專利名稱：一種測量材料熱震行為的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量材料熱震行為的方法和裝置，屬于工程材料、結(jié)構(gòu)形變及力學(xué)實(shí)驗(yàn) 技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
熱震行為有著廣泛的工程實(shí)際背景，尤其是在航天航空領(lǐng)域，各類飛行器穿越大氣層時(shí) 會(huì)和空氣摩擦在瞬間產(chǎn)生劇烈的熱沖擊，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)熱端部件及葉片也會(huì)承受劇烈的 熱沖擊，導(dǎo)致材料在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重的熱應(yīng)力，從而造成材料的破壞。材料的抗熱震 性能取決于材料內(nèi)部熱應(yīng)力，而熱應(yīng)力的大小取決于其力學(xué)性能和熱學(xué)性能,材料的熱導(dǎo)率 和熱膨脹系數(shù)對(duì)溫度都十分敏感，隨著溫度的大幅度變化材料的彈性模量、強(qiáng)度等也會(huì)發(fā)生 較大的變化，同時(shí)抗熱震性能還受構(gòu)件的幾何形狀和環(huán)境介質(zhì)等因素的影響，所以材料的抗 熱震性能必將是其力-熱耦合對(duì)應(yīng)于劇烈熱沖擊條件及其外界約束的綜合反映。從上個(gè)世紀(jì) 50年代開始有諸多科學(xué)家對(duì)材料的抗熱震性能在理論和實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了大量的研究，并取得了 一定的成效，建立了一些人們較為普遍接受的理論。熱沖擊的物理過程十分復(fù)雜，在前人的 工作中， 一般都只是對(duì)熱震進(jìn)行了定性的研究，即將材料加熱后投入水中使其劇烈冷卻，材 料發(fā)生破壞后再取出來對(duì)其進(jìn)行分析，而對(duì)材料在高溫下從被冷卻一開始到裂紋產(chǎn)生和裂紋 擴(kuò)展都缺乏清晰的認(rèn)識(shí)。當(dāng)前雖然有一定的理論解釋，但尚不完善，還不能建立反映實(shí)際材 料在各種使用狀況下的熱沖擊數(shù)學(xué)模型，已有熱震參數(shù)公式表征材料抗熱震性能時(shí)沒有考慮 溫度對(duì)材料物理性能的影響，眾多研究表明熱震的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和目前通常采用的熱震參數(shù)之間 缺少定量的聯(lián)系，抗熱震評(píng)價(jià)理論和測試也還存在根本性的缺陷。
數(shù)字圖像相關(guān)方法是上世紀(jì)八十年代初發(fā)展的一種非接觸式全場光學(xué)測量方法，它本質(zhì) 上屬于一種基于現(xiàn)代數(shù)字圖像處理和分析技術(shù)的新型光測技術(shù)，它通過分析變形前后物體表 面的數(shù)字圖像獲得被測物體表面的變形(位移和應(yīng)變)信息。與其它基于相關(guān)光波干涉原理 的光測方法相比，數(shù)字圖像相關(guān)方法顯然具有一些特殊的優(yōu)勢實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)過程簡單； 對(duì)測量環(huán)境和隔振要求較低；易于實(shí)現(xiàn)測量過程的自動(dòng)化；不需要進(jìn)行干涉條紋定級(jí)和相位
處理；適用測量范圍廣泛。
當(dāng)前國際上尚沒有很好的辦法來對(duì)材料的熱震行為展開定量的分析，大都是將材料加熱 后投入水中使其發(fā)生破壞，然后拿出對(duì)材料進(jìn)行一些定性的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種測量材料熱震行為的方法和裝置，該發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的熱震性能的定 量分析與測試。
4本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種測量材料熱震行為的裝置，其特征在于該測量裝置包括加熱裝置，計(jì)算機(jī)采集處 理系統(tǒng)，紅外測溫儀4和滴管17;所述加熱裝置包括加熱爐15、熱電偶12和PID溫度控制 儀3;所述的滴管17通過可升降的架臺(tái)18設(shè)置在試件11的上方；所述計(jì)算機(jī)采集處理系統(tǒng)
包括計(jì)算機(jī)10、高速攝像機(jī)9、鏡頭8和LED燈6;所述鏡頭8的軸線與被測試件11的表面
法線保持平行；所述的高速攝像機(jī)通過三角支架7進(jìn)行固定。
本發(fā)明中所述的加熱爐15放置在用來減少空氣熱對(duì)流的保溫護(hù)罩16里面。 本發(fā)明中所述加熱爐15上設(shè)有石棉網(wǎng)14和氧化鋁陶瓷13，將被測試件11放置在氧化
鋁陶瓷13上。
本發(fā)明中所述的測量材料熱震行為的裝置還包括一個(gè)氣墊精密光學(xué)平臺(tái)l上，所述架臺(tái) 18和保溫護(hù)罩16放置在氣墊精密光學(xué)平臺(tái)1上。
本發(fā)明還提供了一種測量材料熱震行為的方法，其特征在于該方法包括如下步驟-
1) 首先對(duì)試件11進(jìn)行制作散斑；
2) 開啟高速攝像機(jī)；
3) 對(duì)試件進(jìn)行加熱，待加熱爐溫度穩(wěn)定后用紅外測溫儀記錄試件的溫度；
4) 打開LED燈，操作滴管將水滴入試件表面中心位置，同時(shí)使用高速攝像機(jī)拍攝水滴 與試件作用的整個(gè)物理過程；
5) 將計(jì)算機(jī)10采集到的圖片用數(shù)字相關(guān)方法進(jìn)行分析，對(duì)于未變形前的圖像每一點(diǎn) (x,力具有一個(gè)灰度值/(x,力，變形后圖像子區(qū)中每一點(diǎn)(x',力具有一個(gè)新的灰度值g(x',/)， 通過以下相關(guān)函數(shù)
其中》-(M,^, ，v，、，、f，人為變形前圖像子區(qū)灰度的平均值，^為變形后圖像子區(qū)的
平均值，通過對(duì)相關(guān)函數(shù)C,g(》)求極值，可求得每一點(diǎn)的位移("，v)，通過局部最小二乘擬
合原理可以由位移場進(jìn)一步計(jì)算出應(yīng)變場(、,^,;^);根據(jù)以下公式，其中￡是材料的彈性 模量，W是泊松比，
Qg⑨
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可以計(jì)算出應(yīng)力場。
在本發(fā)明所述的一種測量材料熱震行為的方法中，其特征在于步驟1)中對(duì)于溫度在
30(TC以上條件下的測試釆用在材料表面用普通刀具或玻璃刀刻畫十字架的方法進(jìn)行散斑制 作。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果將數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)與高速攝影 巧妙地結(jié)合起來，能夠?qū)Σ牧鲜軣釠_擊作用的過程進(jìn)行精確的記錄并可實(shí)現(xiàn)定量的分析；將 傳統(tǒng)的加熱爐進(jìn)行改造，增加了保溫護(hù)罩，使測量環(huán)境更加穩(wěn)定可靠；提出了一種新的制作 散斑的方法，使得某些本身不能提供隨機(jī)匹配特征的材料可通過制斑在高溫下使用數(shù)字圖像 相關(guān)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分析；本發(fā)明突破了多年來對(duì)熱沖擊只能進(jìn)行定性分析這個(gè)難點(diǎn)，通過本 發(fā)明建立的材料抗熱震性能測試方法可為各類材料的抗熱震能力提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。


圖1本發(fā)明一種測量材料熱震行為的方法和裝置示意圖。
圖2是本發(fā)明中所提出的針對(duì)高溫制作散斑的用普通刀具或玻璃刀刻畫十字架方法示意圖。
圖3 (a)參考圖像及計(jì)算區(qū)域示意圖。
圖3 (b)計(jì)算圖形一水滴作用5. 75毫秒后材料的表面形貌圖。
圖3 (c)水滴作用5.75毫秒后計(jì)算區(qū)域內(nèi)的位移分布圖，左邊為X方向的位移場分布，
右邊為y方向的位移分布圖。
圖中l(wèi)一氣墊精密光學(xué)平臺(tái)、2—溫控開關(guān)、3—PID溫度控制儀、4一紅外測溫儀、5— LED燈支架、6—LED燈、7—三角支架、8—鏡頭、9一高速攝像機(jī)、10—計(jì)算機(jī)、11—試件、 12—熱電偶、13—氧化鋁陶瓷、14一石棉網(wǎng)、15—加熱爐、16—保溫護(hù)罩、17—滴管、18— 架臺(tái)。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)和實(shí)施方式，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù) 范圍。
圖l是一種測量材料熱震行為的方法和裝置，其特征在于該測量裝置包括氣墊精密光
學(xué)平臺(tái)l、溫控開關(guān)2、 PID溫度控制儀3、紅外測溫儀4、 LED燈支架5、 LED燈6、三角 支架7、鏡頭8、高速攝像機(jī)9、計(jì)算機(jī)10、試件11、熱電偶12、氧化鋁陶瓷13、石棉網(wǎng)14、 加熱爐15、保溫護(hù)罩16、滴管17、架臺(tái)18。本發(fā)明中所述的氣墊精密光學(xué)平臺(tái)l是用來放 置LED燈支架5及LED燈6、三角支架7及高速攝像機(jī)9、加熱爐15及保溫護(hù)罩16、架臺(tái)18 及滴管(17)等設(shè)備的，整個(gè)測量過程都是在此精密光學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行的。光學(xué)平臺(tái)能夠起到很好的隔振效果，可以使整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在無環(huán)境振動(dòng)的條件下進(jìn)行，減少外界條件的影響，使整個(gè)測量系統(tǒng)達(dá)到比較好的穩(wěn)定性，增加材料熱震行為測試結(jié)果的精度，在條件不足的情況下可以省去此裝置，不會(huì)對(duì)結(jié)果造成關(guān)鍵性的、重大的影響。本發(fā)明中以上所述溫控開關(guān)2、 PID溫度控制儀3、熱電偶12、氧化鋁陶瓷13、石棉網(wǎng)14、加熱爐15、保溫護(hù)罩16構(gòu)成整個(gè)加熱系統(tǒng)；石棉網(wǎng)14放置在加熱爐15的盤式電阻絲表面中心位置，氧化鋁陶瓷13置于石棉網(wǎng)14的中心位置，試件11放置于氧化鋁陶瓷13上面；熱電偶12放置在氧化鋁陶瓷13上并緊貼于試件11側(cè)面。本發(fā)明中的紅外測溫儀4可實(shí)現(xiàn)對(duì)試件表面瞬時(shí)溫度的精確記錄。本發(fā)明中的架臺(tái)18和滴管17放置于精密光學(xué)平臺(tái)1之上，滴管17可按預(yù)定目標(biāo)進(jìn)行滴水，并能上下移動(dòng)精確控制水滴墜落到試件表面時(shí)速度。本發(fā)明中的鏡頭8、高速攝像機(jī)9、三角架7、 LED燈6及其支架5、計(jì)算機(jī)10共同構(gòu)成該發(fā)明的圖像采集處理系統(tǒng)。鏡頭8、高速攝像機(jī)9及三角架7置于精密光學(xué)平臺(tái)1之上，可對(duì)瞬態(tài)物理過程及現(xiàn)象的精確記錄；LED燈6及其支架5置于精密光學(xué)平臺(tái)上，為高速攝像機(jī)提供均勻、高強(qiáng)度的光源。本發(fā)明中的試件11需要對(duì)其進(jìn)行制作散斑。
利用本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)一種測量材料熱震行為的方法，其具體過程如下
a. 對(duì)試件11進(jìn)行制作散斑。散斑的制作有三種方式 一是材料表面的紋理本身就能提供隨機(jī)的灰度分布可作為匹配特征；二是在加熱30(TC以下時(shí)可進(jìn)行噴涂黑白漆制作散斑；三是本發(fā)明中提出的在材料表面用普通刀具或玻璃刀刻畫十字架的方法可制作散斑(如附圖2);
b. 按附圖1所示將溫控開關(guān)2、 PID溫度控制儀3、 LED燈支架5、 LED燈6、三角架7、鏡頭8、高速攝像機(jī)9、計(jì)算機(jī)10、試件11、熱電偶12、氧化鋁陶瓷13、石棉網(wǎng)14、加熱爐15、保溫護(hù)罩16、滴管17、架臺(tái)18安裝好，連接好相關(guān)線路，接通電源；
c. 開啟計(jì)算機(jī)10，打開高速攝像機(jī)9的控制軟件，按預(yù)定目標(biāo)對(duì)鏡頭8進(jìn)行調(diào)焦；
d. 打開加熱爐15及PID溫度控制儀3,操作PID溫度控制儀3設(shè)定好溫度對(duì)試件11進(jìn)行加熱；
e. 待加熱爐15溫度穩(wěn)定后后用紅外測溫儀記下試件的精確溫度，同時(shí)給滴管17準(zhǔn)備好少量純凈水；
f打開強(qiáng)光源LED燈6，設(shè)定好高速攝像機(jī)9的拍攝頻率及拍攝的區(qū)域；
g. 操作滴管17將水滴入試件11的表面中心位置，同時(shí)使用高速攝像機(jī)9拍攝水滴與試件ll作用的整個(gè)物理過程；
h. 將計(jì)算機(jī)lO采集到的圖片用數(shù)字相關(guān)方法進(jìn)行分析,對(duì)于未變形前的圖像每一點(diǎn)(x,力具有一個(gè)灰度值/(x，力，變形后圖像子區(qū)中每一點(diǎn)(x'，/)具有一個(gè)新的灰度值g(x',/)，通過以下相關(guān)函數(shù)<formula>formula see original document page 8</formula>
其中-二(w,^, ，v,^,、f ，人為變形前圖像子區(qū)灰度的平均值，^為變形后圖像子區(qū)的平均值，通過對(duì)相關(guān)函數(shù)C,^)求極值，可求得每一點(diǎn)的位移(仏v)，通過局部最小二乘擬
合原理可以由位移場進(jìn)一步計(jì)算出應(yīng)變場(、,^, );
.根據(jù)以下公式，(其中￡是材料的彈性模量，A是泊松比)
<formula>formula see original document page 8</formula>
可以計(jì)算出應(yīng)力場。
實(shí)施例下面通過我們進(jìn)行的一個(gè)實(shí)驗(yàn)研究來說明一種測量材料熱震行為的方法和裝置的使用過程。材料普通載玻片，我們在30(TC左右的環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，散斑制作為采用噴
漆制作散斑。如下圖所示，水滴開始作用時(shí)用紅外測溫儀測得的載玻片的精確溫度是295'C。高速攝像機(jī)的拍攝頻率為4000幀/每秒，我們計(jì)算了水滴作用5.75毫秒后圖示方框區(qū)域內(nèi)x、y方向的位移變化(圖中位移大小是以像素為單位的，0.125mm/pixels)。
權(quán)利要求
1.一種測量材料熱震行為的裝置，其特征在于該測量裝置含有加熱裝置、計(jì)算機(jī)采集處理系統(tǒng)、紅外測溫儀(4)和滴管(17)；所述加熱裝置包括加熱爐(15)、熱電偶(12)和PID溫度控制儀(3)；所述的滴管(17)通過可升降的架臺(tái)(18)設(shè)置在試件(11)的上方；所述計(jì)算機(jī)采集處理系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)(10)、高速攝像機(jī)(9)、鏡頭(8)和LED燈(6)，所述鏡頭(8)的軸線與被測試件(11)的表面法線保持平行，所述的高速攝像機(jī)通過三角支架(7)進(jìn)行固定。
2. 按照權(quán)利要求1所述的一種測量材料熱震行為的裝置，其特征在于所述的加熱爐(15) 放置在用來減少空氣熱對(duì)流的保溫護(hù)罩(16)里面。
3. 按照權(quán)利要求1所述的一種測量材料熱震行為的裝置，其特征在于在所述加熱爐G5) 上設(shè)有石棉網(wǎng)(14)和氧化鋁陶瓷(13)，將被測試件(11)放置在氧化鋁陶瓷(13)上。
4. 按照權(quán)利要求l、 2或3所述的一種測量材料熱震行為的裝置，其特征在于所述測 量材料熱震行為的裝置還包括一個(gè)氣墊精密光學(xué)平臺(tái)(1)上，所述架臺(tái)(18)和保溫護(hù)罩(16) 放置在氣墊精密光學(xué)平臺(tái)(1)上。
5. 采用如權(quán)利要求l所述裝置的一種測量材料熱震行為的方法，其特征在于該方法包括 如下步驟1) 首先對(duì)試件(11)進(jìn)行制作散斑；2) 開啟高速攝像機(jī)；3) 對(duì)試件進(jìn)行加熱，待加熱爐溫度穩(wěn)定后用紅外測溫儀記錄試件的溫度；4) 打開LED燈，操作滴管將水滴入試件表面中心位置，同時(shí)使用高速攝像機(jī)拍攝水滴 與試件作用的整個(gè)物理過程；5) 將計(jì)算機(jī)10采集到的圖片用數(shù)字相關(guān)方法進(jìn)行分析，對(duì)于未變形前的圖像每一點(diǎn) (JC,力具有一個(gè)灰度值/(X,力，變形后圖像子區(qū)中每一點(diǎn)(x',/)具有一個(gè)新的灰度值g(x',/)， 通過以下相關(guān)函數(shù)其中》-(M,^, ,v,、,v》、厶為變形前圖像子區(qū)灰度的平均值，^為變形后圖像子區(qū)的 平均值，通過對(duì)相關(guān)函數(shù)C/^(》)求極值，可求得每一點(diǎn)的位移(",v)，通過局部最小二乘擬合原理可以由位移場進(jìn)一步計(jì)算出應(yīng)變場(^,S,^》；根據(jù)以下公式，其中五是材料的彈性模量，W是泊松比，<formula>formula see original document page 3</formula>即計(jì)算出應(yīng)力場。
6.按照權(quán)利要求5所述的一種測量材料熱震行為的方法，其特征在于步驟l)中對(duì)于溫度在30(TC以上條件下的測試，采用在材料表面用普通刀具或玻璃刀刻畫十字架的方法進(jìn)行散斑制作。
全文摘要
一種測量材料熱震行為的方法和裝置，屬于工程材料、結(jié)構(gòu)形變及力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。該測量裝置包括氣墊精密光學(xué)平臺(tái)、溫控開關(guān)、PID溫度控制儀、紅外測溫儀、LED燈支架、LED燈、三角支架、鏡頭、高速攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)、試件、熱電偶、氧化鋁陶瓷、石棉網(wǎng)、加熱爐、保溫護(hù)罩、滴管、架臺(tái)。本發(fā)明將加熱設(shè)備與光學(xué)攝影器材結(jié)合起來，巧妙地利用數(shù)字圖像相關(guān)方法，提供一種測量材料熱震行為的方法和裝置，該發(fā)明思路新穎、結(jié)構(gòu)緊湊、體系完備，可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的熱震性能的定量分析與測。
文檔編號(hào)G01N3/60GK101666733SQ20091009335
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者雪 馮, 翔 王 申請人:清華大學(xué)