CN113566986A - 非接触式固体表面应变场与温度场同步测试的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高温下材料性能与温度测试领域，旨在提供一种非接触式固体表面应变场与温度场同步测试的方法及装置。本发明利用磷光材料形成的磷光散斑，将其用于温度检测的同时作为变形检测的载体。使用CCD相机拍摄经紫外激光激发后的磷光散斑，对相机拍摄的同一图像的两部分内容分别进行温度场分析计算和应变场分析计算，即可同步获取待测构件表面变形和温度场信息。本发明基于激光诱导磷光原理，不受物体本身辐射性质和环境因素干扰，从而克服了传统辐射测温方法中背景信号干扰和发射率未知的问题，精确度更高；能实现被测构件温度场和应变场在时间和空间维度上测试的绝对同步。便于解耦应力场分布，实现材料及构件的力学性能评估和寿命预测。

Description

非接触式固体表面应变场与温度场同步测试的方法及装置

技术领域

本发明涉及高温下材料性能与温度测试领域，具体涉及一种基于磷光散斑激发技术的非接触式固体表面应变场与温度场同步测试的方法及装置。

背景技术

高温物体表面力、热应变场的准确测量对构件的力学性能表征和安全设计至关重要，由于构件在高温环境下温度分布不均匀并随时间变化，高温环境下应变场与温度场的同步测试是准确研究构件热力性质的基础。高温环境下应变场测试技术主要分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量需要将测量元件与测试对象粘贴固定，因此只能进行点测量、无法获取大应变梯度的应变场信息。非接触式应变测量方法尤其是光学测量法具有全场性、可实时测量等优点，获得了广泛的关注，这种方法大多基于数字图像相关(DigitalImage Correlation，DIC)原理，通过对物体变形前后其表面(或体)图像子区的相似程度进行图像匹配来获得物体的变形量。然而，根据数字图像相关原理获得的仅仅是物体表面的应变信息，想要反演出准确的应力数据，还依赖于精确的温度场测量结果。同时获得较为精确的温度场和应变场信息，是获取材料准确的热力性质的必要条件。

固体表面温度的测量方法可以分为接触法和非接触法。接触法会破坏目标的热平衡状态，改变其温度场，加大测温误差，且难以实现温度场实时测量。非接触测温法不会对被测体的温度场产生干扰，响应速度快，适合用于测量高温复杂环境下的物体表面温度。常用的非接触测温法主要以光学方法为主，包括辐射测温法和激光诱导磷光法(LaserInduced Phosphorescence，LIP)。

辐射测温方法是工程中应用十分广泛的一种测温技术。包括单色测温法、全辐射测温法、比色测温法和多光谱测温法。红外热像仪是典型的辐射法成像测温装置，由于物体表面的发射率难以测定，这种方法温度误差较大，难以实现复杂环境下的高精度测量。此外，在典型热端部件的高温考核试验中，加热热源的背景热辐射会对辐射测温带来无法避免的误差。近年来，激光技术的快速发展使得基于激光的温度场在线测量技术成为研究热点。激光诱导磷光测温技术是利用某些磷光物质温度敏感的特点来测量表面温度分布。磷光物质在受到紫外脉冲激光照射时电子会从基态跃迁到高能态，而当其从高能态跃迁回基态时，就会向外辐射光子，称为磷光。磷光的发光寿命和特征光谱强度比值与温度相关联，因此在紫外光照射下，通过标定磷光寿命或特征光谱强度比值与温度的关系，获得相应标定曲线，即可通过插值的方法获得目标物体的温度信息。这种方法不受构件发射率和环境辐射信号的干扰，测量精确度高。

但是，上述非接触式应变场测试技术或非接触测温方法，均为功能单一的测量技术，如果要针对同一被测对象同时进行应变场和温度变化的研究，需要设置两套不同的测试设备。更重要的是，在不同测试设备之间，由于存在热源辐射信号干扰和发射率未知导致误差较大的问题，以及无法提供应变场与温度场在时域和空域上完全同步的测试基准，导致不能精准实现同时进行应变场和温度变化的研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种非接触式固体表面应变场与温度场同步测试的方法及装置。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种非接触式固体表面应变场与温度场同步测试的方法，包括以下步骤：

(1)利用磷光材料、陶瓷粉和高温胶混合制备磷光材料喷剂，将其喷涂在标定板的表面上形成磷光散斑；然后将标定板置于黑体炉的内腔中，炉壁上留有开口；

(2)以紫外激光器发射波长为355nm或266nm的紫外激光，照射在标定板的磷光散斑上用于激发产生磷光信号；利用两台CCD相机或者搭配立体镜头的单台CCD相机，同时获得激发形成的不同特征波长下的二维磷光信号图像，两幅图像同时完成成像且其坐标一一对应；

(3)以加热装置改变黑体炉的内腔温度，利用图像信号强度与标定板温度的数据，获得磷光信号在两个波长下的磷光信号强度比值随温度单调变化的关系，实现温度曲线的标定；

(4)利用紫外激光激发形成的任一波长下磷光信号图像和标定板温度数据，实现应变测试的标定过程；

(5)将磷光材料喷涂在被测构件的表面上形成磷光散斑，然后将其替代标定板置于黑体炉的内腔中；以相同波长的紫外激光照射，CCD相机获取被测构件变形前后表面的磷光信号图像；

(6)对两个波长下的图像逐点进行比值计算，获得各磷光散斑点信号强度比值，并根据温度标定曲线进行插值，获得测量区域的温度场信息；对两个波长下的任一图像进行形变分析，确定位移场后通过差分位移场方法获得应变场信息。

作为优选方案，所述步骤(6)具体包括：

(6.1)取两幅对应不同波长的磷光信号图像G1和G2，根据空间对应关系逐点进行比值计算，得到磷光信号图像中各点比值信息R；

(6.2)将磷光信号图像的各点比值信息R与标定获得的温度曲线进行匹配，得到被测构件表面测量区域的温度场分布；

(6.3)以任一特征波长下的磷光信号图像为变形载体，基于图像灰度值分布的特征相关搜索计算，对变形前后计算子区进行匹配；

(6.4)基于迭代最小二乘亚像素位移测量算法，进一步确定待求位置(x0，y0)在x方向和y方向的位移分量，确定位移场，进而通过差分位移场方法获得应变场。

作为优选方案，所述磷光材料是具有温度敏感特性的材料，具备在紫外激光激发下诱导产生磷光的特性。

作为优选方案，所述紫外激光器的激光频率为10Hz，且激光能量可调。

作为优选方案，通过单相机配合立体镜头或两台相机同步，在镜头前加装不同波长的窄带滤波片，以实现对应特征波长磷光信号图像的采集。

本发明进一步提供了一种非接触式固体表面应变场与温度场同步测试的装置，包括紫外激光器、两台CCD相机和炉壁上留有开口的黑体炉；黑体炉的内腔用于放置被测构件，且在炉体上设有加热装置；在紫外激光器的发射光路上设有扩束镜，用于将点光源形式的紫外激光扩展为平面光源；使用两台CCD相机同步获取不同波长的光信号；CCD相机和紫外激光器分别通过信号线连接至同步控制器，CCD相机还通过信号线连接至计算机。

本发明还提供了一种非接触式固体表面应变场与温度场同步测试的装置，包括紫外激光器、单台CCD相机和炉壁上留有开口的黑体炉；黑体炉的内腔用于放置被测构件，且在炉体上设有加热装置；在紫外激光器的发射光路上设有扩束镜，用于将点光源形式的紫外激光扩展为平面光源；在CCD相机的物镜前设有立体镜头，用于将不同波长的光信号同步拼接在一起后引入CCD相机；CCD相机和紫外激光器分别通过信号线连接至同步控制器，CCD相机还通过信号线连接至计算机。

作为优选方案，所述立体镜头包括两片窄带滤波片、两个45°反光镜和一个用于反射的棱镜，棱镜的顶端朝向CCD相机的物镜，其两侧各平行布置一个45°反光镜；两片窄带滤波片能透过不同波长的光信号，且对称地布置在两个45°反光镜的入射光路上。

作为优选方案，所述CCD相机是相增强型相机(ICCD)。

发明原理描述：

本发明通过单相机配合立体镜头或两台相机同步，镜头前加装不同波长的窄带滤波片，以实现对应特征波长磷光信号图像的采集。与之前现有技术的区别之处在于，本发明利用磷光材料形成的磷光散斑，将其用于温度检测的同时作为变形检测的载体。使用CCD相机拍摄经紫外激光激发后的磷光散斑，对相机拍摄的同一图像的两部分内容分别进行温度场分析计算和应变场分析计算，即可同步获取待测构件表面变形和温度场信息。具体地：

使用磷光散斑材料同时作为温度指示材料和变形载体，基于激光诱导磷光原理和数字图像相关原理，利用紫外激光诱导磷光散斑材料产生的磷光信号，使用加装立体镜头的ICCD相机对磷光散斑成像进行两个特征波长下同时成像，对两个波长下成像信息进行比值计算获得温度场信息，对任一特征波长下磷光散斑位移进行计算处理获得应变场信息，实现应变场和温度场的同步在线测量，具有应变场、温度场空间坐标一致，后续应力场解耦计算简单的优点。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明中固体表面温度场的测量是基于激光诱导磷光原理，不受物体本身辐射性质和环境因素干扰，从而克服了传统辐射测温方法中背景信号干扰和发射率未知的问题，精确度更高；

2、磷光散斑成像通过两台相机或加装立体镜头的CCD相机实现，立体镜头前根据特征波长加装窄带滤光片，同时实现两个特征波长下的成像，受紫外脉冲激光激发的磷光散斑在任一特征波长下成像均可作为形变载体，进行应变场测量，从而实现被测构件温度场和应变场在时间和空间维度上测试的绝对同步。

3、本发明实现了应变场与温度场完全同步测量，能够克服现有变形、温度同步测试技术中，温度测试方法受到热源辐射信号干扰和发射率未知从而误差较大的问题，提供精确且在时域和空域上完全同步的应变场与温度场测试方法，便于解耦应力场分布，从而为材料及构件的力学性能评估和寿命预测提供解决方案。

附图说明

图1为本发明的装置示意图；

图2为立体镜分光原理图。

附图标记：紫外激光器1；扩束镜2；CCD相机3；立体镜头4；窄带滤波片5；同步控制器6；标定板7；被测构件8；黑体炉9；计算机10；物镜11；棱镜12；45°反光镜13；窄带滤波片14。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。以下实例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1、2所示，非接触式固体表面应变场与温度场同步测试的装置，包括紫外激光器(紫外纳秒脉冲激光器)1、CCD相机3和炉壁上留有开口的黑体炉9；黑体炉9的内腔用于放置被测构件，且在炉体上设有加热装置；紫外激光器1的激光频率为10Hz，且激光能量可调。在激光器的发射光路上设有扩束镜2，用于将点光源形式的紫外激光扩展为平面光源。在CCD相机3的物镜11前设有立体镜头4，用于将不同波长的光信号同步拼接在一起后引入CCD相机3。CCD相机3和激光器分别通过信号线连接至同步控制器6，CCD相机3可选为相增强型相机ICCD，通过信号线连接至计算机10。

立体镜头4包括两片窄带滤波片14、两个45°反光镜13和一个用于反射的棱镜12，棱镜12的顶端朝向CCD相机3的物镜11，其两侧各平行布置一个45°反光镜13；两片窄带滤波片14能透过不同波长的光信号，且对称地布置在两个45°反光镜13的入射光路上。

非接触式固体表面应变场与温度场同步测试的方法，包括以下步骤：

(1)利用磷光材料、陶瓷粉和高温胶混合制备磷光材料喷剂，将其喷涂在标定板7的表面上形成磷光散斑；然后将标定板7置于黑体炉9的内腔中，炉壁上留有开口；

其中，磷光材料是具有温度敏感特性的材料，如：掺镝的钇铝石榴石(YAG:Dy)、掺锌的氧化锌(ZnO：Zn)、掺铕的铝酸钡镁(BAM)等商用磷光材料的一种、两种或三种以上掺混，具备在紫外激光激发下诱导产生磷光的能力。

(2)以紫外激光器1发射特定波长的紫外激光，如355nm或266nm激光，经过扩束镜2扩展以平面光源的形式照射在标定板7的磷光散斑上用于激发产生磷光信号；利用两台CCD相机3或搭配立体镜头4的单台CCD相机3，同时获得紫外激光激发形成的不同波长下的二维磷光信号图像，两幅图像同时完成成像且其坐标一一对应；

(3)以加热装置改变黑体炉9的内腔温度，利用图像信号强度与标定板7温度数据，获得磷光信号在两个波长下的磷光信号强度比值随温度单调变化的关系，实现温度曲线的标定；

(4)利用紫外激光激发形成的任一特征波长下磷光信号图像和标定板温度数据，实现应变测试的标定过程；

(5)将磷光材料喷涂在被测构件8的表面上形成磷光散斑，然后将其替代标定板7置于黑体炉9的内腔中；以相同波长的紫外激光照射，CCD相机3获取被测构件8变形前后表面的磷光信号图像；

(6)对两个波长下的图像逐点进行比值计算，获得各磷光散斑点信号强度比值，并根据温度标定曲线进行插值，获得测量区域的温度场信息；对两个特征波长下的任一图像进行形变分析，确定位移场后通过差分位移场方法获得应变场信息。该步骤具体包括：

(6.1)取两幅对应不同波长的磷光信号图像G1和G2，根据空间对应关系逐点进行比值计算，得到磷光信号图像中各点比值信息R；

(6.2)将磷光信号图像的各点比值信息R与标定获得的温度曲线进行匹配，得到被测构件8表面测量区域的温度场分布；

(6.3)以任一特征波长下的磷光信号图像为变形载体，基于图像灰度值分布的特征相关搜索计算，对变形前后计算子区进行匹配；

(6.4)基于迭代最小二乘亚像素位移测量算法，进一步确定待求位置(x0，y0)在x方向和y方向的位移分量，确定位移场，进而通过差分位移场方法获得应变场。

对于磷光材料的说明：

本发明中所使用的磷光材料是具有温度敏感特性的材料，还掺杂了稀土离子晶体，具备在两种紫外激光激发下诱导产生磷光的能力。可以选择掺镝的钇铝石榴石(YAG:Dy)、掺锌的氧化锌(ZnO：Zn)、掺铕的铝酸钡镁(BAM)等商用磷光材料的一种、两种或三种以上掺混。至于如何进行选择和组配，以及与陶瓷粉和高温胶等辅料进行混合制备磷光材料喷剂，均为公开技术。例如可参考“曹秀清.稀土离子(Dy,Ce)掺杂钇铝石榴石(YAG)晶体的制备及其光学性能研究[D].广西大学,2017”、“洪火星.Tm和Dy掺杂的YSZ涂层制备与发光性能研究[D].华东理工大学,2012”文献的记载。

本发明所使用的355/266nm激光波长是Nd:YAG激光器的3倍频和4倍频标准输出波长，是用来激发磷光材料的，不与具体磷光材料对应。

本发明的核心创新点在于，利用特定波长的紫外激光针对同一磷光散斑进行激发形成不同波长的磷光信号图像，同时对图像进行采集以用于后续分析。因此，本发明对磷光材料的选择或制备方法不作限制，只需选择能够在特定波长紫外光线激发下产生磷光信号即可，且对于激发紫外光的波长范围不作限制。因此，本领域技术可以在现有技术范围内自由选择、组合磷光材料及辅料，以获得适当的磷光散斑用于本发明的技术方案。

具体应用示例：

(1)紫外激光器1在同步控制器5的作用下发出355nm或266nm的紫外激光，经扩束镜2扩展为平面光源，用于激发磷光散斑。

(2)标定板7表面喷涂由磷光物质、陶瓷粉和高温胶按一定比例混合而成的磷光材料喷剂以形成磷光散斑，并置于温度可控且均匀的黑体炉9的内腔中，磷光散斑经紫外激光诱导后产生磷光信号。

(3)立体镜头4的原理如图2所示，包括两个不同波长的窄带滤波片5，立体镜头4装配在CCD相机3(像素1024*1024)上，可同时完成两个特征波长下的磷光散斑成像(每个波长下图像像素为512*1024)，且两幅图像上坐标一一对应。

(4)以10℃为间隔，在200-1300℃内改变黑体炉9的温度，由CCD相机3记录每个温度下的磷光散斑图像并传输到计算机10上进行处理，对每一温度T下同时获得的两幅不同特征波长下的磷光散斑图像G1、G2的信号强度I1、I2进行比值计算，获得该温度下两个特征波长的磷光信号强度比值R＝I1/I2，完成所有温度下的温度信号处理，获得磷光散斑信号比值R随温度T的响应曲线f(R，T)，完成温度曲线标定过程。

(5)以CCD相机3记录的标定板表面任一特征波长下的磷光散斑图像信息为变形载体，完成应变测试的标定过程。

(6)将标定板7替换成待测构件8，置于黑体炉9内，进行应变场和温度场的同步测量。

(7)由CCD相机3记录待测构件8表面两个特征波长下的磷光散斑图像信号，并传输到计算机10上，对两个特征波长下的磷光散斑图像逐点进行比值计算，获得测量区域内各磷光散斑点信号强度比值R，并根据温度标定曲线f(R，T)进行插值，获得测量区域温度场信息。

(8)对由CCD相机3记录的待测构件8表面两个不同波长下的磷光散斑图像任取一图进行形变分析。由于CCD相机3获取图像为灰度图，因此无需进行图像转换处理，基于图像灰度值分布的特征相关搜索计算，对变形前后计算子区进行匹配，并基于迭代最小二乘亚像素位移测量算法，进一步确定待求位置(x0，y0)在x方向和y方向的位移分量，确定位移场，进而通过差分位移场方法获得应变场。

(9)由计算机10在测试软件窗口同步显示待测构件8表面的应变场与温度场信息。

图1、2中的方案选用了单台CCD相机，作为替代方案，也可以同时使用两台CCD相机来同步获取不同波长的光信号。所获光信号经处理后被送至计算机10，后续进一步的处理方法与单台CCD方案中是相同的。

Claims (9)

1.一种非接触式固体表面应变场与温度场同步测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用磷光材料、陶瓷粉和高温胶混合制备磷光材料喷剂，将其喷涂在标定板的表面上形成磷光散斑；然后将标定板置于黑体炉的内腔中，炉壁上留有开口；

(2)以紫外激光器发射波长为355nm或266nm的紫外激光，照射在标定板的磷光散斑上用于激发产生磷光信号；利用两台CCD相机或者搭配立体镜头的单台CCD相机，同时获得激发形成的不同特征波长下的二维磷光信号图像，两幅图像同时完成成像且其坐标一一对应；

(3)以加热装置改变黑体炉的内腔温度，利用图像信号强度与标定板温度的数据，获得磷光信号在两个波长下的磷光信号强度比值随温度单调变化的关系，实现温度曲线的标定；

(4)利用紫外激光激发形成的任一波长下磷光信号图像和标定板温度数据，实现应变测试的标定过程；

(5)将磷光材料喷涂在被测构件的表面上形成磷光散斑，然后将其替代标定板置于黑体炉的内腔中；以相同波长的紫外激光照射，CCD相机获取被测构件变形前后表面的磷光信号图像；

(6)对两个波长下的图像逐点进行比值计算，获得各磷光散斑点信号强度比值，并根据温度标定曲线进行插值，获得测量区域的温度场信息；对两个波长下的任一图像进行形变分析，确定位移场后通过差分位移场方法获得应变场信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(6)具体包括：

(6.1)取两幅对应不同波长的磷光信号图像G1和G2，根据空间对应关系逐点进行比值计算，得到磷光信号图像中各点比值信息R；

(6.2)将磷光信号图像的各点比值信息R与标定获得的温度曲线进行匹配，得到被测构件表面测量区域的温度场分布；

(6.3)以任一特征波长下的磷光信号图像为变形载体，基于图像灰度值分布的特征相关搜索计算，对变形前后计算子区进行匹配；

(6.4)基于迭代最小二乘亚像素位移测量算法，进一步确定待求位置(x0，y0)在x方向和y方向的位移分量，确定位移场，进而通过差分位移场方法获得应变场。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磷光材料是具有温度敏感特性的材料，具备在紫外激光激发下诱导产生磷光的特性。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述紫外激光器的激光频率为10Hz，且激光能量可调。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过单相机配合立体镜头或两台相机同步，在镜头前加装不同波长的窄带滤波片，以实现对应特征波长磷光信号图像的采集。

6.一种非接触式固体表面应变场与温度场同步测试的装置，包括紫外激光器、两台CCD相机和炉壁上留有开口的黑体炉；黑体炉的内腔用于放置被测构件，且在炉体上设有加热装置；其特征在于，在紫外激光器的发射光路上设有扩束镜，用于将点光源形式的紫外激光扩展为平面光源；使用两台CCD相机同步获取不同波长的光信号；CCD相机和紫外激光器分别通过信号线连接至同步控制器，CCD相机还通过信号线连接至计算机。

7.一种非接触式固体表面应变场与温度场同步测试的装置，包括紫外激光器、单台CCD相机和炉壁上留有开口的黑体炉；黑体炉的内腔用于放置被测构件，且在炉体上设有加热装置；其特征在于，在紫外激光器的发射光路上设有扩束镜，用于将点光源形式的紫外激光扩展为平面光源；在CCD相机的物镜前设有立体镜头，用于将不同波长的光信号同步拼接在一起后引入CCD相机；CCD相机和紫外激光器分别通过信号线连接至同步控制器，CCD相机还通过信号线连接至计算机。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述立体镜头包括两片窄带滤波片、两个45°反光镜和一个用于反射的棱镜，棱镜的顶端朝向CCD相机的物镜，其两侧各平行布置一个45°反光镜；两片窄带滤波片能透过不同波长的光信号，且对称地布置在两个45°反光镜的入射光路上。

9.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述CCD相机是相增强型相机。

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