【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于航空航天材料，力學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種熱膨脹系數(shù)高通量測(cè)試裝置及方法。
技術(shù)介紹
1、在航空航天材料如樹脂基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料及高溫合金材料的諸多物理或機(jī)械性能中，熱膨脹系數(shù)(cte)是一個(gè)基本且關(guān)鍵的參數(shù)。準(zhǔn)確測(cè)量cte對(duì)于設(shè)計(jì)材料穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，避免結(jié)構(gòu)屈曲，預(yù)測(cè)熱環(huán)境下材料結(jié)構(gòu)服役時(shí)的內(nèi)應(yīng)力等具有重要意義。材料熱膨脹系數(shù)測(cè)量方法有傳統(tǒng)的接觸式熱機(jī)械儀、熱膨脹分析儀、應(yīng)變片、電子散斑干涉儀(espi)、菲索干涉儀和激光干涉儀等。yoon等使用高溫應(yīng)變片測(cè)量碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料(cfrp)在20至100℃之間的cte。但是高溫應(yīng)變片的制造、粘貼耗時(shí)、費(fèi)力，經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本較高。此外，應(yīng)變片的精度也受高溫環(huán)境相關(guān)各種因素影響嚴(yán)重，包括對(duì)溫度靈敏度的依賴性和復(fù)雜的熱輸出補(bǔ)償?shù)龋虼耍邷貞?yīng)變片的可信度較低。pirgon等人用菲索干涉儀測(cè)量cfrp在80-400℃范圍內(nèi)的cte，baschek等人利用激光干涉膨脹儀測(cè)量cfrp的cte。dudescu等使用相移espi測(cè)定單向和雙向cfrp的cte。
2、由于這些干涉儀對(duì)環(huán)境要求較高，需防振平臺(tái)，測(cè)試具有繁瑣的程序，如需光學(xué)設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)，更需從記錄的條紋圖中通過(guò)復(fù)雜算法提取cte信息。雖然這些基于干涉測(cè)量的光學(xué)技術(shù)大大提高熱變形測(cè)量的精度，但這些光學(xué)方法的實(shí)用性及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)復(fù)雜性限制它的廣泛應(yīng)用。且目前所有的cte測(cè)試方法只測(cè)試一個(gè)樣品，而且超高溫2000℃熱膨脹系數(shù)測(cè)試方法較少，而高通量材料測(cè)試旨在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)多個(gè)材料樣品的cte測(cè)試，是目前提高測(cè)試效率且跟材
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種熱膨脹系數(shù)高通量測(cè)試裝置及方法，測(cè)試溫度范圍為2500℃，用于一次測(cè)試2-10個(gè)樣品，以克服現(xiàn)有技術(shù)中一次只能測(cè)量一個(gè)樣品、效率低下、超高溫測(cè)量方法受限等問(wèn)題。
2、本專利技術(shù)解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為：一種基熱膨脹系數(shù)高通量測(cè)試裝置，包括單相機(jī)三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)(3d-dic)、超高溫加熱裝置、相機(jī)支架和光學(xué)平臺(tái)、同步觸發(fā)器；其中3d-dic系統(tǒng)包括一個(gè)ccd相機(jī)、一個(gè)鏡頭、一個(gè)紫外帶通濾波片、兩個(gè)平面反射鏡、一個(gè)三棱鏡、兩個(gè)單色光源、一臺(tái)計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)線；超高溫加熱裝置包括超高溫爐和控制柜；所述3d-dic用于透過(guò)觀察窗采集放置在超高溫爐底部的樣品高溫圖像；所述超高溫加熱裝置用于提供多個(gè)樣品加熱環(huán)境；所述相機(jī)支架用于支撐相機(jī)和鏡頭；所述光學(xué)平臺(tái)用于支撐單相機(jī)3d-dic系統(tǒng)；所述紫外帶通濾波片的波長(zhǎng)范圍與單色光源發(fā)出的單色光的波長(zhǎng)范圍一致，從而能夠屏蔽超高溫?zé)彷椛洌凰鰞蓚€(gè)單色光源用于向待測(cè)樣品發(fā)出單色光，所述單色光為紫外光，且兩個(gè)單色光源發(fā)出的紫外光波長(zhǎng)范圍一致；所述平面反射鏡用來(lái)反射來(lái)自于待測(cè)樣品反射的兩個(gè)單色光源的光，進(jìn)入三棱鏡；所述三棱鏡用于反射來(lái)自于平面反射鏡的光，從而在相機(jī)的靶面進(jìn)行成像；并將采集到的圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)剿鲇?jì)算機(jī)；所述同步觸發(fā)器用于保證相機(jī)和控制柜的同步數(shù)據(jù)；所述計(jì)算機(jī)用于處理采集的圖像和計(jì)算應(yīng)變；所述數(shù)據(jù)線用于傳輸相機(jī)采集的圖像。
3、進(jìn)一步，所采用相機(jī)為紫外相機(jī)。
4、進(jìn)一步，所采用光源為紫外光源。所述的平面反射鏡和三棱鏡用于分光形成兩個(gè)虛擬相機(jī)，用于測(cè)量三維的熱膨脹系數(shù)。
5、進(jìn)一步，所述應(yīng)變的計(jì)算方法為3d-dic圖像識(shí)別輔助的算法，首先利用棋盤格標(biāo)定板標(biāo)定單相機(jī)3d-dic系統(tǒng)，然后采集不同溫度下2-10個(gè)樣品加熱過(guò)程中圖像，以室溫圖像作為參考圖像，在完成三維位移計(jì)算后，我們可以根據(jù)這些離散測(cè)量點(diǎn)的空間坐標(biāo)和三維位移計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)變信息。通常，對(duì)離散的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行差分即可得到相應(yīng)的應(yīng)變信息。采用三元一次多項(xiàng)式來(lái)擬合局部子域中的離散位移數(shù)據(jù)u(x,y,z)、v(x,y,z)、w(x,y,z)，則有：
6、
7、式中，a0、a1、a2、a、b0、b1、b2、c0、c1和c2為相應(yīng)的擬合系數(shù)，而這些擬合系數(shù)可以采用簡(jiǎn)單的最小二乘法獲得。在求解出所有的擬合系數(shù)后，該點(diǎn)的應(yīng)變(拉格朗日應(yīng)變)可以表示為：
8、
9、通過(guò)上述計(jì)算得到不同溫度下應(yīng)變場(chǎng)，進(jìn)而計(jì)算熱膨脹系數(shù)。
10、進(jìn)一步，采用本專利技術(shù)的上述裝置測(cè)定的熱膨脹系數(shù)，可以利用delta-learning算法進(jìn)行3d-dic計(jì)算的熱膨脹系數(shù)的精度修正，從而完成高精度測(cè)量。
11、本專利技術(shù)的另一方面為一種熱膨脹系數(shù)高通量測(cè)試方法，其特征在于使用前述的熱膨脹系數(shù)高通量測(cè)試裝置，包括以下步驟：
12、1)在2-10個(gè)樣品的表面制備耐2500℃高溫的散斑，參照專利cn115872742b(一種室溫-3000℃高溫dic散斑制備方法來(lái)制備散斑；
13、2)將步驟1)得到的多個(gè)(2-10個(gè))樣品，放置在輻射加熱高溫爐內(nèi)；
14、3)在鏡頭前安裝窄帶通濾波片，用單色光源對(duì)樣品進(jìn)行主動(dòng)照明，并調(diào)整兩個(gè)平面反射鏡及三棱鏡，使相機(jī)使圖像清晰；
15、4)選擇合適尺寸的棋盤格標(biāo)定板，采集多組圖像，作為標(biāo)定圖像；
16、5)采用高溫爐對(duì)樣品進(jìn)行加熱，使多個(gè)樣品能夠快速、準(zhǔn)確的達(dá)到所需溫度；步驟2)中放置的多個(gè)樣品利用同軸單相機(jī)3d-dic系統(tǒng)采集圖像，應(yīng)變計(jì)算方法為選取室溫圖像作為參考圖像，利用3d-dic算法對(duì)樣品表面的散斑圖進(jìn)行計(jì)算，獲得三維熱膨脹系數(shù)數(shù)據(jù)
17、。進(jìn)一步，結(jié)合delta-learning算法對(duì)上述三維熱膨脹系數(shù)進(jìn)行精度修正擬合計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)熱膨脹儀測(cè)試精度的高精度測(cè)量。
18、本專利技術(shù)采用同軸單相機(jī)三維系統(tǒng)，通過(guò)使用2個(gè)單色光源、2個(gè)反射鏡形成兩個(gè)虛擬相機(jī)的立體成像系統(tǒng)。
19、本專利技術(shù)的熱膨脹系數(shù)高通量測(cè)試裝置，用于對(duì)航空航天材料高溫樹脂基復(fù)合材、陶瓷基復(fù)合材料及高溫合金材料等在高溫環(huán)境下熱載荷引起的熱變形及熱膨脹系數(shù)進(jìn)行非接觸式、高通量測(cè)量。可實(shí)現(xiàn)2-10個(gè)樣品室溫-2500℃熱膨脹系數(shù)高通量測(cè)試。
20、有益效果
21、1、采用同軸單相機(jī)3d-dic系統(tǒng)，形成兩個(gè)虛擬相機(jī)的立體成像系統(tǒng)。相比于兩個(gè)相機(jī)組成的3d-dic系統(tǒng)，具有成本低、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、圖像差異小、降低圖像的相關(guān)計(jì)算困難等優(yōu)點(diǎn)；可以實(shí)現(xiàn)三維方向上熱膨脹系數(shù)高精度測(cè)量。
22、2、采用耐2500℃超溫度散斑，實(shí)現(xiàn)從室溫-2500℃熱膨脹系數(shù)測(cè)量。
23、3、觀察窗口采用藍(lán)寶石級(jí)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(cè)量精度。
24、4、使用了紫外光的主動(dòng)照明，在鏡頭前安裝窄帶通濾波片，主動(dòng)照明和窄帶通濾波片能夠進(jìn)一步減小樣品表面熱輻射的影響，使得在高達(dá)2500℃的超高溫條件下實(shí)現(xiàn)清晰圖像采集。
25、5、采用左右雙光源而非單個(gè)光源、保證了光照的均勻性和高通量所需的大視場(chǎng)(20mm×20mm-500mm×500mm)。
26、6、利用3d-dic本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種熱膨脹系數(shù)高通量測(cè)試裝置，其特征在于，該高通量測(cè)試裝置包括單相機(jī)三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)(3D-DIC)(10)、超高溫加熱裝置(17)、相機(jī)支架(11)、同步觸發(fā)器(19)和光學(xué)平臺(tái)(15)；其中3D-DIC系統(tǒng)(10)包括一個(gè)CCD相機(jī)(1)、一個(gè)鏡頭(2)、一個(gè)紫外帶通濾波片(3)、兩個(gè)平面反射鏡(4)、一個(gè)三棱鏡(5)、兩個(gè)單色光源(7)、一臺(tái)計(jì)算機(jī)(8)和數(shù)據(jù)線(9)；超高溫加熱裝置(17)包括超高溫爐(12)和控制柜(16)；所述3D-DIC(10)用于透過(guò)高溫爐窗口(14)采集放置在超高溫爐(12)底部的樣品(18)高溫圖像；所述超高溫加熱裝置(17)用于多個(gè)樣品加熱環(huán)境；所述高溫爐窗口(13)用于觀察樣品；所述高溫爐窗口(14)用于測(cè)量樣品溫度；所述相機(jī)支架(11)用于支撐相機(jī)(1)和鏡頭(2)；所述光學(xué)平臺(tái)用于支撐單相機(jī)3D-DIC系統(tǒng)(10)；所述紫外帶通濾波片(3)用于屏蔽超高溫?zé)彷椛洌凰鰞蓚€(gè)單色光源(7)用于向樣品發(fā)出單色光；所述平面反射鏡(4)用來(lái)反射從從樣品反射的兩個(gè)單色光源(7)的光，進(jìn)入三棱鏡(5)；所述三棱鏡(5)用于反射來(lái)自于平面反射鏡(
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹系數(shù)高通量測(cè)試裝置，其特征在于：所述的CCD相機(jī)為紫外相機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹系數(shù)高通量測(cè)試裝置，其特征在于：所述的一個(gè)鏡頭(2)為紫外鏡頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹系數(shù)高通量測(cè)試裝置，其特征在于：所述與兩個(gè)單色光源波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的一個(gè)紫外帶通濾波片(3)為與紫外光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的窄帶通濾波片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹系數(shù)高通量測(cè)試裝置，其特征在于：所述兩個(gè)單色光源為紫外光單色光源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹系數(shù)高通量測(cè)試裝置，其特征在于：所述的平面反射鏡(4)和三棱鏡(5)用于分光形成兩個(gè)虛擬相機(jī)，用于測(cè)量三維的熱膨脹系數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹系數(shù)高通量測(cè)試裝置，其特征在于：所述的高溫爐加熱采用輻射加熱的方式。
8.一種熱膨脹系數(shù)高通量測(cè)試方法，其特征在于：使用權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的一種基于深度學(xué)習(xí)的熱膨脹系數(shù)高通量測(cè)試裝置，包括如下步驟：1)在樣品(18)表面噴涂高溫散斑，將樣品(18)放置在超高溫爐(18)上；2)在鏡頭(2)前安裝窄帶通濾波片(3)，用單色光源(7)對(duì)樣品(18)進(jìn)行主動(dòng)照明，并調(diào)整平面鏡(4)和三棱鏡(5)使圖像清晰；3)采集多組圖像，利用棋盤格標(biāo)定板對(duì)采集圖像進(jìn)行標(biāo)定；4)開啟同步開關(guān)(19)，超高溫裝置(17)開始加熱，同時(shí)相機(jī)(1)開始采集圖像；將相機(jī)(1)采集到的數(shù)據(jù)用3D-DIC方法進(jìn)行熱膨脹系數(shù)計(jì)算，得到熱膨脹系數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于深度學(xué)習(xí)的熱膨脹系數(shù)高通量測(cè)試方法，其特征在于：應(yīng)變計(jì)算方法為選取室溫圖像作為參考圖像，利用3D-DIC算法對(duì)樣品表面的散斑圖進(jìn)行計(jì)算，獲得原始三維熱膨脹系數(shù)數(shù)據(jù)；結(jié)合Delta-Learning算法對(duì)原始三維熱膨脹系數(shù)進(jìn)行精度修正擬合計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)熱膨脹儀測(cè)試精度的高精度測(cè)量。
10.權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的基于深度學(xué)習(xí)的熱膨脹系數(shù)高通量測(cè)試裝置的用途，其特征在于：用于對(duì)航空航天樹脂基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料及高溫合金材料在高溫環(huán)境下的熱膨脹系數(shù)、熱變形場(chǎng)的測(cè)量。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種熱膨脹系數(shù)高通量測(cè)試裝置，其特征在于，該高通量測(cè)試裝置包括單相機(jī)三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)(3d-dic)(10)、超高溫加熱裝置(17)、相機(jī)支架(11)、同步觸發(fā)器(19)和光學(xué)平臺(tái)(15)；其中3d-dic系統(tǒng)(10)包括一個(gè)ccd相機(jī)(1)、一個(gè)鏡頭(2)、一個(gè)紫外帶通濾波片(3)、兩個(gè)平面反射鏡(4)、一個(gè)三棱鏡(5)、兩個(gè)單色光源(7)、一臺(tái)計(jì)算機(jī)(8)和數(shù)據(jù)線(9)；超高溫加熱裝置(17)包括超高溫爐(12)和控制柜(16)；所述3d-dic(10)用于透過(guò)高溫爐窗口(14)采集放置在超高溫爐(12)底部的樣品(18)高溫圖像；所述超高溫加熱裝置(17)用于多個(gè)樣品加熱環(huán)境；所述高溫爐窗口(13)用于觀察樣品；所述高溫爐窗口(14)用于測(cè)量樣品溫度；所述相機(jī)支架(11)用于支撐相機(jī)(1)和鏡頭(2)；所述光學(xué)平臺(tái)用于支撐單相機(jī)3d-dic系統(tǒng)(10)；所述紫外帶通濾波片(3)用于屏蔽超高溫?zé)彷椛洌凰鰞蓚€(gè)單色光源(7)用于向樣品發(fā)出單色光；所述平面反射鏡(4)用來(lái)反射從從樣品反射的兩個(gè)單色光源(7)的光，進(jìn)入三棱鏡(5)；所述三棱鏡(5)用于反射來(lái)自于平面反射鏡(4)的光，從而在相機(jī)(1)的靶面進(jìn)行成像；并將采集到的圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)剿鲇?jì)算機(jī)(8)；所述同步觸發(fā)器(19)用于保證相機(jī)(1)和控制柜(16)的同步數(shù)據(jù)；所述計(jì)算機(jī)(8)用于采集圖像和計(jì)算應(yīng)變；所述數(shù)據(jù)線(9)用于傳輸相機(jī)(1)采集的圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹系數(shù)高通量測(cè)試裝置，其特征在于：所述的ccd相機(jī)為紫外相機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹系數(shù)高通量測(cè)試裝置，其特征在于：所述的一個(gè)鏡頭(2)為紫外鏡頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱膨脹系數(shù)高通量測(cè)試裝置，其特征在于：所述與兩個(gè)單色光源波長(zhǎng)對(duì)...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：董亞麗，李宜彬，康鵬，徐惠彬，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：天目山實(shí)驗(yàn)室，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
還沒有人留言評(píng)論。發(fā)表了對(duì)其他瀏覽者有用的留言會(huì)獲得科技券。