；計(jì)算機(jī)4用于處理由紫外相機(jī)1和5采集到的圖像數(shù)據(jù)。

實(shí)施例一

一種基于紫外成像dic的超高溫多尺度多功能應(yīng)變測量系統(tǒng)及測量方法，包括：同軸顯微成像系統(tǒng)17、機(jī)械支撐調(diào)節(jié)平臺8、單色光源2、與單色光源波長對應(yīng)的窄窄帶通濾波片6和16、紫外相機(jī)1和5、計(jì)算機(jī)4；同軸顯微成像系統(tǒng)17用于在超高溫的條件下透過光學(xué)藍(lán)寶石玻璃觀察窗采集圖像表面的清晰圖像；機(jī)械支撐調(diào)節(jié)平臺8用于支撐同軸顯微成像系統(tǒng)17，通過調(diào)節(jié)機(jī)械支撐調(diào)節(jié)平臺8能夠?qū)崿F(xiàn)空間中三個方向，三個角度共六個自由度的調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)同軸顯微成像系統(tǒng)5的光軸與試驗(yàn)件1表面感興趣區(qū)域，并獲得高清晰度和對比度的圖像；單色光源2用于產(chǎn)生高強(qiáng)度的紫外光，紫外光首先經(jīng)過漫射鏡18變成均勻入射光，然后經(jīng)分光鏡21反射后通過同軸顯微成像系統(tǒng)17照射到試驗(yàn)件12表面，試驗(yàn)件12表面的反射光經(jīng)過分光鏡21進(jìn)入紫外相機(jī)；與單色光源對應(yīng)的窄窄帶通濾波片6和16用于過濾掉其他波長的光線，僅僅保留紫外光，從而降低試驗(yàn)件12表面熱輻射對采集到圖像的影響；紫外相機(jī)用于采集圖像，并將采集到的圖像實(shí)時傳輸?shù)接?jì)算機(jī)4；相機(jī)同步觸發(fā)器3用于保證相機(jī)1和5同步采集圖像；計(jì)算機(jī)4用于處理由紫外相機(jī)1和5采集到的圖像數(shù)據(jù)。

具體操作方法如下：

1)在試驗(yàn)件12表面噴涂高溫散斑(在自然紋理失效時)，將試驗(yàn)件12固定到高溫拉伸夾具11上；

2)在紫外相機(jī)1和5前安裝窄帶通濾波片6和16；

3)用單色光源2對試驗(yàn)件12進(jìn)行主動照明，并調(diào)整紫外相機(jī)1和5使圖像清晰；

4)利用標(biāo)定板22采集多幅圖像，用作標(biāo)定；

5)采用高溫爐10對試驗(yàn)件12進(jìn)行加熱，使得試驗(yàn)件12能夠快速、準(zhǔn)確的達(dá)到所需溫度，使試驗(yàn)件12在標(biāo)距長度范圍內(nèi)溫度均勻分布；

6)達(dá)到所需溫度后，用拉伸裝置11對矩形截面或圓截面試驗(yàn)件12進(jìn)行加載，在加載的過程中同軸顯微成像系統(tǒng)17實(shí)時采集試驗(yàn)件12的圖像；

7)將拉伸裝置11的加載數(shù)據(jù)和紫外相機(jī)1和5采集到的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)4中，計(jì)算應(yīng)變。應(yīng)變計(jì)算方法為選取拉伸前的一張圖像作為參考圖像，利用dic方法對試驗(yàn)件表面的散斑圖進(jìn)行匹配，從而進(jìn)行應(yīng)變的計(jì)算，

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。