基于数字图像相关方法测量超高温物体全场应变的方法

技术领域

本发明属于高温实验力学领域及数字图像识别领域，具体涉及一种基于数字图像相关方法测量超高温物体全场应变的方法，应用于核工程、航空航天、高温材料等各领域的超高温位移和应变测量。

背景技术

随着核工程、航空航天等领域的迅速发展，对高温材料的需求也越来越大。因此，研究这些材料在高温环境下的力学特性对于合适高温材料的选择和结构设计具有十分重要的意义。目前在超高温环境下对材料的应变测量主要有接触式和非接触式两类方法。接触式方法主要通过应变片和引伸计实现高温应变的测量，但这种方法只能获得某些特定点的位移应变数据，无法进行试件表面的全场应变测量。其次，高温应变片连接到试件表面会对材料起到局部强化作用，影响测量准确度。最后，目前的高温应变使用温度都比较低，无法进行超高温下(>1500摄氏度)的应变场测量。由于光学测量方法是一种非接触式的测量方法，不需要接触试件就可以获得试件的应变数据，从而获得了广泛应用。目前应用最广泛的光学测量方法是数字图像相关(digital image correlation,DIC)方法，它是一种全场的非接触式的光学测量方法，设备要求简单，测量精度高。

目前，限制DIC方法在更高温度下使用的问题主要有两个：(1)超高温下散斑材料的稳定性，(2)超高温下物体自发光对应变测量的干扰。现阶段的商业散斑材料使用温度很少超过1500摄氏度，存在的问题是散斑材料在经受高温后会出现烧蚀、脱落现象，使得应变场计算出错甚至不能计算。现在绝大多数DIC方法都使用蓝光照明，由于高温物体自发光的干扰，导致测量的温度范围十分有限，基本不超过1500摄氏度。但是更高温度下能保持稳定的散斑材料，超高温下使用的滤光方法还没有见到报道。少数DIC方法采用波长更短的紫光照明，实现了更高温度的应变测量，可以达到1800摄氏度以上。在许多工业领域，材料的使用温度非常高，比如在核聚变领域中，面向等离子体部件通常需要承受极端高温环境，甚至能使纯钨材料熔化。测量这种高温环境下的钨材料的力学行为，就显得极为困难。

发明内容

为了克服现有技术无法进行超高温(>2000摄氏度)应变测量的问题。本发明提出一种基于数字图像相关方法测量超高温物体全场应变的方法，利用微米级的碳化钽粉末与无水乙醇混合成膏状，在钨材料上制备随机分布的散斑图案，通过组合两个商用的蓝光滤光片可以降低高温试件强自发光对应变测量的干扰，进行2000～3500摄氏度范围应变场测量。该方案具有加工过程简单，成本低廉，使用温度极高，精度高的特点，是对前述技术难题的一种突破。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

(1)对待测物体表面进行逐级打磨(先800目砂纸，后1500目砂纸)，去除氧化膜，用酒精清洗除去污渍；

(2)将选择的散斑材料(微米级碳化钽粉末Tac)与无水乙醇按质量比1:2混合成膏状；

(3)使用针尖蘸取步骤(2)中的膏状混合物在步骤(1)中处理过的试件表面制作随机分布的散斑图案；或者采用高压喷枪将膏状碳化钽混合物喷洒到试件表面制作随机分布的散斑；

(4)将步骤(3)制作好的散斑在室温下晾干6-8h，使无水乙醇挥发；

(5)将步骤(4)中晾干过后的试件及散斑，在高温下进行固化，固化过程分两个阶段，第一阶段：以400摄氏度的温度在真空环境中保持5分钟，然后冷却至室温；第二阶段：以800摄氏度的温度在高真空环境中保温5分钟，然后冷却至室温；

(6)将步骤(5)中经过固化过程的试件样品，安装到高温试验平台上；

(7)调节相机，使得试件在相机中成像清晰。利用标定板对数字图像测量系统进行标定。将红外测温仪与数字图像相关测量系统通过同步触发软件连接，确保采集的温度数据与计算得到的应变场数据一一对应；

(8)使用电子束加热系统可以将步骤(6)中的钨材料试件加热到超高温度(2000～3500摄氏度)；

(9)采用红外测温仪测量试件测表面预定区域的温度；

(10)使用CCD相机对步骤(9)中的钨块侧面进行连续拍摄记录，使用CCD相机对步骤(9)中的试件带有散斑图案的面进行连续拍摄记录，在第一温度区间25-1200摄氏度，采用蓝光照明和单一蓝光滤光片实现应变测量；在第二温度区间1200-1800摄氏度，将第一温度区间的蓝光照明关掉，采用被测物体的高温自发光进行CCD相机照明实现应变测量；在第三温度区间1800-3500摄氏度，为了削减高温物体强自发光对应变测量的干扰，再将两个蓝色滤光片进行叠加实现应变测量；

(11)基于数字图像相关方法就可以计算出步骤(9)中特定测温区域里的应变场数据。

进一步的，如步骤(1)中处理的待测物表面可以是各种金属表面，也可以是陶瓷材料表面；打磨清洁过程要去除试件表面的氧化膜和污渍。

进一步的，如步骤(2)中散斑材料应具有较高的熔点(>3500摄氏度)和超高温稳定性，并在高温条件下与被测材料保持化学稳定性。除了本发明中使用的碳化钽粉末，其他高温材料的粉末也可以用来制作散斑。

进一步的，如步骤(5)中，固化时的真空度应低于10

进一步的，如步骤(6)中，高温实验平台主要包含真空室，电子束扫描加热系统，光学观察窗口。

进一步的，如步骤(7)中，红外测温仪和数字图像测量系统通过同步触发器连接。

进一步的，如步骤(10)中，所述的应变计算方法为基于数字图像相关(DIC)的方法。

进一步的，如步骤(11)中，为了提高试验测量的温度范围，本方案提出了两种削弱高温物体自发光的滤光方法，(1)在较高温度(1200-1800摄氏度)关闭了低温范围内使用的外加蓝光光源，改用了以试件高温自发光照明CCD相机。(2)在更高的温度区间(1800-3500摄氏度)依旧使用试件的高温自发光进行照明，另外将两个蓝光波段的滤光片进行组合，以降低试件高温自发光对相机成像的干扰，从而实现超高温下的应变场测量。

进一步的，步骤(3)中制作的高温散斑应具有随机分布特征及适宜的尺寸，与被测表面的大小相对应；所述适宜的尺寸是指尺寸要达到相机分辨率的5-10倍，本发明使用的CCD相机分辨率为50μm/pixle。

进一步的，所述步骤(10)中，使用一个CCD相机实现二维应变场测量，同时使用两个CCD相机时实现三维应变场测量。

进一步的，所述步骤(10)中，所述的两个蓝光滤波片分别为：Bi 440，420-455nm；Bi 420，405-435nm，进行叠加就获得一个窄带滤波效果；通过两次滤光降低高温物体的自发光对相机成像的干扰；或选用其他波段的滤光片进行叠加，获得窄带滤波效果；

叠加的滤光片个数大于等于两个滤光片。

进一步的，所述步骤(11)中，所述应变场计算方法为采用加热前的一张图像作为参考图，利用数字图像相关方法对加热后的试件散斑图案进行匹配，从而计算出二维或者三维应变场。

进一步的，所述的散斑材料为微米级碳化钽粉末，平均粒度1微米，纯度99.9％；所述散斑材料或者选用微米级碳化铬粉末，微米级碳化铪粉末。

进一步的，本发明一种基于数字图像相关方法测量超高温物体全场应变的方法的用途包括：用于对聚变堆材料、结构以应用于极端环境下的超高温陶瓷复合材料和超高温合金由热载荷和机械载荷作用引起的全场变形进行非接触式测量、高精度测量。

本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：

(1)制斑成本低廉，可以大规模应用；

(2)制斑方法简单：将碳化钽粉末与无水乙醇按照合适比例(质量比1：2)混合成膏状，用高压喷枪将膏状碳化钽喷洒到被测表面制作随机分布的散斑即可。

(3)散斑材料的耐高温特性非常好，在经受了超高温(室温到3500摄氏度)加载后，散斑材料依旧保持了很好的稳定性和坚固性，散斑形貌和结构没有发生明显的变化。

(4)使用自发光照明和双滤波片叠加滤光的方式，大大降低了高温物体自发光的干扰，使得在超高温条件下也可以通过CCD相机获得清晰的散斑图案用于应变场计算，解决了强自发光干扰应变测量的难题，取得了极好的效果。

(5)实验验证，本发明提出的技术方案可以准确的测量钨材料在室温到3067摄氏度范围内的全场应变数据，误差在7％以内。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施案例和现有技术中的技术方案，下面将对实施案例或现有技术描述中所需要的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明三维一些实施案例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的操作流程图；

图2为本发明制作散斑原理图；

图3为两个蓝光滤光片透过率叠加示意图；

图4为使用本发明提出的技术方案测量的钨块从室温到3067摄氏度时的应变曲线，并与已知的文献数据进行了对比，结果表明测量误差小于7％，证明了本发明所提出的技术方案的可行性与准确性。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明涉及一种基于数字图像相关方法的测量超高温物体全场应变的方法，适用于超高温服役材料的全场应变测量，主要应用于核聚变工程中直接面向等离子体部件的全场应变测量，如偏滤器中钨材料的全场应变测量。如图1所示，该方法包括：根据实际部件或试件，选取待处理的部件或试件(如钨材料)，准备微米级的碳化钽粉末(平均粒度1微米，纯度99.9％)和无水乙醇。对待处理表面进行逐级打磨，并用酒精清洗，除去试件表面的氧化膜和污渍；将碳化钽粉末和无水乙醇按照质量比1：2的比例混合均匀，呈膏状；用针尖蘸取少许膏状物在处理过的试件表面制作随机分布的散斑图案。新制的散斑要先在室温条件下晾干6-8h，然后在真空环境下进行散斑固化处理，先在400摄氏度保持5分钟，冷却至室温；然后在800摄氏度保持5分钟，冷却至室温。为了防止散斑材料和试件材料被氧化，固化时的真空度要低于10

下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，不仅仅限于本实施例。

实施例1

(1)选取50×20×20mm的纯钨块试件，其中一个50×20mm的表面为待处理面，准备一定量的碳化钽粉末(平均粒径1微米，纯度99.9％)和一定量的无水乙醇；

(2)对钨块表面进行打磨处理，分别使用800目的砂纸和1500目的砂纸进行打磨，而后使用酒精和清水把处理面清洗干净，并吹干；

(3)取3克碳化钽粉末，6克无水乙醇，在托盘上进行充分混合，呈膏状物；

(4)使用注射用针管的针尖蘸取步骤(3)中混合好的散斑材料，手动沉积在处理过后的表面上，重复以上操作，就可以制成随机分布的耐高温散斑图案。对于大尺度的试件，还可以使用高压喷枪将膏状碳化钽混合物喷洒到试件表面制作随机分布的散斑。

(5)将上一步骤中制作的散斑在室温下晾干6-8h，使无水乙醇挥发。这时候散斑基本是碳化钽粉末的攒聚体，只含有少量的未挥发的无水乙醇。

(6)经过上一步骤制作的散斑材料，十分脆弱。为了加强散斑的坚固性，需要先对其进行固化处理。固化处理主要有两个步骤，(Ⅰ)在400摄氏度的环境下保温5分钟，然后降至室温；(Ⅱ)在800摄氏度的环境下保温5分钟，然后降至室温；固化过程需要在高真空下进行，防止散斑材料和钨块在固化过程中被氧化，影响散斑材料的稳定性和钨块的表面特性，本案例的固化真空度为4.7×10

(7)将上一步骤中固化后的钨试件样品，安装到高温试验平台上。散斑所在的表面直立面向相机；

(8)将红外测温仪与数字图像相关测量系统通过同步触发软件连接，确保采集的温度数据与计算得到的应变场数据一一对应；

(9)使用电子束加热系统可以将步骤(7)中的钨材料试件加热到超高温度(大于3000摄氏度)，加热区域为试件的上表面；

(10)采用红外测温仪测量试件侧表面特定区域的温度数据；

(11)使用CCD相机对步骤(10)中的钨块侧面进行连续拍摄记录，基于数字图像相关方法就可以计算出步骤(10)中特定测温区域里的应变场数据；

(12)为了最大化的提高本方法测量超高温物体全场应变的适用温度，在室温到1200摄氏度，采用外加蓝光光源的方式进行照明；在较高温度区域(1200-1800摄氏度)采用被测物体的自发光进行CCD相机照明。在高温区域(1800-3067摄氏度)再将两个商用蓝色滤光片进行组合，就可以通过两次滤光的方法来降低高温物体强自发光对应变测量的干扰。

如图2所示，为本发明制作散斑的原理图，1-针尖沉积制作散斑原理；2-高压喷枪喷洒制作散斑原理；3-试件制斑表面。

如图3所示，为本发明提出的双滤光片叠加滤光技术简要示意图。通过将两个蓝光滤波片(Bi 440，420-455nm；Bi 420，405-435nm)叠加就可以获得一个窄带滤波效果。通过两次滤光可以大大降低高温物体的自发光对相机成像的干扰。这种滤光方法可以使得超过3000摄氏度的物体依旧可以在相机中清晰成像，成像时的物体温度比采用现有滤光方法时有显著提高。

如图4所示，为使用本发明提出的技术方案测量的钨块从室温到3067摄氏度时的应变曲线，并与已发表的文献数据进行了对比，结果表明测量误差小于7％，证明了本发明所提出的技术方案的可行性与准确性。

以上虽然描述了本发明的具体实施方法，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明原理和实现的前提下，可以对这些实施方案做出多种变更或者修改，因此，本发明的保护范围由所附权力要求书限定。