專利名稱：一種高溫有氧加載光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高溫有氧加載光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，屬于光測(cè)力學(xué)、工程材料、構(gòu)件變形和位移測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著航空、航天、動(dòng)力工業(yè)等部門對(duì)在役高溫元件的變形實(shí)測(cè)研究工作的需要，高溫環(huán)境下材料和結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能以及變形狀態(tài)和破壞機(jī)理日益受到科研人員的重視。在許多航空航天工程領(lǐng)域，高溫材料及結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期在高溫有氧環(huán)境下工作，因此在模擬實(shí)際的工作環(huán)境下對(duì)高溫材料及結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能測(cè)試對(duì)航空及航天飛行器的安全性研究起著指導(dǎo)性的作用。因此發(fā)展模擬實(shí)際工作環(huán)境下的變形測(cè)量成為實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域研究人員目前所關(guān)注的集中問題。目前高溫測(cè)試方法也比較多，傳統(tǒng)的電測(cè)方法及高溫引伸計(jì)測(cè)量方法無法進(jìn)行全場(chǎng)位移變形場(chǎng)的測(cè)量，且都存在溫度過高會(huì)引起嚴(yán)重的飄移問題。隨著激光技術(shù)和現(xiàn)代光學(xué)的發(fā)展，產(chǎn)生了全息干涉、散斑干涉技術(shù)，這些方法在高溫測(cè)試領(lǐng)域有了很大發(fā)展。本發(fā)明是在模擬航天航空領(lǐng)域高溫材料及結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作環(huán)境基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)方法和云紋干涉法光學(xué)測(cè)量方法，發(fā)展了一種高溫有氧加載光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高溫有氧加載光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)高溫有氧環(huán)境下航空航天工程領(lǐng)域高溫材料及結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能測(cè)試。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種高溫有氧加載光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，含有加載系統(tǒng)、高溫爐、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、 氣壓泵、控制及顯示系統(tǒng)；所述的控制及顯示系統(tǒng)包括溫度控制及記錄儀、氧壓控制器、力顯示器、步進(jìn)電機(jī)控制器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；所述的加載系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)、帶螺紋的連接桿、力傳感器、波紋管、移動(dòng)試件夾持桿、固定試件夾持桿和加載架；帶螺紋的連接桿的一端與步進(jìn)電機(jī)的輸出軸連接，連接桿的另一端與傳感器的上端連接，傳感器的下端與移動(dòng)試件夾持桿相連；所述的兩端帶有法蘭的波紋管與高溫爐通過法蘭密封連接，移動(dòng)試件夾持桿固定在波紋管法蘭上；步進(jìn)電機(jī)控制器通過信號(hào)線依次與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)相連。所述的高溫爐包括第一石英玻璃觀察窗、第二石英玻璃觀察窗、密封蓋和手柄，在該爐內(nèi)放置氧壓傳感器、溫度傳感器和試件，力傳感器通過信號(hào)線與力顯示器相連；氧壓傳感器通過氣壓泵與氧壓控制器相連；溫度傳感器與溫度控制及記錄儀相連；所述的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)和CCD相機(jī)，通過CCD相機(jī)記錄不同載荷下試件表面的變形圖像，將變形圖像輸入計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理。本發(fā)明的技術(shù)特征還在于所述的加載系統(tǒng)還包括導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)通過鎖緊螺母與帶螺紋的連接桿相連，該導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是由滑塊和導(dǎo)塊組成，滑塊沿加載架上下滑動(dòng)。所述的控制及顯示系統(tǒng)中的溫度控制及記錄儀、氧壓控制器、力顯示器、步進(jìn)電機(jī)控制器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器被封裝在一個(gè)箱內(nèi)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果本發(fā)明通過模擬航天航空領(lǐng)域高溫材料及結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作環(huán)境，結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)和云紋干涉光學(xué)測(cè)量方法，建立一種研究航天航空領(lǐng)域材料和結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、變形狀態(tài)以及破壞機(jī)理的高溫有氧加載光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、可以實(shí)現(xiàn)不同溫度、不同氧壓及保護(hù)氣環(huán)境下高溫材料和結(jié)構(gòu)的變形行為研究。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2為本發(fā)明的高溫爐和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)匹配圖。圖3為本發(fā)明的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為圖3的A-A的剖視圖。圖中1-加載系統(tǒng)；2-高溫爐；3-數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)；4-氣壓泵；5-控制及顯示系統(tǒng)；6-溫度控制及記錄儀；7-氧壓控制器；8-力顯示器；9-步進(jìn)電機(jī)控制器；10-步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；11-步進(jìn)電機(jī)；12-帶螺紋的連接桿；13-鎖緊螺母；14-導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；15-力傳感器；16-帶冷卻液進(jìn)出口的連接桿；17-波紋管；18-移動(dòng)試件夾持桿；19-氧壓傳感器；20-溫度傳感器；21-試件；22-固定試件夾持桿；23-加載架；24-計(jì)算機(jī)；25-CCD相機(jī)；26-第一石英玻璃觀察窗；27-第二石英玻璃觀察窗；28-密封蓋；29-手柄；30-滑塊； 31-導(dǎo)塊螺母；32-側(cè)柱。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說明。圖1、2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)原理示意圖，本發(fā)明所述的高溫有氧加載光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)含有加載系統(tǒng)1、高溫爐2、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)3、氣壓泵4、控制及顯示系統(tǒng)5 ；所述的控制及顯示系統(tǒng)5包括溫度控制及記錄儀6、氧壓控制器7、力顯示器8、步進(jìn)電機(jī)控制器9和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器10 ；所述的加載系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)11、帶螺紋的連接桿12、力傳感器15、波紋管 17、移動(dòng)試件夾持桿18、固定試件夾持桿22和加載架23 ；帶螺紋的連接桿的一端與步進(jìn)電機(jī)11的輸出軸連接，連接桿的另一端與傳感器的上端連接，傳感器的下端與移動(dòng)試件夾持桿18相連；所述的兩端帶有法蘭的波紋管17與高溫爐2通過法蘭密封連接，移動(dòng)試件夾持桿18固定在波紋管法蘭上；步進(jìn)電機(jī)控制器9通過信號(hào)線依次與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器10和步進(jìn)電機(jī)11相連。所述的高溫爐2包括第一石英玻璃觀察窗沈、第二石英玻璃觀察窗27、密封蓋28 和手柄四，在該爐內(nèi)放置氧壓傳感器19、溫度傳感器20和試件21，力傳感器15通過信號(hào)線與力顯示器8相連；氧壓傳感器19通過氣壓泵4與氧壓控制器7相連；溫度傳感器20與溫度控制及記錄儀6相連；所述的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)3包括計(jì)算機(jī)M和CCD相機(jī)25，通過CXD相機(jī)25記錄不同載荷下試件表面的變形圖像，將變形圖像輸入計(jì)算機(jī)M內(nèi)進(jìn)行處理(如圖2所示)。本發(fā)明中控制及顯示系統(tǒng)5包括溫度控制及記錄儀6、氧壓控制器7、步進(jìn)電機(jī)控制器9、力顯示器8和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器10，所述部件被封裝在一個(gè)箱內(nèi)。溫度控制及記錄儀 6可以控制加溫速度、設(shè)定目標(biāo)溫度和記錄不同時(shí)間內(nèi)的溫度；氧壓控制器7可以設(shè)定所需氧壓，通過氣壓泵4對(duì)高溫爐2內(nèi)環(huán)境進(jìn)行氧壓控制；步進(jìn)電機(jī)控制器9可以根據(jù)實(shí)際材料的加載要求設(shè)定步進(jìn)速度和步進(jìn)距離，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器10控制步進(jìn)電機(jī)11工作， 通過機(jī)械傳遞實(shí)現(xiàn)移動(dòng)試件加持桿18的上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試件21進(jìn)行加載；力顯示器9用來顯示和記錄加載過程中力傳感器15所反應(yīng)出來的載荷大小。本發(fā)明中波紋管17與高溫爐2通過法蘭密封連接，移動(dòng)試件夾持桿18固定在波紋管法蘭上，波紋管可實(shí)現(xiàn)高溫爐密封和載荷傳遞；通過標(biāo)定不同壓縮或拉伸變形下載荷的大小，在實(shí)際試驗(yàn)中可以消除由于波紋管變形帶來的載荷，提高測(cè)量精度。本發(fā)明中導(dǎo)向機(jī)構(gòu)14通過鎖緊螺母13固定在帶螺紋的連接桿12上，通過滑塊30 與加載架23的側(cè)柱32接觸可以使滑塊30沿著側(cè)柱的方向上下移動(dòng)，從而使導(dǎo)向機(jī)構(gòu)14 隨著帶螺紋的連接桿12的轉(zhuǎn)動(dòng)上下移動(dòng)，進(jìn)而保證移動(dòng)試件夾持桿18的豎直移動(dòng)，最終可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)試件夾持桿18和固定試件夾持桿22的中心在豎直直線上。如圖2所示，本發(fā)明所述的高溫爐2的觀測(cè)窗設(shè)有第一石英玻璃觀察窗沈、第二石英玻璃觀察窗27和密封蓋觀，石英玻璃觀察窗精密加工而成。高溫爐2的第一石英玻璃觀察窗和第二石英玻璃觀察窗作為前觀測(cè)窗用于圖像采集窗口，同時(shí)采用雙層石英玻璃可以保證隔熱效果，減小高溫爐加溫?zé)崃繉?duì)CCD相機(jī)鏡頭的影響，減小測(cè)量誤差。密封蓋用于保證高溫爐內(nèi)溫度和氧壓的穩(wěn)定性。測(cè)量過程的主要步驟如下一、調(diào)節(jié)及安裝將試件放置在高溫爐內(nèi)的試件夾持桿上，通過調(diào)節(jié)移動(dòng)試件夾持桿的位置使得試件具有預(yù)載載荷，通過調(diào)節(jié)CCD相機(jī)的位置使試件能夠清晰成像；二、參數(shù)設(shè)置根據(jù)所測(cè)試的試件性能測(cè)試要求通過溫度控制器、氧壓控制器設(shè)置溫度大小、氧壓大小，通過步進(jìn)電機(jī)控制器設(shè)置步進(jìn)脈沖和每個(gè)脈沖的步進(jìn)量來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)試件進(jìn)行加載，通過步進(jìn)電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)加載速度的設(shè)定；加載速度大小通過DIC方法對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行標(biāo)定；三、測(cè)試通過溫度控制及記錄儀及氧壓控制器實(shí)現(xiàn)高溫爐內(nèi)溫度和氧壓的要求， 打開步進(jìn)電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的工作，通過力顯示器記錄不同時(shí)刻下的載荷大小信息，同時(shí)通過CCD相機(jī)記錄不同載荷下試件表面的變形圖像；四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理通過圖像處理軟件對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理，可以得到不同載荷下試件的變形場(chǎng)信息，從而可以得出材料的力學(xué)性能參數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種高溫有氧加載光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)含有加載系統(tǒng)(1)、高溫爐 O)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(3)、氣壓泵G)、控制及顯示系統(tǒng)(5)；所述的控制及顯示系統(tǒng) (5)包括溫度控制及記錄儀(6)、氧壓控制器(7)、力顯示器(8)、步進(jìn)電機(jī)控制器(9)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(10)；所述的加載系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)(11)、帶螺紋的連接桿(12)、力傳感器 (15)、波紋管(17)、移動(dòng)試件夾持桿(18)、固定試件夾持桿0 和加載架；帶螺紋的連接桿的一端與步進(jìn)電機(jī)(11)的輸出軸連接，連接桿的另一端與傳感器的上端連接，傳感器的下端與移動(dòng)試件夾持桿(18)相連；所述的波紋管(17)與高溫爐(2)通過法蘭密封連接，移動(dòng)試件夾持桿(18)固定在波紋管法蘭上；步進(jìn)電機(jī)控制器(9)通過信號(hào)線依次與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(10)和步進(jìn)電機(jī)(11)相連；所述的高溫爐( 包括第一石英玻璃觀察窗 (26)、第二石英玻璃觀察窗(XT)、密封蓋08)和手柄( )，在該爐內(nèi)放置氧壓傳感器(19)、 溫度傳感器OO)和試件(21)，力傳感器(1 通過信號(hào)線與力顯示器(8)相連；氧壓傳感器 (19)通過氣壓泵(4)與氧壓控制器(7)相連；溫度傳感器OO)與溫度控制及記錄儀(6)相連；所述的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)C3)包括計(jì)算機(jī)04)和CCD相機(jī)(25)，通過CCD相機(jī)Q5) 記錄不同載荷下試件表面的變形圖像，將變形圖像輸入計(jì)算機(jī)04)內(nèi)進(jìn)行處理。
2.按照權(quán)利要求1所述的高溫有氧加載光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述的加載系統(tǒng)還包括導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(14)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(14)通過鎖緊螺母(13)與帶螺紋的連接桿相連，該導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是由滑塊(30)和導(dǎo)塊(31)組成，滑塊(30)沿加載架上下滑動(dòng)。
3.按照權(quán)利要求1所述的高溫有氧加載光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述的控制及顯示系統(tǒng)(5)中的溫度控制及記錄儀(6)、氧壓控制器(7)、力顯示器(8)、步進(jìn)電機(jī)控制器 (9)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(10)被封裝在一個(gè)箱內(nèi)。
全文摘要
一種高溫有氧加載光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，屬于光測(cè)力學(xué)、工程材料、構(gòu)件變形和位移測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。該測(cè)量系統(tǒng)由加載系統(tǒng)、高溫爐、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、控制及顯示系統(tǒng)等組成。本發(fā)明可以模擬航天航空飛行器內(nèi)部分元器件實(shí)際工作環(huán)境，結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)和云紋干涉光學(xué)測(cè)量方法，可實(shí)現(xiàn)高溫材料及構(gòu)件在高溫有氧環(huán)境下的力學(xué)性能、變形狀態(tài)以及破壞機(jī)理研究，利用數(shù)字散斑相關(guān)系統(tǒng)或云紋干涉測(cè)試系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)材料及結(jié)構(gòu)非接觸測(cè)量和變形場(chǎng)全場(chǎng)測(cè)量。該系統(tǒng)具有使用方便，結(jié)構(gòu)緊湊、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)不同溫度、不同氧壓、不同載荷及保護(hù)氣環(huán)境下高溫材料和結(jié)構(gòu)的變形行為研究。
文檔編號(hào)G01N3/00GK102374849SQ201110284129
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2011年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月22日
發(fā)明者王懷喜, 謝惠民 申請(qǐng)人:清華大學(xué)