适用于微尺度区域应变场与温度场集成的测量装置及方法与流程

1.本发明涉及材料变形测试技术领域，尤其是适用于微尺度区域应变场与温度场集成的测量装置及方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.深入了解材料动力学和热力学性能是研究材料变形和加工制造技术的理论基础。材料塑性变形时大部分应变能以热的形式向外界耗散。在精确的时空分辨率下，测量材料在剧烈加载过程中的运动场与温度场，获得材料剧烈塑性变形中剪切带形成和剪切区温升，有助于揭示材料动态变形及失效机理并建立相应材料模型。此外，材料动力学和热力学机理研究可为材料变形及加工仿真提供数据及理论基础，并指导开发新型材料加工方法。
4.材料动态变形往往发生在微小区域(介观尺度下)和微纳秒时间范围内，动态变形过程的测试及捕获难度极大。
5.目前，测量材料变形的方法主要为接触式测量法，包括应变片测量、引伸计测量和声学测量等类型。但上述方法均不能进行全场测量和实时测量，并且不适用于测量材料微小区域的形变过程。温度测量技术主要有热电偶法和红外测量法。热电偶法测量对被测材料进行打孔，破坏了材料结构并且测量精度低，该方法不适用于微小区域的温度测量。
6.基于数字图像相关(dic)技术的高速摄像机测量材料变形的方法具有非接触、实时、全场测量和高精度等优点。红外测量法克服了热电偶法的缺点并且具有非接触、实时测量、测量方便等优点。目前，已有学者对于dic技术与红外摄像技术组合测量技术进行了研究，但已有的方法仅是将ccd光学相机和红外热像仪直接组合使用。
7.发明人发现现有的平行放置方案只能进行宏观区域测量。由于显微镜头的视野范围非常小(小于直径5mm的圆域)，若仅在摄像机上加装显微镜头会造成高速摄像机和高速红外相机测量区域不匹配的问题，从而无法实现微尺度区域温度场与应变场的同时测量。
8.另外，高速摄像机和高速红外相机二者获取的光没有进行分离，由于dic的计算特性，若使摄像机镜头非垂直对准测试区域，会造成测试应变场结果不准确的问题。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供适用于微尺度区域应变场与温度场集成的测量装置，克服了现有测试方法对微尺度形变与温度无法同步测量的技术难题，能够对应变场与温度场进行高时空分辨率测量，具有测试精度高、结构简单、操作方便、非接触、实时和全场景等优点。
10.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
11.适用于微尺度区域应变场与温度场集成的测量装置，包括显微光谱分离器，显微光谱分离器包括第一壳体，第一壳体内设置二向色镜以分离光谱，第一壳体同显微镜头连
接，第一壳体的侧部还设置有红外拍摄设备和摄像设备，红外拍摄设备和摄像设备相垂直设置，显微镜头垂直朝向试验对象测量区域，入射光从显微镜头进入，由红外拍摄设备拍摄红外光下的图像以便于获取温度场信息，由摄像设备拍摄可见光下的图像以便于获取应变场信息。
12.如上所述的装置，显微光谱分离器通过显微镜头获取试验对象测量区域的微尺度信息，二向色镜能够分离光谱，实现可见光和红外光的分离，由红外拍摄设备捕捉红外光下的图像以便后续获取温度场信息，由摄像设备获取可见光下的图像以便后续获取应变场信息，实现微尺度区域温度场与应变场的同时测量；同时，对光谱的分离，能够有效保证应变场信息和温度场信息的准确度。
13.如上所述的适用于微尺度区域应变场与温度场集成的测量装置，所述第一壳体与所述的红外拍摄设备连接，从而有效保证红外光进入红外拍摄设备；所述第一壳体通过第二壳体与所述的摄像设备连接，保证可见光进入摄像设备，第二壳体的一侧设置光源，第二壳体内设置分光片以保证光源向摄像设备提供照明。
14.如上所述的适用于微尺度区域应变场与温度场集成的测量装置，所述第二壳体与所述光源之间设置红外截止滤光片，过滤光源的红外光谱，避免其红外光路对摄像拍摄的拍摄产生误差；
15.红外截止滤光片通过第二壳体支撑；
16.所述分光片与所述光源同轴布置，以为可见光路提供去红外光同轴照明。
17.如上所述的适用于微尺度区域应变场与温度场集成的测量装置，所述显微镜头垂直朝向试验对象测量区域。
18.如上所述的适用于微尺度区域应变场与温度场集成的测量装置，所述二向色镜与所述显微镜头成设定角度布置，以使得所述入射光与二向色镜呈45
°
。
19.如上所述的适用于微尺度区域应变场与温度场集成的测量装置，为方便红外拍摄设备和摄像设备的安装，所述第一壳体通过第一管路与所述的红外拍摄设备连接；
20.所述第二壳体通过第二管路与所述的摄像设备连接。
21.如上所述的适用于微尺度区域应变场与温度场集成的测量装置，所述分光片与所述的二向色镜相互平行设置，以保证对可见光路的同轴照明。
22.如上所述的适用于微尺度区域应变场与温度场集成的测量装置，所述红外拍摄设备和摄像设备分别与计算机连接，且红外拍摄设备和摄像设备分别与同步触发器连接，进一步实现温度场信息和变形场信息的同步获取。
23.如上所述的适用于微尺度区域应变场与温度场集成的测量装置，所述显微光谱分离器、红外拍摄设备和摄像设备各自通过支架支撑；
24.用于支撑显微光谱分离器的支架设置可旋转平台以分别支撑所述的二向色镜和所述的分光片，第一壳体和第二壳体各自罩住对应的可旋转平台。
25.第二方面，本发明还提供了适用于微尺度区域应变场与温度场集成的测量装置的工作方法，包括如下内容：
26.对试验对象进行预处理以制作散斑；
27.将试验对象装夹在试验平台处；
28.垂直朝向测量区域安装显微光谱分离器，显微光谱分离器同红外拍摄设备和摄像
设备分别连接；
29.对试验对象进行力热加载试验，由红外拍摄设备拍摄红外光下的图像以便于获取温度场信息，由摄像设备拍摄可见光下的图像以便于获取应变场信息。
30.需要解释地是，力热加载试验是概括的说法，指的是对试验对象进行力加载和\或热加载(对试验对象进行加热)，部分力加载过程中会产生热量。
31.上述本发明的有益效果如下：
32.1)本发明通过整体结构的设置，克服了现有测量设备只能进行宏观大尺度测量变形场与温度场的缺陷和不足，不会出现不匹配的问题，可以实现微尺度区域的同步测量变形场与温度场，实现材料动态变形微尺度区域应变、应变率及温度等多物理场的同时测试，对理解材料动态变形机理具有重要意义，能够帮助研究者更全面地在高时空分辨率下研究材料动力学和热力学行为。
33.2)本发明整个装置结构简单，操作方便，使用单个显微镜头能够同时测得材料微小区域变形过程中变形场与温度场变化；对光谱有效分离，保证进入红外拍摄设备和摄像设备光谱的单纯性；而且通过对特定光谱的捕捉，进一步保证测量的温度与应变精度高。
34.3)本发明通过第一壳体和第二壳体的设置，方便了显微镜头、二向色镜以及分光片的设置；通过光源和分光片的设置，可向摄像设备提供均匀的照明，再配合红外截止滤光片的设置，可避免红外光对摄像设备获取图像的影响。
35.4)本发明通过红外拍摄设备和摄像设备与计算机的连接，可由计算机获取变形场和温度场，通过计算机可实现变形场和温度场的直接显示，便于后续的力、热分析；通过同步器的设置，可同步触发红外拍摄设备和摄像设备，实现温度场信息和变形场的同步获取。
36.5)本发明整个装置应用的范围非常广泛，不仅可应用于材料变形测试，如：拉伸压缩试验机、霍普金森压杆试验机等；还可应用于实际加工试验，如：车削、铣削、磨削等。
附图说明
37.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
38.图1是本发明根据一个或多个实施方式的适用于微尺度区域应变场与温度场集成的测量装置的示意图。
39.图2是本发明根据一个或多个实施方式的适用于微尺度区域应变场与温度场集成的测量装置的侧视图。
40.图3是本发明根据一个或多个实施方式的一个或多个实施方式的适用于微尺度区域应变场与温度场集成的测量装置中长波通二向色镜示意图。
41.图4是本发明根据一个或多个实施方式的一个或多个实施方式的适用于微尺度区域应变场与温度场集成的测量装置中显微光谱分离器光路示意图。
42.图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。
43.其中：1.分光片；2.led冷光源；3.显微镜头；4.镜头安装口；5.长波通二向色镜；6.显微光谱分离器；7.第一壳体安装口；8.高速红外相机；9.计算机；10.高速摄像机；11.第二壳体安装口；12.红外截止滤光片；13.显微光谱分离器支架；14.相机支架；15.同步触发器。
具体实施方式
44.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
45.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
46.正如背景技术所介绍的，现有技术中存在对微尺度形变与温度无法同步测量的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了适用于微尺度区域应变场与温度场集成的测量装置。
47.实施例一
48.本发明的一种典型的实施方式中，参考图1和图4所示，适用于微尺度区域应变场与温度场集成的测量装置，包括能够实现光谱分离显微光谱分离器6，显微光谱分离器6与红外拍摄设备和摄像设备分别相连，实现对各光谱波段下图像信息的获取。
49.参考图3所示，显微光谱分离器包括第一壳体，第一壳体内设置二向色镜以分离光谱，第一壳体同显微镜头、红外拍摄设备和摄像设备分别连接，红外拍摄设备和摄像设备相垂直设置，显微镜头垂直朝向试验对象测量区域，入射光从显微镜头进入，由红外拍摄设备拍摄红外光下的图像以便于获取温度场信息，由摄像设备拍摄可见光下的图像以便于获取应变场信息。
50.进一步地，容易理解地是，红外拍摄设备具体为高速红外相机8，拍摄设备具体为高速摄像机10，高速红外相机和高速摄像机均为现有技术。
51.高速摄像机10的数量可为一台，一些示例中，所采用的高速摄像机最高帧数为每秒一百万帧。根据实际使用场景可以选择不同的帧率进行拍摄。
52.其中，二向色镜为长波通二向色镜5。
53.进一步地，长波通二向色镜的数量为1片，为平行平板型，与显微镜头成45度安装在显微光谱分离器内，使其入射角度为45度。长波通二向色镜作用是将从显微镜头入射进来的光束根据不同的波长分为两部分，其中直接透过长波通二向色镜的光束为红外光(波长在2μm至6μm)，将由高速红外相机所捕获；反射的光为可见光(波长在0.4μm至0.78μm)，将由高速摄像机所捕获。长波通二向色镜能响应2μm至6μm范围的红外光辐射(对应于测量60℃至1500℃的温度)。
54.显微光谱分离器中的显微镜头3与长波通二向色镜5搭配可实现微尺度测量区域的红外光谱和可见光谱的分离，分离出的可见光与红外光分别传入高速摄像机和高速红外相机的传感元件。
55.可以理解地是，高速摄像机10与高速红外相机8分别通过数据线与计算机9连接，高速摄像机与高速红外相机同步拍摄的全过程图像通过数据线传入计算机中，计算机根据需求选择某时刻的图像进行分析，利用数字图像相关算法进行变形场分析，得到应变场与应变率场分布的图像；同时，计算机还可以通过红外分析软件可得到温度场图像。
56.本实施例中，显微光谱分离器数量为一组。
57.具体的，显微镜头的数量为1枚，显微镜头起到放大被测样品区域图像的目的，可根据测量区域尺寸合理选择镜头倍率，实现从微观尺度区域进行清晰地拍摄，以便拍摄到清晰的散斑图像，满足dic分析处理的要求。
58.进一步地，第一壳体通过第二壳体与摄像设备连接，第二壳体的一侧设置光源，因光源位于第二壳体的侧部，故第二壳体内设置分光片1以向摄像设备提供照明。
59.本实施例中，分光片1与长波通二向色镜5相互平行设置，分光片1的数量为1片，分光片将输入光束按反射和透射1:1进行分光，与光源如led冷光源2和红外截止滤光片12为显微光谱分离器的可见光路提供去红外光同轴照明。
60.光源同样可通过第二壳体支撑，光源与分光片同轴布置，使高速摄像机视场更加明亮、均匀，同时使用红外截止滤光片过滤led光源的红外光谱，避免红外光路产生误差。
61.需要说明地是，红外截止滤光片为现有技术。
62.具体地，红外截止滤光片12通过第二壳体支撑，第二壳体朝向光源的一侧设置凸块，凸块处设置与第二壳体内部相通的开孔，开孔内具有卡口，红外截止滤光片进入开孔并卡入卡口处；另外，第二壳体凸块同连接管连接，连接管的一端设置光源，光源发出的光朝向红外截止滤光片12。
63.另外，本实施例中还设置有同步触发器15，其与高速摄像机10和高速红外相机8通过数据线相连接，进行测试时可通过触发开关手动触发，也可以通过测试装置的外部信号源对同步触发器进行触发，实现温度场与应变场的同步测量。
64.在进行测量时，参考图2所示，显微光谱分离器安装在显微光谱分离器支架13上，高速摄像机和高速红外相机安装在相机支架14上，显微镜头3安装于显微光谱分离器中第一壳体的镜头安装口4处。
65.第一壳体远离镜头安装口4的一侧插接有第一管路，第一管路的一端形成第一壳体安装口7，第二壳体远离其同第一壳体连接的另一侧设置第二管路，第二管路插入第二壳体设置，第二管路的一端同样设置第二壳体安装口11。可以理解地是，第一管路与第一壳体，第二管路与第二壳体均通过螺纹结构连接。
66.进一步地，高速摄像机10的摄像头卡入第二壳体安装口11处，高速红外相机8的摄像头卡入第一壳体安装口7处，以此实现显微光谱分离器同红外拍摄设备和摄像设备分别连接，保证测试结果的准确度。
67.分光片1和长波通二向色镜5分别安装于显微光谱分离器6的可旋转平台上，可旋转平台设置有两处，分别对分光片和长波通二向色镜5进行支撑，通过可旋转平台方便长波通二向色镜5与显微镜头外平面成45度安装，分光片与长波通二向色镜平行安装。其中，可旋转平台与旋转动力源连接，旋转动力源具体可为驱动电机，以带动旋转平台的旋转。
68.进一步地，第一壳体和第二壳体的一侧均设置开口，可旋转平台设于开口处，避免第一壳体和第二壳体对可旋转平台旋转的干扰，第一壳体和第二壳体均通过显微光谱分离器支架13进行支撑；显微光谱分离器支架13可设置一处或多处，一处显微光谱分离器支架13对第一壳体和第二壳体进行同时支撑，多处显微光谱分离器支架13对第一壳体和第二分别支撑。
69.在进行测量之前需要对红外相机进行温度标定，以确保其在微尺度区域精确地测量温度。测量时，高速相机与高速红外相机由数据线连接至计算机，通过同步触发器对两相
机进行同时触发可实现两相机同步拍摄微尺度下同时刻同位置的两组图像。拍摄完成后利用数字图像相关算法进行变形场分析得到应变场与应变率场分布的图像；此外，计算机还可以通过红外分析软件可得到温度场图像。需要解释地是，红外分析软件为现有的红外分析软件。
70.本实施例提供的装置，基于高速摄像机与高速红外相机可以拍摄到材料在微秒分辨率下的变形场与温度场的瞬态演变情况，帮助研究人员测量到材料变形和温度变化的更多微观详细信息。
71.实施例二
72.本实施例提供了适用于微尺度区域应变场与温度场集成的测量装置的工作方法，包括如下内容：
73.对试验对象进行预处理以制作散斑，散斑图案的分辨率和随机性直接影响变形场的测量结果；将试验对象装夹在试验平台处；垂直朝向测量区域安装显微光谱分离器，显微光谱分离器同红外拍摄设备和摄像设备分别连接；对试验对象进行力热加载试验，由红外拍摄设备实现红外光下的图像以便于获取温度场信息，由摄像设备拍下可见光下的图像以便于获取应变场信息。
74.例如，在高速干切削直角切削试验平台对铝合金的直角切削切削过程进行应变场与温度场的测量。
75.首先，在铝合金工件(试验对象)上先进行抛光再进行喷砂处理以制作散斑；然后，将工件装夹在试验平台夹具上；再对红外相机进行温度标定。
76.参照图1，首先安装显微光谱分离器，再安装显微镜头并保证散斑图案在显微镜头视场范围内，将高速摄像机和高速红外相机与显微光谱分离器相连。将两台相机的数据线分别与计算机和同步触发器相连，调试设备使拍摄图像能清晰呈现在计算机上。
77.准备工作完成后，在高速干切削直角切削试验平台进行干切削试验，切削速度设置为100m/min，切削深度为0.1mm。通过同步触发器对两相机进行同时触发可实现两相机同步拍摄微尺度下同时刻同位置切削时的两组图像。两台相机同步测量得到的图像同时出现在计算机上，使用相关软件和算法对获得测量数据进行分析得到切削过程中的温度场与变形场；同时，通过计算机红外分析软件可得到由高速红外相机所得的温度场图像。
78.经试验验证，应变的测量范围为0.01％至1000％，温度的测量范围为60℃至1500℃。
79.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。