WO2018226117A1 - Способ измерения геометрических параметров и/или деформаций образца при высокотемпературном воздействии на него и система для его осуществления - Google Patents

Способ измерения геометрических параметров и/или деформаций образца при высокотемпературном воздействии на него и система для его осуществления Download PDF

Info

Publication number
WO2018226117A1
WO2018226117A1 PCT/RU2018/000092 RU2018000092W WO2018226117A1 WO 2018226117 A1 WO2018226117 A1 WO 2018226117A1 RU 2018000092 W RU2018000092 W RU 2018000092W WO 2018226117 A1 WO2018226117 A1 WO 2018226117A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sample
deformation
photo
coordinates
reference points
Prior art date
Application number
PCT/RU2018/000092
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Валентин Викторович ТЕРАУД
Original Assignee
Валентин Викторович ТЕРАУД
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Валентин Викторович ТЕРАУД filed Critical Валентин Викторович ТЕРАУД
Priority to DE112018002883.6T priority Critical patent/DE112018002883T5/de
Publication of WO2018226117A1 publication Critical patent/WO2018226117A1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/165—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by means of a grating deformed by the object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge

Definitions

  • the invention relates to measuring equipment, in particular to non-contact means and methods for measuring the parameters of deformation of objects, for example, when testing for strength, in conditions of elevated temperatures (for example, up to 700 ° C), as well as in complex stress conditions, and can be used for diagnosing destruction of the sample and estimates of the time after which the destruction will occur.
  • the invention will find application in scientific research laboratories conducting high-temperature studies of loaded samples or structures, and in industry where it is necessary to remotely measure the shape and / or deformation of a sample during high-temperature deformation.
  • Existing analogues for measuring strains at elevated temperatures can be divided into two groups: methods for measuring strains at individual points on the body and methods that measure strains continuously throughout the body under study (or continuously over a selected area of the body). Strain measurement methods with various types of sensors and transducers used in them can be classified as methods for measuring deformations at individual points on the body.
  • the second group includes optical-geometric (the method of dividing and moire nets), interference-optical, polarization-optical methods, etc.
  • the closest non-contact method is a TRViewX video extensometer (e.g. TRViewX 240S) manufactured by Shimadzu (http://www.si.shimadzu.com/products/ literature / Testing / C224-E052.pdf), designed for non-contact measurement longitudinal and transverse deformations at elevated temperature. It allows you to register on the surface of the samples the movement of specially applied optical marks.
  • TRViewX video extensometer e.g. TRViewX 240S
  • Shimadzu http://www.si.shimadzu.com/products/ literature / Testing / C224-E052.pdf
  • this video extensometer does not allow measuring the displacements of randomly selected points on the sample and does not allow full control over the shape change of samples and materials during deformation (in particular, the ability to measure the shape of the sample during the entire time of deformation).
  • a video extensometer also requires high-contrast markers and strong external lighting, which is difficult to implement at elevated temperatures (above 200 ° C), and the mechanism for using this video extensometer at elevated temperatures is not described.
  • a device is known “A method for determining the coordinates of points and the orientation of surface sections of a body of complex shape” (RU 2162591), in which special marker symbols are placed on controlled sections of the surface of a body of complex shape proportional to the size of this surface. As symbols, flat elements of the same shape and size are used.
  • the perception of the image of the body surface of complex shape is carried out by an optical fixing device, for example, a video camera. Comparing the images of the symbol and the reference symbol, located in such a way that the coordinates of all the points of the symbol are known, they judge the coordinates of the points on the surface of the body of complex shape, as well as the orientation of the surface area on which the symbol is located, taking into account the angle of its inclination.
  • this method does not allow to determine the shape of the object, is not applicable for measuring deformations in arbitrary directions and is not applicable for measuring the deformation of small parts. And also the use of this method at high temperatures is doubtful.
  • a photographic layer is applied to the surface of the sample, which is used as a photosensitive layer of photographic film, for example, a dry film photoresist, which is previously exposed through a template with a coordinate grid.
  • a sample with a coordinate grid photographed on its surface is loaded.
  • the cell sizes of the coordinate grid are measured before and after loading, and the microstrain of the sample with a curved surface is determined from the measurement results.
  • This class is different in that a bright contrast line is projected onto the surface to be measured using a source of a flat ray of light, followed by registration with a digital matrix.
  • the device includes rotating the part, scanning it in the transverse plane by the radiation beam of the laser source, fixing the surface of the part along the boundaries of the shadow portion of the points of contact with the radiation beam, and determining the diameter from the distance between these points of contact.
  • the diameters are measured in each of two predetermined cross-sections of the part in mutually perpendicular longitudinal planes of the part.
  • the “Device for measuring the linear deformations of articles or samples under loading and heating” (SU 181824), containing a radiation source, curtains located on the beam path and mounted on the deformable object or formed by its edges, a focusing device, a device for moving the beam, radiation receiver, electrical converting, measuring and recording devices.
  • a radiation source In order to increase the temperature limit of the object’s heating and reduce errors due to the influence of the background of the glow of the curtains during heating, the source of ultraviolet rays was used as a radiation source, and a concave mirror swinging or rotating relative to an axis perpendicular to its optical axis was used as a focusing and deploying device axis.
  • the disadvantages of this device are the complex camera mount system suspended on the grips of the testing machine, the need for ultraviolet light and high-temperature windows that are transparent to ultraviolet rays.
  • a distinctive feature of this method is the design on the surface of an object of structured light (spatially and / or in intensity).
  • methods can be distinguished into: methods in which a set of bands with a sinusoidal intensity distribution is projected (for example,
  • RU 2148793 “Method for measuring the shape and spatial position of an object’s surface” and “Structured-light, triangulation-based three-dimensional digitizer)) WO9958930
  • methods in which a set of images is projected with a given light flux structure in the given linear example
  • a given light flux structure in the given linear example
  • methods using the principle of interferometry for example, EP1117973
  • methods that use optical radiation spatially modulated in intensity for example, RU 2185598”
  • Non-contact control of the linear dimensions of three-dimensional objects " methods using a laser matrix emitters (for example, RU 2296947 “Method for non-contact measurement of bodies with a complex surface shape”) or in which an array of point images is formed on the surface of an object (for example, RU 2304760 “Method for determining dynamite ")
  • methods using the formation of collimated beams of optical radiation with two mutually perpendicular directions for example
  • a close analogue is also a method based on the moire effect (for example, "Method for remote measurement of displacements" RU 93042088).
  • this method is associated with the great difficulty of applying a raster on the surface of the product during its manufacture, consisting of parallel strips and the difficulty in measuring uniform deformations throughout the volume.
  • Nizhny Novgorod Nizhny Novgorod State University, 2012.
  • the experimental complex includes a testing machine equipped with appropriate sensors of force measurement and deformation, digital camera, lighting equipment, personal computer with a package of application programs for processing photo images.
  • the Canon EOS 5D Mark P a software package manufactured by National Instruments, was used as a photographic recorder.
  • the principle of operation consists in periodically photographing a sample, followed by recognition of pictures in the "Vision Builder for Automated Inspection", from which the elongation of the sample, narrowing and radius of the neck were determined.
  • the method and equipment is designed to measure the strains of loaded samples only at room temperature.
  • the closest analogue in the second group is the digital image correlation method http://ru.wikipedia.org/wiki/Koppelyatsiya_tsifrovy I_images) in particular, some improvement of the method is known (“Multiple-Scale Digital Image Correlation Pattern and Measurement) (US2014160279).
  • the essence of the method is as follows: 1. Preparation - a stochastic texture is applied to the surface of the sample, usually in the form of small spots of contrasting paint. 2. Photoregistration - at the time of deformation, the sample is continuously photographed. 3. Processing - consists in maximizing the correlation coefficient, which is determined by the intensity of the array of pixels in question in 2 or more relevant images and by extracting the projection function of the deformations on these related images. The method allows one to obtain deformation fields on the sample surface.
  • the technical problem to be solved by the claimed group of solutions is the creation of a method and system that provides strain measurements on samples by the non-contact method, at elevated temperatures (up to 700 ° C) and / or in a difficult stress state.
  • the invention In addition to measuring deformations (for example, the general deformation of a sample, deformation of elements on the surface of a sample, etc.), the invention also provides measurement of geometric dimensions (for example, length, width in various sections, coordinates of reference points, etc.).
  • the method is characterized by simplicity and allows to obtain results in the process of deformation.
  • a qualitative increase in efficiency appears (namely, an increase in the strain measurement range, an increase in the accuracy of measurements and coordinates of points on the surface of the sample in substantially large volumes, for example, for sediment testing, the value of the diameter of the sample in any longitudinal or cross section at any time ) and the ease of quantitative assessment of deformations of the sample under high-temperature exposure to it, including in the case of a complex stress state.
  • the technical result to which the invention is directed is the possibility of non-contact measurement of deformations of a loaded sample (including when the stress state is complex) and its shape at high temperatures (up to 700 ° C, to a glow temperature) by creating and processing (including its forms, deformations in different zones and coordinates of points) of the numerical image of the object under study while reducing the complexity of the measurements and achieving high accuracy of the obtained parameters of the deformation of the object.
  • the achievement of the technical result is possible due to the fact that the present invention builds a numerical image of the deforming sample, according to which measurements are made.
  • the measuring equipment is located outside the high-temperature zone and does not require complicated settings, which eliminates the complexity of measurements at elevated temperatures and reduces the complexity of measurements, and the use of the proposed processing technology provides high-precision strain calculations.
  • the invention is implemented by a method for measuring geometric parameters and / or deformations of a sample under high-temperature impact on it, which includes the steps at which
  • the registration of sample images is carried out at regular intervals or through a predetermined value of elongation and / or contraction of the sample in a selected direction.
  • the points of intersection of lines in the grid deposited on the surface of the sample are used as reference points.
  • the grid consists of rectangular cells 1-3 mm in size.
  • the sample is placed in the center of the frame, and the size of the sample in the frame is one third of the frame in width and / or length ⁇ 10%.
  • the approximating curve is a straight line or a polynomial curve.
  • the claimed invention is also implemented by a system for measuring geometric parameters and / or deformations of a sample under high-temperature exposure, including a high-temperature chamber configured to place a sample in it, a viewing window located in the chamber wall with the possibility of visual observation of it, and a sample lighting system installed inside the camera, a photo-recording device mounted on the outside of the camera to ensure placement of the sample in the frame, a computing device associated with the photo-recording device and performing image processing, visualization of the processing results, and the construction of a three-dimensional numerical image of the sample, which measure and calculate geometric and deformation parameters by calculating the coordinates of the boundaries of the sample on the image in pixel form, followed by approximation by straight lines or polynomial curves, obtaining the coordinates of the labels in pixel form and converting the coordinates of the borders, and the labels of the sample in metric form.
  • a system for measuring geometric parameters and / or deformations of a sample under high-temperature exposure including a high-temperature
  • the inspection window is made of high-temperature optical quartz glass.
  • the lighting system is one or more lamps located in the furnace, each of which can be equipped with a reflector on ceramic holders that are connected to a nichrome wire for supplying electricity
  • the photo-recording device is rigidly fixed on the window using a connecting flange between the viewing window and the lens of the photoregistrator.
  • a camera or a video camera is selected as a photo-recording device.
  • the parameters from the deformation of the sample to the time of destruction of the sample are used as parameters for the deformation of the sample, and / or the displacement speeds of the reference points, and / or the height / length / width of the sample in arbitrary vertical / horizontal sections, and / or the magnitude and position of the maximum and minimum lateral displacement / thinning, and / or the asymmetry of deformation I, and / or barrel-like / narrowing and / or deformation of elements on the surface and / or height / width of the sample and / or radius of the longitudinal tangent circle to the side border of the sample at the point of greatest narrowing.
  • the system comprises a control unit associated with the photo-recording device and configured to generate the response signals of the photo-recording device generated when the elongation and / or narrowing of the sample in the selected direction changes by a predetermined amount or at regular intervals.
  • control unit includes a linear displacement sensor mounted on a plate arranged in such a way that allows to measure elongation and / or contraction of the sample in a selected direction, an electronic signal processing system from the sensor resulting from sample deformations, a button control module descent of the photo-recording device, as well as a module for indicating measured and controlled parameters.
  • the high-temperature chamber has a range of operating temperatures of up to 900 ° C.
  • FIG. 1 illustrates an installation plan for carrying out the invention.
  • FIG. 2 illustrates a flowchart of a photographic data processing algorithm.
  • FIG. 3 illustrates examples of physical implementation of an indoor lighting system.
  • FIG. 4 illustrates examples of samples.
  • FIG. 5 illustrates a manufactured control unit of a photorecorder.
  • FIG. 6 illustrates a real sample (b) in an oven at 400 ° C and its numerical image (a).
  • FIG. 7 illustrates an image of a computer window showing the processing of data obtained in the process of measuring the deformation of cylindrical samples.
  • FIG. 8 - FIG. 9 illustrate graphs of the distribution of the diameter of the sample along its longitudinal coordinate x at various points in time.
  • FIG. 10 illustrates graphs of the trajectories of points in the XY plane in millimeters on the surface of the sample.
  • FIG. 11 illustrates graphs of the dependence of the maximum voltage a max (in the sample.
  • FIG. 12 illustrates curves of changes in sample elongation versus time for various experiments.
  • 5 - photo recorder for example, a camera
  • 21 is a block forming a numerical image of the sample
  • 44 is a graph of a selected vertical section (similar to 43),
  • the system for measuring deformations of a sample under high-temperature exposure includes a high-temperature chamber (furnace) 3 with a window 4 made in the wall of the chamber to provide visual (optical) access to the test sample 1, a lighting system 2 and 6, installed inside the furnace to ensure maximum lighting efficiency of the studied the working area of the sample, a photorecorder 5, mounted on the outside of the camera using a connecting flange, a control unit 9 and a computing unit (computing device) 7, Example computer-related photorecorder 5.
  • a computing device can also be used a smartphone, tablet, and any other device made with the possibility of computing the received data.
  • the test sample 1 is located inside the chamber (see figure 1).
  • the lighting system is one or more lamps 2, for example, quartz lamps, with a reflector 6 on ceramic holders, with a nichrome wire connected to supply electricity (see Fig. 3).
  • the window is closed on the outside and inside of the furnace by optical glasses 4, for example, quartz.
  • the photoregistrator 5 is mounted on the outer side of the heating chamber along the axis connecting the sample 1 and window 4. so that the sample falls into the frame of the photorecorder and its location on the frame is in the center, and the size of the sample on the frame is one third of the frame width along the length of ⁇ 10%.
  • a connecting flange 8 is fixed on the lens of the photoregistrator; the other side of the flange is attached to the window of the heating chamber through a thermally insulated gasket.
  • the photorecorder 5 is connected to the processing unit 7 and the control device 9 cables.
  • a camera was used as a photo recorder (a video camera can also be used) that meets the following requirements.
  • High resolution matrix For example, to obtain a resolution on a 0.1 mm frame with a sample in a frame occupying 1/3 of the frame, it is necessary that the resolution of the matrix be 6 MP (Megapixels).
  • a photorecorder for example, a NIKON D300s camera equipped with a NIKKOR 80-200mm f / 2.8D AF lens with an extension ring of 12 mm can be used.
  • the control unit 9 is a linear displacement sensor mounted on a plate, an electronic system for processing signals from the sensor arising from deformations of the sample, a control module for the shutter button of the photographic recorder, and a measurement indication module (for example, elongation of the sample, time from the beginning of loading, exceeding the operating limit lengthening, battery discharge level) and controlled parameters (for example, the number of frames taken) (see Fig. 5), and is intended to form commands to the photorecorder 5, corresponding which change the length of the working area of the sample, for example, by 0.1 mm (adjustable parameter). This allows you to maintain the accuracy of the measurement and to eliminate the redundancy of frames from the experiment during serial shooting or timer shooting. Block 9 also allows you to generate commands to the DVR at regular intervals.
  • the proposed method is as follows.
  • reference marks 10 are applied on the surface mechanically (for example, by scratching, extruding, stamping, punching or knurling, or by any method known from the prior art)
  • marks can have any shape and size, the most advantageous is marks are made in the form of lines forming a grid with mesh sizes from 1 to 3 mm), which are used to calculate the surface deformations and the movement of reference points on the surface of the sample.
  • the surface of the sample is pre-ground and polished (optional).
  • As applied deformation marks for example, points obtained by crossing the grid lines are used.
  • An example of images of test samples coated with reference lines is shown in FIG. 4 (a) and (b).
  • the prepared sample is placed in the chamber, while providing illumination and visual access to it from the outside, heated to a predetermined temperature T 0 , for example 500 ° C, and maintained at this temperature T for a time corresponding to the establishment of a constant temperature inside the chamber and of all elements of the furnace (about 1 hour).
  • a predetermined temperature T 0 for example 500 ° C
  • T a time corresponding to the establishment of a constant temperature inside the chamber and of all elements of the furnace (about 1 hour).
  • multiple photographing of the sample by the photorecorder 5 is carried out at regular intervals or at a predetermined value of the elongation of the sample.
  • the interval timer of the camera used was used (if the photorecorder is equipped with a timer, then block 9 is not used), and after the set extension value, the control unit 9.
  • data is input from the photorecorder 5 to the computing device 7, where they are processed .
  • Information can be transmitted from the photorecorder 5 to the computing device 7 via a wired or wireless connection, for example, a USB connection, Wi-Fi, Bluetooth, IrDa, etc.
  • the processing method is implemented due to three main modules: automatic and / or manual editor 46, calculator 47 and post-processor 48. In the process, these tools are linked through a common file structure that stores the source or calculated data.
  • Automatic and manual editor 46 are intended for automatic and / or manual recognition of borders and labels of the sample. If the automatic module does not correctly recognize the image, then the operator needs to fix the image recognition on their own and put reference points on the digital image using the manual editing module.
  • the manual editing module allows you to use the mouse to put reference points on the image, and then calculate the geometry of the sample.
  • the recognition process is as follows (see Fig. 2). For each frame from block 11, an object is selected, its borders are fixed by block 12. They are controlled by block 14 and, in case of unsatisfactory result, the parameters are corrected in block 13 and the process is repeated.
  • the object sample
  • the coordinates of the boundaries of the sample on the photo image in pixel form are determined, followed by the construction of an approximating curve.
  • the boundaries of the object are approximated in the form of straight lines and / or in the form of polynomials (polynomial curve).
  • an analysis of each horizontal line in the image in the vicinity of the right and left borders of the sample is performed separately.
  • Each pixel of the image is displayed in the RGB and HSV color system, receiving the corresponding numerical values for each channel.
  • One of the channels is selected: R, G, B, H, S or V.
  • the threshold for triggering the criterion is set. Considering the dependence of the value of the channel on the horizontal coordinate, if the threshold is overcome, then the horizontal coordinate of the place of overcoming is remembered - this is the place of the boundary of the sample. The operation is repeated along all horizontal lines intersecting the region of the sample boundary.
  • reference points 10 on the surface of the sample are recognized using blocks 15, 16, and 17.
  • all the recognized geometry is saved in block 19 to a file in the coordinate system of the photograph in pixel scale (one pixel - one unit of length).
  • the calculator unit 20 uses the recognized image data by the editor of 19 to calculate the numerical metric image in block 21, which is used to calculate the parameters of the deforming object.
  • a numerical image is constructed based on the calculated metric boundaries of the sample, the metric coordinates of the reference points and using the axisymmetry of the sample.
  • the process of translating recognized reference points from pixel to numerical form is performed as follows:
  • the coordinate system on the photo frame is set, associated with the upper left corner of the photo image.
  • reference lines are tied to this coordinate system.
  • the coordinates of the points of intersection of the reference lines are calculated - this is the future basis of points for calculating the kinematics of deformation.
  • a second rectangular coordinate system associated with the sample is introduced; for definiteness and ease of use, the coordinate (0, 0) corresponds to the middle of the sample in height on its surface.
  • the coordinates of the reference points from the first coordinate system are converted to the second using the calibration table.
  • the calculator allows the following parameters to be calculated (all calculations of the parameters described below are carried out in the coordinate system associated with the sample; if possible, the parameters of the variables will be omitted, the superscript indicates the time step t, 0 ⁇ / ' ⁇ n, longitudinal coordinate 0 ⁇ h ⁇ H o ):
  • the three coordinates of the reference points are Xif), Y (t), Z (t).
  • the diameter of the sample in various sections is D h (h).
  • K (t), Er (f) is the value of the lateral radius, curvature, and the total standard deviation of the lateral surface from the circle.
  • Block 22 of the post-processor 48 is endowed with the function of visualizing all the calculated parameters, using the calculator 47, from the obtained metric data, in the form of two-dimensional graphical dependencies (for example, Fig. 7), in the form of fields on the surface of the sample and in the video strain process with the possibility of applying deformation fields on a sample form of augmented reality. Also, the unit is endowed with the function to depict graphs of curves of various parameters depending on time, height, width, length and other values of the sample. Certain parameters (e.g. H e (f), H e (t),
  • Region 41 depicts a cylinder in high magnification (relative to the normal size) in accordance with the selected area in miniature 45.
  • Region 41 there are two moving lines - vertical and horizontal, along which into 43 and 44 are graphs of chroma and brightness.
  • Area 41 also contains images of four rectangles - two on the left, on the right, and two on the top, bottom. These rectangles should be located in the area of the corresponding boundaries of the cylinder. They search and highlight the boundaries of the cylinder (blocks 12 and 15).
  • Field 42 containing the recognition parameter area, shows their current values and allows you to change them (blocks 13 and 16).
  • Above region 41 and 42 there are information fields showing the name of the file being viewed, elapsed time since the start of the experiment, supporting information, and more.
  • the prepared sample was installed in the chamber / furnace.
  • the lighting was adjusted so that the image on the displays of the DVR was bright and clear.
  • the photo recorder was adjusted so that the depth of field was more than 1 cm, for which the aperture was clamped to F8, the sensitivity was selected 1600–3200 ISO, the image mode was L + JPEG, and the maximum speed shooting mode (up to 7 frames / sec).
  • a photo recorder was installed, the position of which and the shooting parameters remained unchanged during the entire measurement.
  • the claimed invention is tested on an experimental installation zdmxh-30t, which consisted of a hydraulic press with a maximum compression force of 300 kN and a heating chamber in which a temperature of up to 900 ° C can be maintained, the chamber volume is 0.42 m 3 . During the experiments, a uniform temperature field was maintained on the cylinder, pressure plates and feed rods. An additional photo recorder 5 was connected to the installation, connected by a cable to a computing device 7.
  • Precipitation was made (in accordance with GOST 8817-82) of a continuous cylinder with a height of 2Ho and a radius of Ro using two plates moving towards each other with a mutual speed of 2w along the longitudinal axis z. During time t ⁇ at temperature T, the cylinder settles to a height of the cylinder 2H ⁇ .
  • the IMEX-5 installation was used, consisting of a small heating chamber up to 900 ° C, providing heating and tension by the constant force of the sample in the furnace.
  • the tests were carried out at 400 ° C in accordance with GOST 9651-84 according to the following scheme.
  • a sample fixed in the rods of the installation was placed in a furnace and heated to a predetermined temperature. After the temperature reached the preset level, the photorecorder turned on. The sample was loaded to a given level of axial stress ⁇ 0 . Further deformation was performed under creep conditions with a constant tensile load up to fracture.
  • the photographic recorder took pictures of the deformable cylinder at regular intervals or at a given elongation value controlled by block 9. On average, the deformation process is recorded by 300-500 photographs, in some tests the number of photographs reaches 1000.
  • the proposed technical solution allows you to build a numerical image of a real heated object (for example, a cylinder for example 1, see Fig. 6a or the image of a fillet-like sample (example 2) or a flat sample (example 3) or any other) in a furnace in almost real time Sound latches are associated with the processing speed of the next image, which makes it possible to eliminate the problems of measuring deformation at high temperature and to measure a large number of specimen parameters during deformation. In this case, measurements of all geometric parameters can be done in a numerical way, which reduces the complexity of measurements and increases awareness of the object.
  • FIG. 6 (a) obtained by a real cylinder (Fig. 6 (6)) located at a high temperature in the furnace.
  • This measurement system made it possible to understand the processes occurring in the contact zone of the side surface and the contact surface (for example 1).
  • broadening of the sample in the contact zone occurs not due to the broadening of the contact area, but due to the flow of material from the side to the contact surface.
  • the process of material flowing over the surface of the sample is uneven. In the central part, the material moves slowly to the center of the sample, closer to the end part of the sample, the speed increases. There was no movement of material on the contact surface.
  • This invention for example 3 made it possible to measure the distribution of the diameters of the sample along the working part at any time.
  • Two experiments were conducted on samples geometrically and physically similar, with the same power and temperature conditions. These data are shown in FIG. 8 (experiment 1) and FIG. 9 (experiment 2).
  • FIG. Figure 8 shows the evolutionary change in the working part of the sample — the process of thinning and extension, which was impossible to measure by other methods.
  • a distinctive feature of the deformation process in FIG. 9 is a weak deformation most of the time, and then a rapid onset of fracture during localization of the deformation.
  • FIG. 10 shows the trajectories of the points on the surface of the sample for example 2.
  • the working area of the sample was ⁇ -4.5 ⁇ x ⁇ 4.5 U -28 ⁇ y ⁇ 28 ⁇ .
  • the figure shows 11 points on the surface, showing characteristic trajectories of movement.
  • FIG. 11 shows three pairs of curves corresponding to three experiments, with the numbers 25, 26, 27 designating the curves corresponding to the actual maximum stress in the sample, curves 28, 29, 30, corresponding to the stress in the sample under the assumption that the deformation of the working part of the sample occurs uniformly without localization.
  • the numbers 31, 32, 33 indicate the time points at which a significant divergence of the pair of curves begins.
  • This graph clearly illustrates that the assumption of uniform deformation of the working part (as it does in similar experiments) is fulfilled on average only at the beginning of the process (at t ⁇ 30-40%).
  • the differences between the mentioned stresses reach 100%, which indicates the importance of taking into account the true stress distribution in the sample.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к бесконтактным средствам и методам измерения параметров деформации объектов. Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение является возможность бесконтактного измерения деформаций нагруженного образца (в том числе при сложном напряженном состоянии) и его формы при высоких температурах (до 700°С, до температуры свечения) за счет создания и обработки (в том числе его формы, деформаций в различных зонах и координат точек) числового образа исследуемого объекта при снижение трудоемкости измерений и при достижении высокой точности получаемых параметров деформации объекта. Достижение технического результата возможно благодаря тому, что предлагаемое изобретение строит числовой образ деформирующегося образца, по которому производятся измерения. Измерительная аппаратура располагается вне высокотемпературной зоны и не требует сложной настройки, что позволяет исключить сложности измерений при повышенных температурах и снизить трудоемкость измерений, а использование предлагаемой технологии обработки обеспечивает высокоточные вычисления деформаций.

Description

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И/ИЛИ
ДЕФОРМАЦИЙ ОБРАЗЦА ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НЕГО И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к бесконтактным средствам и методам измерения параметров деформации объектов, например, при испытаниях на прочность, в условиях повышенных температур (например до 700°С), а также при сложных напряженных состояниях, и может быть использовано для диагностирования разрушения образца и оценки времени, через которое произойдет разрушение. Изобретение найдет применение в научно исследовательских лабораториях, проводящие высокотемпературные исследования нагруженных образцов или конструкций и в промышленности, где необходимо дистанционно измерять форму и/или деформацию образца в процессе высокотемпературного деформирования.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Существующие аналоги для измерения деформаций при повышенных температурах можно разделить на две группы: методы измерения деформаций в отдельных точках тела и методы, измеряющие деформацию непрерывно по всему исследуемому телу (или непрерывно по выбранной области тела). К методам измерения деформаций в отдельных точках тела могут быть отнесены методы тензометрии с разнообразными типами датчиков и преобразователей, используемых в них. Ко второй группе относятся оптико-геометрические (метод делительных и муаровых сеток), интерференционно-оптические, поляризационно-оптические методы и др.
В первой группе наиболее близким бесконтактным методом является видеоэкстензометр TRViewX (например, TRViewX 240S), производимый компанией Shimadzu (http ://www. ssi. shimadzu. com/products/literature/Testing/C224-E052.pdf), предназначенный для бесконтактного измерения продольной и поперечной деформаций при повышенной температуре. Он позволяет регистрировать на поверхности образцов перемещения специально нанесенных оптических меток.
Однако данный видеоэкстензометр не позволяет измерять смещения произвольно выбранных точек на образце и не позволяет в полном объеме контролировать формоизменение образцов и материалов в процессе деформирования (в частности, нет возможности измерять форму образца в течение всего времени деформирования). Так же видеоэкстензометр требует высококонтрастных маркеров и сильного внешнего освещения, что труднореализуемо при повышенных температурах (свыше 200°С), а так же не описан механизм применения данного видеоэкстензометра при повышенной температуре.
Во второй группе измерителей деформации при повышенных температурах наиболее близкие аналоги можно разделить на следующие подгруппы:
1. методы, требующие нанесение специальных символов на образец,
2. методы, требующие нанесение пленок на образец (ограничен при повышенных температурах),
3. методы, использующие освещение в виде линии,
4. теневой метод,
5. методы, использующие структурированный свет.
1. Нанесение специальных символов на образец.
Известно устройство «Способ определение координат точек и ориентации участков поверхности тела сложной формы» (RU 2162591), в котором на контролируемых участках поверхности тела сложной формы размещают специальные символы-маркеры, пропорциональные размерам этой поверхности. В качестве символов используют плоские элементы одинаковой формы и размеров. Восприятие изображения поверхности тела сложной формы осуществляют оптическим фиксирующим прибором, например видеокамерой. Сравнивая изображения символа и эталонного символа, расположенной таким образом, что координаты всех точек символа известны, судят о координатах точек поверхности тела сложной формы, а также об ориентации участка поверхности, на котором расположен символ, учитывая угол его наклона.
Однако данный метод не позволяет определить форму объекта, не применим для измерения деформаций в произвольных направлениях и неприменим при измерении деформации мелких деталей. А так же применение данного метода при высоких температурах сомнительно.
2. Нанесение пленок на образец
Известен «Способ определения микродеформаций образца» (RU 2011160). На поверхность образца наносят фотослой, в качестве которого используют светочувствительный слой фотопленки, например сухого пленочного фоторезиста, который предварительно экспонируют через шаблон с координатной сеткой. Образец со сфотографированной на его поверхности координатной сеткой нагружают. При этом с помощью микроскопа измеряют размеры ячеек координатной сетки до и после нагружения и по результатам измерений определяют микродеформацию образца с криволинейной поверхностью.
Однако применение данного способа при повышенной температуре невозможно, т.к. наносимый фоторезист сгорает, а так же невозможно измерять изменения образца в момент деформирования.
3. Линейное освещение.
Данный класс отличается тем, что с помощью источника плоского луча света на измеряемую поверхность проектируется яркая контрастная линия с последующей регистрацией цифровой матрицей.
Известен «Способ измерения формы объекта и устройство для его осуществления» (RU 2256878), «Optical radius gauge» (US 5,090,811) включающий формирование на поверхности объекта с помощью светоизлучающей системы световой линии, лежащей в заданном сечении объекта, получение изображения световой линии, его обработку и определение координат профиля сечения объекта.
Известно «Устройство контроля линейных размеров трехмерных объектов» (RU 125335), содержащее проектор для проецирования на исследуемый объект изображения, имеющего не менее, двух непересекающихся линий вдоль одной из продольных осей и не менее двух камер для регистрации положении изображения, размещенные на разных расстояниях от проектора с образованием разных триангуляционных углов, с возможностью подключения процессора ЭВМ для измерения и определения координат и монитора для формирования 3 Д изображения объекта.
Так же имеются разновидности данного способа, отличающиеся некоторыми деталями: «Scanning arrangement and method» (US 5,912,739), «Способ бесконтактного измерения трехмерных объектов» (RU 2365876), «Способ триангуляционного измерения поверхности объектов и устройство для его осуществления» (RU 2315949).
Однако данные способы требует вращение предмета для определения его формы или вращение камеры вокруг предмета (в зависимости от метода), не позволяют определять поверхностные деформации и помимо визуального доступа для фоторегистратора к образцу требуют другого (одного или более в зависимости от метода) визуального доступа для линейного лазера или иного механизма формирования специальной подсветки на образце.
4. Теневой метод.
Известны «Способ контроля диаметров детали» RU 2301968 и «Фотоэлектрическое устройство для измерения диаметра изделия» RU 2173833, которые могут быть использованы для бесконтактного измерения диаметра изделий и/или формы объекта. Устройство включает вращение детали, сканирование ее в поперечной плоскости пучком излучения лазерного источника, фиксацию по границам теневого участка точек касания пучком излучения поверхности детали и определение диаметра по расстоянию между этими точками касания. Измерение диаметров производят в каждом из двух заданных поперечных сечений детали во взаимно перпендикулярных продольных плоскостях детали.
Однако данный метод не позволяет измерять поверхностные деформации и не применим для больших объектов, т.к. требует принимающей матрицы соответствующей размерам объекта (известен « Apparatus and method for measuring an object» US 4,198,165 позволяющий применять матрицы существенно меньших размеров), а так же требует вращение объекта.
Так же известен «Прибор для измерения линейных деформаций изделий или образцов при нагружении и нагреве» (SU 181824), содержащий источник излучения, шторки, расположенные на пути луча и укрепленные на деформируемом объекте или образованные его краями, фокусирующее устройство, устройство для перемещения луча, приемник излучения, электрические преобразовательное, измерительное и записывающее устройства. При этом с целью повышения предела температуры нагрева объекта и снижения погрешностей вследствие влияния фона свечения шторок при нагреве, в качестве источника излучения использован источник ультрафиолетовых лучей, а в качестве фокусирующего и развертывающего устройства - вогнутое зеркало, качаемое или вращаемое относительно оси, перпендикулярной к его оптической оси.
Недостатками данного устройства является сложная система крепления камеры, подвешенная на захваты испытательной машины, необходимость ультафиолетовой подсветки и высокотемпературных окон, прозрачных для ультрафиолетовых лучей.
5. Структурированная подсветка.
Отличительная особенность данного способа заключается в проектировании на поверхность объекта структурированного света (пространственно и/или по интенсивности).
По типу структуризации света способы можно выделить на: способы, в которых проецируют набор полос с синусоидальным распределением интенсивности (например,
RU 2148793 «Способ измерения формы и пространственного положения поверхности объекта» и « Structured-light, triangulation-based three-dimensional digitizer)) WO9958930), способы, в которых проецируют набор изображений с заданной структурой светового потока (в приводимом примере линейных) (например, RU 2448323 «Способ оптического измерения формы поверхности»), способы, использующие принцип интерферометрии (например, ЕР1117973), способы, в которых используется оптическое излучение, пространственно модулированное по интенсивности (например, RU 2185598 «Способ бесконтактного контроля линейных размеров трехмерных объектов»), способы, использующие матрицу лазерных излучателей (например, RU 2296947 «Способ бесконтактного обмера тел со сложной формой поверхности») или в которых формируют на поверхности объекта массив точечных изображений (например, RU 2304760 «Способ определения координат»), способы, использующие формирование коллимированных пучков оптического излучения с двумя взаимно перпендикулярными направлениями (например, RU 2491503 «Способ распознавания трехмерной формы объектов») и др. Последующая регистрации изображения искаженной рельефом поверхности контролируемого объекта и определении с помощью цифрового электронного вычислителя формы поверхности контролируемого объекта по степени искажения структуры излученной подсветки на вычислительном устройстве. Основное предназночение данных способов - вычислять форму объекта.
Однако применение всех этих технологий при высокой температуре имеет ряд существенных трудностей: при использовании инфракрасной подсветки работа метода невозможна, т.к. происходит засветка инфракрасным излучением нагревателей и/или нагретым образцом. При использовании подсветки видимого диапазона невозможно получить изображение всего образца т.к. это требует внешней подсветки, которая в свою очередь засвечивает (полностью или частично снижает контраст) структурную подсветку. Данные методы не позволяют измерять поверхностную деформацию на исследуемом образце.
Близким аналогом так же является метод, основанный на муаровом эффекте (например, «Способ дистанционного измерения перемещений» RU 93042088). Однако данный метод связан с большой сложностью нанесения растра на поверхность изделия в процессе его изготовления, состоящего из параллельных полос и сложность при измерении равномерных деформаций по всему объему.
Известно устройство низкотемпературного бесконтактного измерения деформаций образцов по нанесенным реперам (Павленкова Е. В., Жегалов Д. В. "Числовые методы экспериментально-теоретическогоанализа больших деформаций элементов конструкций и определения параметров математических моделей упругопластических материалов".
Учебно-методическое пособие. Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2012.
— 35-40с). Экспериментальный комплекс включает в себя испытательную машину, оборудованную соответствующими датчиками силоизмерения и деформации, цифровую фотокамеру, осветительное оборудование, персональный компьютер с пакетом прикладных программ для обработки фотоизображений. В качестве фоторегистратора был использован "Canon EOS 5D Mark П", пакет прикладных программ производства компании National Instruments. Принцип работы заключается в периодическом фотографировании образца, с последующим распознаванием картинок в "Vision Builder for Automated Inspection", из которого определяли удлинения образца, сужение и радиус шейки. Способ и оборудование предназначено для измерения деформаций нагруженных образцов только при комнатной температуре.
Однако, в данном устройстве отсутствует средство обеспечивающее измерение деформации при высоких температурах (до 700°С). А также используемое предположение "рабочая (измерительная) часть образца до начала образования макротрещины сохраняет цилиндрическую форму, а изменение толщины стенки равномерно на указанной длине" (см. стр. 43 данной книги) не позволяет измерять неоднородное распределение деформаций в образце. В данном решении не описана возможность адаптивного регулирования распознавания в процессе работы, необходимая при высокой температуре на образце.
Наиболее близки аналогом во второй группе является метод корреляции цифровых изображений http://ru.wikipedia.org/wiki/Koppeляция_циφpoвьI _изoбpaжeний) в частности известно некоторое улучшение метода («Multiple-Scale Digital Image Correlation Pattern and Measurement)) US2014160279). Суть метода состоит в следующем: 1. Подготовка - на поверхность образца наносится стохастическая текстура, обычно в виде небольших пятен контрастной краски. 2. Фоторегистрация - в момент деформирования производится непрерывная фотосъемка образца. 3. Обработка - заключается в максимизации коэффициента корреляции, который определяется интенсивностью массива рассматриваемых пикселов на 2-ух и более соответствующих изображениях и извлечением функции проекции деформаций на эти связанные изображения. Метод позволяет получать поля деформаций на поверхности образца.
Однако применение метода при повышенной температуре (свыше 200°С) затруднительно, при которой возникают большие сложности с наносимым покрытием, методы для нанесения стохастической структуры (например, небольшого размера черных пятен на белом фоне) на поверхность образца достаточно сложны, а точность метода существенно зависит от качества (случайное равномерное распределение) и размера (чем мельче, тем точнее) контрастных пятен. Метод не применим для автономных тонких пленок. Так же при обработке получаемых фотоданных используется технология обработки более сложная, чем в предлагаемом методе, и требует большого числа компьютерных вычислений.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технической проблемой, на решение которой направлено заявленная группа решений, является создание способа и системы, обеспечивающих измерения деформаций на образцах бесконтактным методом, находящихся в условиях повышенных температур (до 700°С) и/или при сложном напряженном состоянии.
Изобретение обеспечивает помимо измерения деформаций (например, общая деформация образца, деформация элементов на поверхности образца и др.) так же измерение геометрических размеров (например, длины, ширины в различных сечениях, координат реперных точек и др.).
Способ характеризуется простотой и позволяет получать результаты в процессе деформаций. За счет применения технологии обработки появляется качественное повышение эффективности (а именно увеличение диапазона измерений деформаций, повышение точности измерений и координат точек на поверхности образца в существенно больших объемах, например для испытаний на осадку, значение диаметра образца в любом продольном или поперечном сечении в любой момент времени) и легкости количественной оценки деформаций образца при высокотемпературном воздействии на него, в том числе при сложном напряженном состоянии.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение является возможность бесконтактного измерения деформаций нагруженного образца (в том числе при сложном напряженном состоянии) и его формы при высоких температурах (до 700°С, до температуры свечения) за счет создания и обработки (в том числе его формы, деформаций в различных зонах и координат точек) числового образа исследуемого объекта при снижение трудоемкости измерений и при достижении высокой точности получаемых параметров деформации объекта.
Достижение технического результата возможно благодаря тому, что предлагаемое изобретение строит числовой образ деформирующегося образца, по которому производятся измерения. Измерительная аппаратура располагается вне высокотемпературной зоны и не требует сложной настройки, что позволяет исключить сложности измерений при повышенных температурах и снизить трудоемкость измерений, а использование предлагаемой технологии обработки обеспечивает высокоточные вычисления деформаций. Изобретение реализуется за счет способа измерения геометрических параметров и/или деформаций образца при высокотемпературном воздействии на него, включающий в себя этапы, на которых
- осуществляют нанесение на поверхность образца реперных точек;
- устанавливают образец в высокотемпературной камере с обеспечением его освещения и визуального доступа к нему из вне;
- выполняют фото регистрацию изображений образца до начала деформирования образца и в процессе деформирования образца при высокотемпературном воздействии с фиксацией времени получаемых фотоизображений, с последовательной обработкой получаемых изображений, причем обработку каждого изображения осуществляют посредством построения трехмерного числового образа образца, причем построение числового образа образца осуществляют с помощью
- определения координат границ образца на фотоизображении в пиксельной форме с последующим построением аппроксимирующей кривой;
- определения на фотоизображении координат реперных точек в пиксельной форме;
- преобразования координат границ и реперных точек объекта из пиксельной формы в метрическую форму;
- и после чего с использованием данных, характеризующих ось симметричности образца, строят трехмерный (объемный) числовой образ образца;
- осуществляют вычисление геометрических и деформационных параметров на основании полученного трехмерного числового образа образца в качестве параметров деформации образца используют время с начала деформирования до момента разрушения образца, и/или координаты боковых точек и/или форму границ образца, и/или координаты реперных точек, и/или значения смещения реперных точек, и/или скорости смещения реперных точек, и/или высоту/длину/ширину образца в произвольных вертикальных/горизонтальных сечениях, и/или величину и положение максимального и минимального бокового смещения/утонения, и/или несимметричность деформирования, и/или бочкообразность/сужение и/или деформации элементов на поверхности и/или высоту/ширину образца и/или радиус продольной касательной окружности к боковой границе образца в месте наибольшего сужения.
В одном из частных вариантов реализации способа регистрацию фотоизображений образца осуществляют через равные промежутки времени или через заданное значение удлинения и/или сужения образца в выбранном направлении.
В одном из частных вариантов реализации способа в качестве реперных точек используют точки пересечения линий в сетке, нанесенной на поверхность образца.
В одном из частных вариантов реализации способа сетка состоит из прямоугольных ячеек размером 1-3 мм.
В одном из частных вариантов реализации способа при фоторегистрации образец располагают в центре кадра, а размер образца на кадре составляет треть кадра по ширине и/или по длине ± 10%.
В одном из частных вариантов реализации способа аппроксимирующая кривая представляет собой прямую линию или полиномиальную кривую.
Заявленное изобретение также реализуется за счет системы измерения геометрических параметров и/или деформаций образца при высокотемпературном воздействии, включающая высокотемпературную камеру, выполненную с возможностью размещения в ней образца, смотровое окно, расположенное в стенке камеры с возможностью визуального наблюдения за ним, систему освещения образца, установленную внутри камеры, фоторегистрирующее устройство, установленное с наружной стороны камеры с обеспечением размещения образца в кадре, вычислительное устройство, связанное с фоторегистрирующим устройством и выполняющее обработку изображений, визуализацию результатов обработки, и построение трехмерного числового образа образца, по которому осуществляют измерение и вычисление геометрических, и деформационных параметров с помощью вычисления координат границ образца на изображении в пиксельной форме с последующей аппроксимацией их прямыми линиями или полиномиальными кривыми, получения координат меток в пиксельной форме и преобразования координат границ, и меток образца в метрическую форму.
В одном из частных вариантов реализации системы смотровое окно выполнено из высокотемпературного оптического кварцевого стекла.
В одном из частных вариантов реализации системы система освещения представляет собой расположенную в печи одну или более ламп, каждая из которых может быть снабжена отражателем на керамических держателях, которые соединены с проволокой из нихрома для подвода электричества, В одном из частных вариантов реализации системы фоторегистрирующее устройство жестко зафиксировано на окне с помощью соединительного фланца между смотровым окном и объективом фоторегистратора.
В одном из частных вариантов реализации системы в качестве фоторегистрирующего устройства выбран фотоаппарат или видеокамера.
В одном из частных вариантов реализации системы в качестве параметров деформации образца используют время с начала деформирования до момента разрушения образца, и/или координаты боковых точек и/или форму границ образца, и/или координаты реперных точек, и/или значения смещения реперных точек, и/или скорости смещения реперных точек, и/или высоту/длину/ширину образца в произвольных вертикальных/горизонтальных сечениях, и/или величину и положение максимального и минимального бокового смещения/утонения, и/или несимметричность деформирования, и/или бочкообразность/сужение и/или деформации элементов на поверхности и/или высоту/ширину образца и/или радиус продольной касательной окружности к боковой границе образца в месте наибольшего сужения.
В одном из частных вариантов реализации система содержит блок управления, связанный с фоторегистрирующим устройством и выполненный с возможностью формирования сигналов срабатывания фоторегистрирующего устройства, генерируемых при изменении удлинения и/или сужения образца в выбранном направлении, на заданную величину или через равные промежутки времени.
В одном из частных вариантов реализации системы блок управления включает датчик линейных перемещений, укрепленный на пластине, расположенный таким образом, что позволяет измерять удлинение и/или сужение образца в выбранном направлении, электронную систему обработки сигналов от датчика, возникающих вследствие деформаций образца, модуль управления кнопкой спуска фоторегистрирующего устройства, а также модуль индикации измеряемых и управляемых параметров.
В одном из частных вариантов реализации системы высокотемпературная камера имеет диапазон рабочих температур до 900°С.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 иллюстрирует систему в плане установки для осуществления изобретения.
Фиг. 2 иллюстрирует блок-схема алгоритма обработки фотографических данных.
Фиг. 3 иллюстрирует примеры физической реализации системы внутреннего освещения.
Фиг. 4 иллюстрирует примеры образцов. Фиг. 5 иллюстрирует изготовленный блок управления фоторегистратором.
Фиг. 6 иллюстрирует реальный образец (б) в печи при 400°С и его числового образа (а).
Фиг. 7 иллюстрирует изображение компьютерного окна, демонстрирующего обработку данных, полученных в процессе измерения деформирования цилиндрических образцов.
Фиг. 8 - Фиг. 9 иллюстрируют графики распределение диаметра образца вдоль его продольной координаты х в различные моменты времени.
Фиг. 10 иллюстрирует графики траекторий движения точек в плоскости XY в миллиметрах на поверхности образца.
Фиг. 11 иллюстрирует графики зависимости максимального напряжения атах( в образце.
Фиг. 12 иллюстрирует кривые изменения удлинения образца от времени для различных экспериментов.
Позициями на фигурах обозначены:
1 - исследуемый объект,
2 - лампа освещения,
3 - высокотемпературная (нагревательная) камера/печь,
4 - оптические стекла, например кварцевые,
5 - фоторегистратор, например, фотоаппарат,
6 - отражающая и фокусирующая система,
7 - вычислительное устройство,
8 - соединительный фланец,
9 - блок управления,
10 - реперные метки (например, линии) на поверхности исследуемого объекта,
11 - блок хранения входных фото данных,
12 - блок выделения границ,
13 - блок изменение параметров распознавания границ,
14 - блок контроля качества распознавания границ,
15 - блок выделения реперных точек,
16 - блок изменения параметров распознавания реперных точек,
17 - блок контроля качества распознавания реперных точек,
18 - блок контроля распознавания всего изображения,
19 - блок хранения "пиксельной" геометрии, 20 - блок преобразования "пиксельную" в "метрическую" геометрию,
21 - блок формирование числового образа образца,
22 - блок формирования измеряемых данных,
23 - блок формирования запросов,
24 - блок хранения измеренных данных,
25, 26, 27 - кривые значения отах( действующего максимального напряжения в образце, измеренные при помощи данного изобретения,
28, 29, 30 - кривые значения cmax(t) действующего максимального напряжения в образце, измеренные прямым методом (изменение расстояния между нагружающими тягами, вне зоны печи) с предположением об однородной деформации,
31, 32, 33 - точки расхождения кривых 25 и 28, 26 и 29, 27 и 30 соответственно,
34, 35, 36 - кривые изменения удлинения образца от времени для различных экспериментов, измеренные при помощи данного изобретения,
37, 38, 39 - кривые изменения удлинения образца от времени для тех же экспериментов, что и соответствующие кривые 34, 35, 36, но измеренное прямым методом,
40 - ТЭН-ы (тепловые нагревательные элементы) печи,
41 - основное изображение (пример, при деформировании цилиндра),
42 - меню параметров настройки,
43 - графики цветности (красный, зеленый, синий) и яркости (яркость, контрастность, цветность) выбранного горизонтального сечения,
44 - график выбранного вертикального сечения (аналогично 43),
45 - миниатюра всего кадра для быстрой навигации,
46 - автоматически и ручной редактор,
47 - вычислитель,
48 - постобработчик.
Система для измерения деформаций образца при высокотемпературном воздействии включает высокотемпературную камеру (печь) 3 с окном 4, выполненным в стенке камеры для обеспечения визуального (оптического) доступа к испытываемому образцу 1, систему освещения 2 и 6, установленную внутри печи с обеспечением максимальной эффективности освещения исследуемой рабочей области образца, фоторегистратор 5, закрепленный с наружной стороны камеры с помощью соединительного фланца, блок управления 9 и вычислительный блок (вычислительное устройство) 7, например компьютер, связанные с фоторегистратором 5. В качестве вычислительного устройства также может использоваться смартфон, планшет и любое другое устройство, выполненное с возможностью вычислительной обработки получаемых данных.
Исследуемый образец 1 располагается внутри камеры (см. фиг.1). Система освещения представляет собой одну или более ламп 2, например, кварцевые лампы, с отражателем 6 на керамических держателях, с подсоединенной проволокой из нихрома для подвода электричества (см. фиг. 3). Для исключения проникания холодного воздуха внутрь печи через окно, а также защиты от боковых засветок матрицы фоторегистратора, с наружной и внутренней сторон печи окно закрыто оптическими стеклами 4, например, кварцевыми. При этом фоторегистратор 5 укреплен с внешней стороны нагревательной камеры на продолжении оси, связывающей образец 1 и окна 4. таким образом, что образец попадает в кадр фоторегистратора и его расположение на кадре находится в центре, а размер образца на кадре составляет треть кадра по ширине и по длине ± 10 %. На объективе фоторегистратора укреплен соединительный фланец 8, другая сторона фланца через термоизолированную прокладку крепиться к окну нагревательной камеры. Фоторегистратор 5 связан с блоком обработки 7 и управляющим устройством 9 кабелями. В качестве фоторегистратора использован фотоаппарат (может также использоваться видеокамера), удовлетворяющий следующим требованиям.
1. Высокая разрешающая способность матрицы. Например, для получения разрешения на кадре 0.1 мм при образце в кадре, занимающем 1/3 от кадра, необходимо, чтобы разрешение матрицы было 6 MP (Мегапикселей).
2. Съемка с точным интервалом времени.
Требования к оптической системе:
1. Слабые геометрические искажения (среднеквадратические геометрические искажения менее 1%).
2. Высокая разрешающая способность оптики.
3. Высокая глубина резкости (более 1 см для плоских образцов). Образец в процессе эксперимента будет смещаться из плоскости фокусировки, что не должно сказываться на четкости получаемых снимков.
4. Точный подбор фокусного расстояния. Для максимальной разрешающей способности изображение образца в кадре должно быть максимальным, но также необходимо учитывать, что вследствие неидеальности оптических систем изображение на периферии кадра имеет дополнительные искажения, которые следует учитывать при компоновке кадра. Наиболее простой путь в подборе фокусного расстояния - использование вариофокального объектива.
В качестве фоторегистратора может быть использован, например, фотоаппарат NIKON D300s, оснащенный объективом NIKKOR 80-200mm f/2.8D AF с удлинительным кольцом 12 мм.
Блок управления 9 представляет собой датчик линейных перемещений, укрепленный на пластине, электронную систему обработки сигналов от датчика, возникающих вследствие деформаций образца, модуль управления кнопкой спуска фоторегистратора, а также модуль индикации измеряемых (например, удлинение образца, время с начала нагружения, превышение предела работы по удлинению, уровень разряда батарей) и управляемых параметров (например, количество сделанных кадров) (см. фиг. 5), и предназначен для формирования команд фоторегистратору 5, соответствующих изменению длины рабочей области образца например, на 0.1 мм (настраиваемый параметр). Это позволяет сохранить точность измерения и исключить избыточность кадров от эксперимента при серийной съемке или съемке по таймеру. Блок 9 так же позволяет формировать команды фоторегистратору через равные промежутки времени.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
Осуществляют подготовку испытываемого образца, для чего на его поверхность механическим способом (например, путем царапанья, выдавливания, штампованиия, перфорирования или накаткой, или любым известным из уровня техники способом) наносят реперные метки 10 (метки могут иметь любую форму и размер, наиболее преимущественным является выполнение меток виде линий, образующих сетку размерностью ячеек от 1 до 3 мм), по которым в дальнейшем производят вычисление поверхностных деформаций и движение реперных точек по поверхности образца. Для повышения точности нанесения и облегчения процесса распознавания деформационных меток, поверхность образца предварительно отшлифовывают и отполировывают (опционально). В качестве наносимых деформационных меток используют, например, точки, полученные при пересечении линий сетки. Пример изображений испытываемых образцов с нанесенными реперными линиями показаны на фиг. 4 (а) и (б).
Затем подготовленный образец помещают в камеру, обеспечивая при этом его освещение и визуальный доступ к нему из вне, нагревают до заданной температуры Т0, например 500°С, и выдерживают при этой температуре Т в течение времени, соответствующему установлению постоянной температуры внутри камеры и во всех элементах печи (около 1 час). В процессе высокотемпературного воздействия осуществляют многократное фотографирование образца фоторегистратором 5 через равные промежутки времени или через заданное значение удлинения образца. Для фотографирования через равные промежутки времени был использован интервальный таймер используемого фотоаппарата (если фоторегистратор оснащен таймером, то блок 9 не используется), а через заданное значение удлинения - блок управления 9. Затем осуществляют ввод данных с фоторегистратора 5 в вычислительное устройство 7, где их обрабатывают. Передача информация от фоторегистратора 5 в вычислительное устройство 7 может осуществляться с помощью проводной или беспроводной связи, например, USB подключение, Wi-Fi, Bluetooth, IrDa и т.п.
Для перевода сфотографированных изображений объекта в числовую геометрию и для последующих вычислений различных параметров использован способ, подробное описание которого представлено ниже, блок схема реализации которого изображена на фиг. 2.
Способ обработки реализуется за счет трех основных модулей: автоматического и/или ручного редактора 46, вычислителя 47 и постобработчика 48. В процессе работы указанные средства связываются между собой через общую структуру файлов, хранящих исходные или вычисленные данные.
Автоматический и ручной редактор 46 предназначены для автоматического и/или ручного распознавания границ и меток образца. Если автоматический модуль не корректно распознает изображение, то оператору необходимо исправить распознавание изображения самостоятельно и нанести реперные точки на числовой образ при помощи ручного модуля редактирования. Модуль ручного редактирования позволяет при помощи мыши нанести реперные точки на изображения, после чего производят расчет геометрии образца.
Процесс распознавания выглядит следующим образом (см. фиг. 2). Для каждого кадра из блока 11 выделяют объект, фиксируют его границы блоком 12. Контролируют блоком 14 и в случае неудовлетворительного результата - производят коррекцию параметров в блоке 13 и процесс повторяют. Для объекта (образца) выполняют определение координат границ образца на фотоизображении в пиксельной форме с последующим построением аппроксимирующей кривой. Границы объекта аппроксимируют в виде прямых линий и/или в виде полиномов (полиномиальная кривая). Для каждого кадра осуществляется анализ каждой горизонтальной линии на изображении в окрестности правой и левой границы образца по отдельности. Каждый пиксель изображения раскладывается в системе цветов RGB и HSV, получая соответствующие числовое значения по каждому каналу. Выбирается один из каналов: R, G, В, Н, S или V. Задается порог срабатывания критерия. Рассматривая зависимость значение по каналу от горизонтальной координаты, если порог преодолен, то запоминается горизонтальная координата места преодоления - это место границы образца. Операцию повторяют по всем горизонтальным линиям, пересекающих область границы образца.
Затем распознаются реперные точки 10 на поверхности образца при помощи блоков 15, 16 и 17. После контроля блоком 18 вся распознанная геометрия сохраняется в блоке 19 в файл в координатной системе фотографии в пиксельном масштабе (один пиксель - одна единица длины).
Блок вычислителя 20 использует распознанные данные фотоизображений редактором из 19 для расчета числового метрического образа в блоке 21, по которому в дальнейшем производят расчет параметров деформирующегося объекта. Числовой образ строят по вычисленным метрическим границам образца, метрическим координатам реперных точек и используя осисимметричность образца.
По первому кадру, содержащему начальную геометрию с известными размерами, производят калибровку масштаба фотоизображения. На основе числового образа и вычисленного масштаба производят расчет всех геометрических параметров эксперимента. Процесс перевода распознанных реперных точек из пиксельной в численную форму производят следующим образом: Задается координатная система на кадре фотографии, связанная с верхним левым углом фотоизображения. На каждом кадре реперные линии привязывают к этой координатной системе. Вычисляют координаты точек пересечения реперных линий - это будущий базис точек для вычисления кинематики деформирования. Вводят вторую прямоугольную координатную систему, связанную с образцом, для определенности и удобства использования координата (0, 0) соответствует середине образца по высоте на его поверхности. Координаты реперных точек из первой координатной системы пересчитываются во вторую при помощи калибровочной таблицы. Данная таблица составляется перед экспериментом. Следует отметить, что образец и соответственно реперные точки, расположены не в одной плоскости, а на искривленной поверхности образца, в то время как фотография содержит их изображение в одной плоскости, что учитывают при вычислении координат реперных точек в координатной системе, связанной с образцом. Для различных по форме объектов способ обработки позволяет вычислять различное число параметров, например, для примера 1, образец изображен на фиг.4(a), получать значения 14 различных параметров, например, представленных ниже. Для примеров 2 (фиг. 4(6)) и 3 (фиг.4(B)) количество параметров меньше. Для примера 1 вычислитель позволяет производить вычисления следующих параметров (все вычисления нижеизложенных параметров производятся в координатной системе, связанной с образцом, по возможности будут опускаться параметры у переменных, верхний индекс обозначает шаг по времени t , 0 < /' < п , продольная координата 0<h<Ho):
1. Прошедшее время с начала эксперимента. - 1.
2. Три координаты точек, лежащих на боковой границе - Xbif),
Figure imgf000018_0001
Zb(t) .
3. Три координаты реперных точек - Xif), Y(t), Z{t) .
4. Четыре значения смещения реперных точек
Figure imgf000018_0002
^W = G'(t)- , 1( , g,G = x,y,z,
Dxyz = - χ'-λ + (r - Г1 + (Ζ' - z'-1 J .
5. Четыре скорости смещения реперных точек
Figure imgf000018_0003
(t) .
_ -3X°+4X}-X2 o_ -ЗУ°+4 -Г2
2At ' y ~ 2At
-3Z°+4Z'-Z2
2At
Figure imgf000018_0004
Z"-3 -4Z"'2 +3Z"'1
Figure imgf000018_0005
6. Высота образца H(t).
7. Диаметр образца в различных сечениях - Dh(h).
8. Величина и положение максимального и минимального бокового смещения
Figure imgf000018_0006
10. Бочкооб азность - Bit) ,
Figure imgf000019_0001
1 1. Аппроксимационные параметры бочкообразной боковой поверхности парабо Ep(t), R(t), K{t), Er(t) , где
Figure imgf000019_0002
- параметры аппроксимации параболой A(t)x2 + V(t)x +C(t),
Суммарная среднеквадратическая ошибка аппроксимации,
K(t), Er{f) - величина бокового радиуса, кривизны, и суммарная среднеквадратическая отклонение боковой поверхности от окружности.
12. Две координаты элементов, составленных из реперных точек - Xе if), Ye(t) -
13. Высота и ширина элементов - He(t), Н" (/) .
14. Три значения логарифмической деформации элементов -
Figure imgf000019_0003
.
15. Время до разрушения - t'* = f(p(t), fl(.t), d(h,t), t) , например виде
Блок 22 постобработчика 48 наделен функцией визуализации всех вычисленных параметров, при помощи вычислителя 47, из полученных метрических данных, в виде двумерных графических зависимостей (например, фиг. 7), в виде полей на поверхности образца и в виде видеопроцесса деформирования с возможностью нанесения полей деформирования на образец виде дополненной реальности. Так же блок наделен функцией изображать графики кривых различных параметров, зависящих от времени, от высоты, от ширины, длины и других величин образца. Некоторые параметры (например He(f), He(t),
Dh(h), Dx e(t), Dy e(t), D yif)) имеется возможность изображать в виде полей на графическом изображении образца (дополненная реальность).
На фиг. 7 показан пример компьютерного окна фрагмент процесса обработки данных по примеру 1. Область 41 изображает цилиндр в большом увеличении (относительно нормального размера) в соответствии с выбранной областью на миниатюре 45. На области 41 имеются две подвижные линии - вертикальная и горизонтальная, по которым в область 43 и 44 выводятся графики цветости и яркости. Также область 41 содержит изображения четырех прямоугольников - два слева, справа и два сверху, снизу. Эти прямоугольники должны располагаться в области соответствующих границ цилиндра. В них производится поиск и выделение границ цилиндра (блоки 12 и 15). Поле 42, содержащее область параметров распознавания, показывает текущие их значения и позволяет их изменять (блоки 13 и 16). Над областью 41 и 42 имеются информационные поля, показывающие имя просматриваемого файла, прошедшее время с момента начала эксперимента, вспомогательную информацию и другое.
Проведение измерений. Подготовленный образец устанавливался в камеру/печь. Настраивалось освещение так, чтобы изображение на дисплеи фоторегистратора было ярким и четким. Настраивался фоторегистратор так, чтобы глубина резкости была более 1 см, для чего диафрагма зажималась до значения F8, чувствительность выбиралась 1600- 3200 ISO, режим снимков - L + JPEG, режим скоростной съемки максимальная (до 7 кадров/сек). Устанавливался фоторегистратор, положение которого и параметров съемки оставались неизменным во время всего измерения.
Для повышения точности результата перед экспериментом на место образца помещалась клетчатая таблица. Производилось фотографирование нескольких кадров таблицы, по которым в дальнейшем производилась калибровка вычислителя.
Пример 1.
Заявляемое изобретение апробировано на экспериментальная установка zdmxh-30t, которая состояла из гидравлического пресса с максимальной силой сжатия 300 кН и нагревательной камерой, в которой может поддерживаться температура до 900°С, объем камеры 0.42 м3. В процессе экспериментов поддерживалось равномерное поле температур на цилиндре, давящих плитах и подводящих тягах. К установке дополнительно был подключен фоторегистратор 5, соединенный кабелем с вычислительным устройством 7.
Производилась осадка (в соответствии с ГОСТ 8817-82) сплошного цилиндра высотой 2Ho и радиусом Ro с помощью двух плит, движущихся навстречу друг другу с взаимной скоростью 2w вдоль продольной оси z. За время t\ при температуре Т цилиндр осаживается до величины высоты цилиндра 2Н\. Использовались цилиндры (см. фиг 4а) из алюминиевого сплава Д16Т с радиусом Ro=19,5 мм и высотой 2Ho = 39 мм. Параметры деформирования следующие: Р0 = 70 кН, ί, = 300 сек, Т = 400°С . Осаживание производилось до величины осевого укорочения 40 - 50% . На боковую поверхность цилиндров наносились продольные и поперечные линии глубиной 0.1 мм, образующие равномерную квадратную или прямоугольную сетку, имеющую размер одной ячейки 1.8 х 3.1 мм. Точки пересечения продольной и поперечной линий являлись реперными точками. Предварительно на торцы цилиндра наносилась высокотемпературная смазка Molykote Р37. Для повышения контрастности реперных линий на боковой поверхности цилиндра, линии подкрашивались темной смазкой Molykote PI 000, которая при высоких температурах становилась темно-коричневой и обеспечивала хороший контраст с серебристой боковой поверхностью цилиндра. Далее производился нагрев цилиндра, давящих плит и подводящих тяг. При достижении рабочей температуры печь переводилась на режим регулирования, и приблизительно в течение 30 минут производилось выдерживание цилиндра при этой температуре, после чего начиналось его осаживание. По достижению заданного уровня осадки процесс деформирования останавливался, а образец остужался.
Для примеров 2 и 3 применялась установка ИМЕХ-5, состоящая из небольшой нагревательной камеры до 900°С, обеспечивающая нагрев и растяжения постоянным усилием образца в печи. Испытания проводили при 400°С в соответствии с ГОСТ 9651-84 по следующей схеме. Образец, закрепленный в тягах установки, помещался в печь и нагревался до заданной температуры. После выхода температуры на заданный уровень включался фоторегистратор. Проводили нагружение образца до заданного уровня осевого напряжения σ0. Дальнейшее деформирование выполняли в условиях ползучести при постоянной растягивающей нагрузке вплоть до разрушения. В течение всего времени испытаний фоторегистратор производил съемку деформируемого цилиндра через равные промежутки времени или через заданное значение удлинения, управляемое блоком 9. В среднем процесс деформирования фиксируется 300-500 фотографиями, в некоторых испытаниях количество фотографий доходит до 1000.
В примере 2 проводилось растяжение (по ИСО 783-89) плоского образца (см. фиг. 46) длиной Lo, шириной Wo и толщиной Do между двумя тягами, движущимися в противоположные стороны под действием постоянной нагрузки Ро. Деформирование производилось до разрушения образца, с рабочей длиной 0=48 мм, шириной Wo=5 мм и толщиной £>о=1-3 мм.
В примере 3 производилось растяжение (по ИСО 783-89) цилиндрического образца (см. фиг. 4в) длиной o=28 мм и диаметром А>=5 мм постоянной во времени силой Ро. Деформирование производилось до разрушения образца. Параметры деформирования: Ро = 500 Н, t* ~ 2000 сек.
Предлагаемое техническое решение позволяет построить численный образ реального нагретого объекта (например, цилиндра для примера 1, см. фиг. 6а или образ галтеливидного образца (пример 2) или плоского образца (пример 3) или любого иного) в печи практически в реальном масштабе времени, звдержки связаны со скоростью обработки очередного изображения, что дает возможность исключать проблемы измерения деформации при высокой температуре и измерять большое число параметров образцов при деформировании. В этом случае измерения всех геометрических параметров можно производить по числовому образу, что снижает трудоемкость измерений и повышает информированность об объекте. Пример графического изображения числового образа деформируемого цилиндра приведен на фиг. 6(a), полученного по реальному цилиндру (фиг. 6(6)), находящемуся при высокой температуре в печи. Данный метод имеет существенные преимущества:
1. бесконтактность измерения,
2. большее число измеряемых параметров исследуемого объекта,
3. отсутствие высокотемпературных средств измерения.
Данная система измерения позволила понять процессы, происходящие в зоне контакта боковой поверхности и контактной (для примера 1). В процессе деформирования цилиндра, уширения образца в приконтактной зоне происходит не за счет уширения контактной площадки, а за счет перетекания материала с боковой на контактную поверхность. Процесс перетекания материала по поверхности образца неравномерен. В центральной части происходит медленное движение материала к центру образца, ближе к торцевой части образца скорость увеличивается. Движение материала на контактной поверхности отсутствовало.
Полученные результаты данным методом.
Данное изобретение для примера 3 позволило измерить распределение диаметров образца вдоль рабочей части в любой момент времени. Было проведено два эксперимента на образцах геометрически и физически подобных, при одинаковых силовых и температурных режимах. Эти данные изображены на фиг. 8 (эксперимент 1) и фиг. 9 (эксперимент 2). Фиг. 8 показывает эволюционное изменение рабочей части образца - процесс его утонения и растяжение, которое измерить другими методами было невозможно. Отличительной особенностью процесса деформирования на фиг. 9 является слабое деформирование большую часть времени, и затем быстрое наступление разрушения при локализации деформации. Причинами такого поведения при высокотемпературных испытаниях являются либо относительно высокий перепад температур вдоль рабочей части образца, что исключалось на еще на стадии настройки, либо структурная несовершенность образца в заданном сечении. Данные образцы должны быть признаны браком, но без предварительного рентгенографического исследования данный факт установить невозможно. Данное изобретение позволяет отказаться от дорогостоящего рентгенографического оборудования и отбраковывать такие образцы.
На фиг. 10 показаны траектории движений точек на поверхности образца для примера 2. Рабочая зона образца составляла {-4.5 < х < 4.5 U -28 < у < 28}. На фигуре показаны 11 точек на поверхности, показывающие характерные траектории движения. В задачах растяжения, при которых имеется возможность появления локализации деформации, данная система измерения позволяет найти и показать локализацию деформаций задолго до того, как ее будет видно невооруженным глазом. В данной области резко повышается действующее напряжение, развитие которой влечет разрушение. Область повышенного напряжения достаточно широкая относительно среднего по образцу. При этом часть образца, занятая шейкой, при ί=95% условно составляет 26% длины, а в момент разрушения доходит до 48%. Столь высокая часть образца, затронутая развивающейся шейкой, опровергает предположение многих авторов, что локализация деформации не затрагивает большую часть образца.
Благодаря разработке стало возможным сравнить реально действующее напряжение в образце (задача 3) с напряжением, получающимся при предположении о равномерной деформации вдоль всей рабочей части, как это делается обычно. На фиг. 11 приведены три пары кривых, соответствующие трем экспериментам, при этом цифрами 25, 26, 27 обозначены кривые, соответствующие реальному максимальному напряжению в образце, кривые 28, 29, 30, соответствуют напряжению в образце при предположении, что деформация рабочей части образца происходит равномерно без локализации. Цифрами 31, 32, 33 обозначены моменты времени, при которых начинается значительное расхождение пары кривых. Данный график наглядно иллюстрирует, что предположение о равномерной деформации рабочей части (как это делает в подобных эксперимента) выполняется в среднем только в начале процесса (при t < 30-40%). Расхождения между упомянутыми напряжениями доходят до 100%, что говорит о важности учета истинного распределения напряжений в образце.
Точность измерений. В описанных примерах была использована низкодисперсная низкоаберрационная оптика фирмы NIKKOR. Проведенное независимой лабораторией (http://www.photozone.de Reviews/252-nikkor-af-80-200mm-f28d-ed-review--test-report) исследование показало максимальное искажение 0.4% дисторсии при фокусном расстоянии 135 мм и 0.7% при 200 мм. Погрешность получаемых линейных размеров оценивалась по сопоставлению длин образца, измеренных оптическим методом и прямым измерением (единственно доступный параметр для контактного измерения) между тягами машины в процессе эксперимента. На фиг. 12 приведены три пары зависимостей удлинения образцов от времени: кривые 34, 35, 36 - соответствуют удлинению образца ALi, полученному оптическим методом, а кривые 37, 38, 39 - соответствуют удлинению образца ΔΖ<2, полученному прямыми измерениями. Анализ данных, изображенных на фиг. 12, показывает, что расхождение длин образца, измеренных оптическим методом и прямым измерением, не превышает ΔΖ,2)/Ζ0 = 3%.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ измерения геометрических параметров и/или деформаций образца при высокотемпературном воздействии на него, включающий в себя этапы, на которых
- осуществляют нанесение на поверхность образца реперных точек;
- устанавливают образец в высокотемпературной камере с обеспечением его освещения и визуального доступа к нему из вне;
- выполняют фото регистрацию изображений образца до начала деформирования образца и в процессе деформирования образца при высокотемпературном воздействии с фиксацией времени получаемых фотоизображений, с последовательной обработкой получаемых изображений, причем обработку каждого изображения осуществляют посредством построения трехмерного числового образа образца, причем построение числового образа образца осуществляют с помощью
- определения координат границ образца на фотоизображении в пиксельной форме с последующим построением аппроксимирующей кривой;
- определения на фотоизображении координат реперных точек в пиксельной форме;
- преобразования координат границ и реперных точек объекта из пиксельной формы в метрическую форму;
- и после чего с использованием данных, характеризующих ось симметричности образца, строят трехмерный (объемный) числовой образ образца;
- осуществляют вычисление геометрических и деформационных параметров на основании полученного трехмерного числового образа образца в качестве параметров деформации образца используют время с начала деформирования до момента разрушения образца, и/или координаты боковых точек и/или форму границ образца, и/или координаты реперных точек, и/или значения смещения реперных точек, и/или скорости смещения реперных точек, и/или высоту/длину/ширину образца в произвольных вертикал ьных/горизонтальных сечениях, и/или величину и положение максимального и минимального бокового смещения/утонения, и/или несимметричность деформирования, и/или бочкообразность/сужение и/или деформации элементов на поверхности и/или высоту/ширину образца и/или радиус продольной касательной окружности к боковой границе образца в месте наибольшего сужения.
2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что регистрацию фотоизображений образца осуществляют через равные промежутки времени или через заданное значение удлинения и/или сужения образца в выбранном направлении.
3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в качестве реперных точек используют точки пересечения линий в сетке, нанесенной на поверхность образца.
4. Способ по п.З, характеризующийся тем, что сетка состоит из прямоугольных ячеек размером 1-3 мм.
5. Способ по п.1, характеризующийся тем, что при фоторегистрации образец располагают в центре кадра, а размер образца на кадре составляет треть кадра по ширине и/или по длине ± 10%.
6. Способ по п.1, характеризующийся тем, что аппроксимирующая кривая представляет собой прямую линию или полиномиальную кривую.
7. Система измерения геометрических параметров и/или деформаций образца при высокотемпературном воздействии, включающая высокотемпературную камеру, выполненную с возможностью размещения в ней образца, смотровое окно, расположенное в стенке камеры с возможностью визуального наблюдения за ним, систему освещения образца, установленную внутри камеры, фоторегистрирующее устройство, установленное с наружной стороны камеры с обеспечением размещения образца в кадре, вычислительное устройство, связанное с фоторегистрирующим устройством и выполняющее обработку изображений, визуализацию результатов обработки, и построение трехмерного числового образа образца, по которому осуществляют измерение и вычисление геометрических, и деформационных параметров с помощью вычисления координат границ образца на изображении в пиксельной форме с последующей аппроксимацией их прямыми линиями или полиномиальными кривыми, получения координат меток в пиксельной форме и преобразования координат границ, и меток образца в метрическую форму.
8. Система по п.7, характеризующееся тем, что смотровое окно выполнено из высокотемпературного оптического кварцевого стекла.
9. Система по п.7, характеризующаяся тем, что система освещения представляет собой расположенную в печи одну или более ламп, каждая из которых может быть снабжена отражателем на керамических держателях, которые соединены с проволокой из нихрома для подвода электричества,
10. Система по п.7, характеризующееся тем, что фоторегистрирующее устройство жестко зафиксировано на окне с помощью соединительного фланца между смотровым окном и объективом фоторегистратора.
11. Система по п.7, характеризующееся тем, что в качестве фоторегистрирующего устройства выбран фотоаппарат или видеокамера.
12. Система по п.7, характеризующееся тем, что в качестве параметров деформации образца используют время с начала деформирования до момента разрушения образца, и/или координаты боковых точек и/или форму границ образца, и/или координаты реперных точек, и/или значения смещения реперных точек, и/или скорости смещения реперных точек, и/или высоту/длину/ширину образца в произвольных вертикальных/горизонтальных сечениях, и/или величину и положение максимального и минимального бокового смещения/утонения, и/или несимметричность деформирования, и/или бочкообразность/сужение и/или деформации элементов на поверхности и/или высоту/ширину образца и/или радиус продольной касательной окружности к боковой границе образца в месте наибольшего сужения.
13. Система по п.7, характеризующаяся тем, что содержит блок управления, связанный с фоторегистрирующим устройством и выполненный с возможностью формирования сигналов срабатывания фоторегистрирующего устройства, генерируемых при изменении удлинения и/или сужения образца в выбранном направлении на заданную величину или через равные промежутки времени.
14. Система по п.13, характеризующаяся тем, что блок управления включает датчик линейных перемещений, укрепленный на пластине, расположенный таким образом, что позволяет измерять удлинение и/или сужение образца в выбранном направлении, электронную систему обработки сигналов от датчика, возникающих вследствие деформаций образца, модуль управления кнопкой спуска фоторегистрирующего устройства, а также модуль индикации измеряемых и управляемых параметров.
15. Система по п.7, характеризующаяся тем, что высокотемпературная камера имеет диапазон рабочих температур до 900°С.
PCT/RU2018/000092 2017-06-07 2018-03-27 Способ измерения геометрических параметров и/или деформаций образца при высокотемпературном воздействии на него и система для его осуществления WO2018226117A1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE112018002883.6T DE112018002883T5 (de) 2017-06-07 2018-03-27 Verfahren zur messung von geometrischen parametern und / oder mustserverformungen unter einfluss einer hochtemperatur und ein system zur durchführung des verfahrens

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017120047A RU2665323C1 (ru) 2017-06-07 2017-06-07 Способ измерения геометрических параметров и/или деформаций образца при высокотемпературном воздействии на него и система для его осуществления
RU2017120047 2017-06-07

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018226117A1 true WO2018226117A1 (ru) 2018-12-13

Family

ID=63459756

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2018/000092 WO2018226117A1 (ru) 2017-06-07 2018-03-27 Способ измерения геометрических параметров и/или деформаций образца при высокотемпературном воздействии на него и система для его осуществления

Country Status (3)

Country Link
DE (1) DE112018002883T5 (ru)
RU (1) RU2665323C1 (ru)
WO (1) WO2018226117A1 (ru)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109387154A (zh) * 2018-11-29 2019-02-26 中国建筑材料科学研究总院有限公司 热加工过程在线测量***及透明材料动态变形测量方法
CN113280783A (zh) * 2021-04-21 2021-08-20 广汽本田汽车有限公司 汽车覆盖件的变形检测方法、***、装置及存储介质
CN114719771A (zh) * 2022-04-20 2022-07-08 广东工业大学 一种对材料多维高温几何形变的非接触式原位测量方法
RU2799962C1 (ru) * 2022-10-20 2023-07-14 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие" Технология" им. А.Г. Ромашина" Способ обработки сложнопрофильных поверхностей керамических изделий на станках с ЧПУ с использованием метода адаптивного шлифования

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU93042088A (ru) * 1993-08-24 1996-02-27 А.В. Ломаш Способ дистанционного измерения перемещений
US20140160279A1 (en) * 2012-12-06 2014-06-12 The Boeing Company Multiple-Scale Digital Image Correlation Pattern and Measurement
CN106197290A (zh) * 2016-08-24 2016-12-07 北京振兴计量测试研究所 基于结构光和数字散斑测量高温物***移和形变的装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU93042088A (ru) * 1993-08-24 1996-02-27 А.В. Ломаш Способ дистанционного измерения перемещений
US20140160279A1 (en) * 2012-12-06 2014-06-12 The Boeing Company Multiple-Scale Digital Image Correlation Pattern and Measurement
CN106197290A (zh) * 2016-08-24 2016-12-07 北京振兴计量测试研究所 基于结构光和数字散斑测量高温物***移和形变的装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LOKOSHCHENKO A.M. ET AL.: "Metod registratsii i izmereniia deformatsii pri temperature na osnove fotoapparata. Obshchie voprosy dvigatelestroeniya", VESTNIK DVIGETELESTROENIYA N2 /2012 (UDK 531.715.27), 2012 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109387154A (zh) * 2018-11-29 2019-02-26 中国建筑材料科学研究总院有限公司 热加工过程在线测量***及透明材料动态变形测量方法
CN113280783A (zh) * 2021-04-21 2021-08-20 广汽本田汽车有限公司 汽车覆盖件的变形检测方法、***、装置及存储介质
CN113280783B (zh) * 2021-04-21 2023-02-28 广汽本田汽车有限公司 汽车覆盖件的变形检测方法、***、装置及存储介质
CN114719771A (zh) * 2022-04-20 2022-07-08 广东工业大学 一种对材料多维高温几何形变的非接触式原位测量方法
CN114719771B (zh) * 2022-04-20 2023-05-26 广东工业大学 一种对材料多维高温几何形变的非接触式原位测量方法
RU2799962C1 (ru) * 2022-10-20 2023-07-14 Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие" Технология" им. А.Г. Ромашина" Способ обработки сложнопрофильных поверхностей керамических изделий на станках с ЧПУ с использованием метода адаптивного шлифования

Also Published As

Publication number Publication date
DE112018002883T5 (de) 2020-03-12
RU2665323C1 (ru) 2018-08-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110411346B (zh) 一种非球面熔石英元件表面微缺陷快速定位方法
EP3131115B1 (en) Detection method and detection device for crystal orientation of silicon wafer
RU2665323C1 (ru) Способ измерения геометрических параметров и/или деформаций образца при высокотемпературном воздействии на него и система для его осуществления
US11119016B2 (en) Image measurement device and method for the surface deformation of specimen based on sub-pixel corner detection
CN112634373B (zh) 基于零膨胀陶瓷标定板的视觉测量***动态校正方法
KR101764640B1 (ko) 영상 기반 휴대용 표면 균열 측정 장치
US20170234677A1 (en) Bead measurement system
JP2019056679A (ja) 表面評価方法、表面評価装置及び評価モデル記憶装置
CN104180772B (zh) 一种视觉检测装置
CN204027528U (zh) 一种视觉检测装置
CN109632269A (zh) 基于图像灰度信息检测光学衍射元件性能的方法
CN107830814B (zh) 一种基于光度学的测量表面变形的方法
Dauvin et al. Optimization of temperature, targets, and illumination for high precision photogrammetric measurements
CN111610000B (zh) 一种基于角度测量星敏感器光学***倍率色差的方法
Hodges et al. Thermographic Digital Image Correlation (TDIC) Measurements of Mechanically-Loaded Structures
CN109751955A (zh) 非接触式物***移测量装置及使用其的测量方法
JP2020012731A (ja) レンズの検査方法
JPS62294946A (ja) 塗面の平滑性測定方法
CN110873639B (zh) 一种光学检测装置
CN113514007B (zh) 一种工件尺寸的测量方法及装置
Poulin-Girard et al. Dedicated testing setup for panoramic lenses
CN114838815B (zh) 一种多维度表征激光照明光均匀性的装置与方法
JPH01212338A (ja) ガラス板の表面性状測定装置
KR101972805B1 (ko) 신발솔 검사방법
Alexeev et al. On-line mirror alignment monitoring method for COMPASS RICH-1

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18813815

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18813815

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1