專利名稱：一種基于紅外熱成像的絕熱剪切破壞溫度的在線檢測方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外熱成像領(lǐng)域，特別提供了一種在高速撞擊、沖蝕等作用下絕熱剪切帶形成和發(fā)展階段的溫度實(shí)時(shí)測量方法，適用于鈦合金、鎢合金等在高速撞擊、爆轟作用下材料或構(gòu)件內(nèi)部變形溫度的測量。
背景技術(shù)：
鈦合金、鎢合金、高強(qiáng)鋼等材料在高速撞擊、侵徹、沖蝕、爆炸復(fù)合等涉及沖擊載荷的高應(yīng)變率形變過程中，材料應(yīng)變速率變形時(shí)發(fā)生熱-力耦合、局域化的熱粘塑性失穩(wěn)現(xiàn)象，其中絕熱剪切帶(AdiabaticShear Band, ASB)是一種特有的微損傷現(xiàn)象,“絕熱”是指材料在高應(yīng)變速率變形過程中，由于變形的時(shí)間極短(達(dá)到μ s量級(jí))，絕大部分塑性功轉(zhuǎn)化為熱量來不及散失到周圍的現(xiàn)象。由于絕熱剪切帶的形成與材料的動(dòng)態(tài)斷裂有著密切的關(guān)系，材料或構(gòu)件內(nèi)部出現(xiàn)絕熱剪切帶標(biāo)志著承載能力的下降或喪失。對(duì)絕熱剪切帶的研究，宏觀上主要采用高速攝影、脈沖X光照相、應(yīng)變片等進(jìn)行樣品動(dòng)態(tài)過程變形的研究；微觀上主要采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡等現(xiàn)代材料分析手段分析回收破片中的絕熱剪切帶以及剪切帶導(dǎo)致的破壞。得出的結(jié)論是絕熱剪切帶寬度一般為IO1 IO2 μ m量級(jí)，在剪切帶內(nèi)可產(chǎn)生10 IO2量級(jí)的剪切應(yīng)變，應(yīng)變率可達(dá)IO5 IO7S'理論計(jì)算出絕熱溫升可達(dá)IO2 IO3K,冷卻速率可達(dá)105K/s。然而，現(xiàn)有技術(shù)中的上述宏觀和微觀的研究方法還不能獲得絕熱剪切帶形成和發(fā)展階段的溫度變化歷程。由于溫度對(duì)材料的力學(xué)性能和微觀組織結(jié)構(gòu)變化影響很大，因而采用紅外熱成像技術(shù)實(shí)時(shí)測量絕熱剪切帶形成和發(fā)展階段的溫度變化，一方面對(duì)揭示高應(yīng)變速率下的相變和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制有著重要的意義；另一方面有助于研究欽合金、鶴合金等材料在聞應(yīng)變率下的力學(xué)性能以及塑性變形斷裂機(jī)制。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述需求，本發(fā)明為了解決金屬材料、構(gòu)件在落錘、氣槍和霍布金森壓桿(SHPB)等裝置加載下，在高速撞擊、沖蝕等作用下絕熱剪切帶形成和發(fā)展階段的溫度實(shí)時(shí)測量，提供一種基于紅外熱成像的在線檢測方法和系統(tǒng)，主要用于研究材料的微觀結(jié)構(gòu)變化和絕熱剪切帶特性。紅外熱成像的測溫原理是光學(xué)透鏡收集物體變形過程中輻射的光，成像在紅外探測器的感光元件上，探測器的讀出電路將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行積分放大、采樣保持，再通過輸出緩沖和多路傳輸系統(tǒng)，最終形成圖像并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本發(fā)明基于紅外熱成像的絕熱剪切破壞溫度的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括試樣加載裝置，用于加載試樣并進(jìn)行沖擊壓縮破壞；紅外光學(xué)成像系統(tǒng)，用于收集試樣變形輻射光并成像到紅外探測裝置；紅外探測裝置，根據(jù)接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)用于探測剪切帶的溫度變化；多路復(fù)用電信號(hào)處理系統(tǒng)，對(duì)紅外探測裝置轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行處理、輸出緩沖和多路傳輸最終形成圖像；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。所述試樣加載裝置為落錘、氣槍或霍布金森壓桿(SHPB)。優(yōu)選地，所述紅外探測裝置包括第一紅外探測裝置，用于探測溫度隨剪切帶形成過程變化；第二紅外探測裝置，用于探測二維溫度場圖像從而獲得剪切帶的二維結(jié)構(gòu)圖像和剪切帶方向的溫度分布；第三紅外探測裝置，用于確定試樣的發(fā)射率。優(yōu)選地，所述第一紅外探測裝置包括線性陣列探測器，所述線性陣列探測器是由若干個(gè)紅外探測器組成的線性陣列。優(yōu)選地，所述第二紅外探測裝置包括焦平面紅外探測器，所述焦平面紅外探測器 是由焦平面陣列的紅外探測器組成的。優(yōu)選地，所述第三紅外探測裝置包括激光校準(zhǔn)器和脈沖照相機(jī)，用于確定試樣的發(fā)射率并對(duì)所述紅外探測器進(jìn)行標(biāo)定。優(yōu)選地，所述紅外光學(xué)成像系統(tǒng)通過分光鏡形成第一至第三探測線路，從而將輻射光分別成像到所述第一至第三紅外探測器。進(jìn)一步優(yōu)選地，所述紅外光學(xué)成像系統(tǒng)包括分光鏡、凸透鏡、反射鏡、凹透鏡以及六方分光鏡。本發(fā)明還提供了一種基于紅外熱成像的絕熱剪切破壞溫度的在線檢測方法，其特征在于,包括加載試樣并進(jìn)行沖擊壓縮破壞產(chǎn)生變形；通過收集試樣變形的輻射光并成像到紅外探測裝置；根據(jù)接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)用于探測剪切帶的溫度變化；對(duì)轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行處理、輸出緩沖和多路傳輸最終形成圖像并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。優(yōu)選地，所述根據(jù)接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)用于探測剪切帶的溫度變化包括利用由若干個(gè)紅外探測器組成的線性陣列探測溫度隨剪切帶形成過程變化；利用焦平面陣列的紅外探測器探測二維溫度場圖像從而獲得剪切帶的二維結(jié)構(gòu)圖像和剪切帶方向的溫度分布；利用激光校準(zhǔn)器和脈沖照相機(jī)確定試樣的發(fā)射率并對(duì)所述紅外探測器進(jìn)行標(biāo)定。本發(fā)明解決了金屬材料、構(gòu)件在落錘、氣槍和霍布金森壓桿(SHPB)等裝置加載下，在高應(yīng)變率作用下變形絕熱剪切帶形成發(fā)展階段溫度在線測試的難題。通過陣列設(shè)置的紅外探測器和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提高了測試系統(tǒng)的空間分辨率和時(shí)間分辨率，使基于紅外成像的采集數(shù)據(jù)能夠滿足使用要求，推動(dòng)了絕熱剪切帶發(fā)展過程中溫度特性的研究。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例的在線檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是通過本發(fā)明實(shí)施例的在線檢測系統(tǒng)測得的溫度隨剪切帶形成過程的變化示意圖；圖3是通過本發(fā)明實(shí)施例的在線檢測系統(tǒng)測得的低溫階段剪切帶示意圖；圖4是通過本發(fā)明實(shí)施例的在線檢測系統(tǒng)測得的塑性帶向剪切帶轉(zhuǎn)變示意圖。
具體實(shí)施例方式為詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所實(shí)現(xiàn)目的及效果，以下結(jié)合具體實(shí)施方式
并配合附圖詳予說明。本發(fā)明主要是解決金屬材料、構(gòu)件在落錘、氣槍和霍布金森壓桿(SHPB)等裝置加載下，紅外探測器測量絕熱剪切帶形成和發(fā)展階段的溫度的分辨率不高的技術(shù)難題，因而采用快響應(yīng)、高分辨的基于紅外熱成像的系統(tǒng)來測量絕熱剪切帶發(fā)展過程中的溫度場，其原因是一是沖擊加載下的絕熱剪切帶在不到O. Ims的時(shí)間內(nèi)形成，特別是在所關(guān)心的區(qū)域內(nèi)，絕熱剪切帶的產(chǎn)生和傳播只有幾微秒的時(shí)間；二是材料內(nèi)的絕熱剪切帶特別窄，寬度在十幾微米到幾百微米之間。因此，測量絕熱剪切帶溫度的紅外熱成像系統(tǒng)的關(guān)鍵部件主要為紅外探測器和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，前者決定了測試系統(tǒng)的空間分辨率，后者決定了測試系統(tǒng)的時(shí)間分別率。本發(fā)明的檢測系統(tǒng)采用面掃描方式的采集速率最高達(dá)到5MHz，對(duì)于10 μ s左右的材料變形，需要探測器在IMHZ左右的速率下獲取圖像，因此能滿足使用要求。圖I是本發(fā)明基于紅外熱成像的絕熱剪切破壞溫度的在線檢測系統(tǒng)，包括由線性陣列探測器I，脈沖照相機(jī)2，焦平面紅外探測器3，激光校準(zhǔn)器4組成的紅外探測裝置，試樣
5,試樣加載裝置6,以及由分光鏡7、凸透鏡8、反射鏡9和凹透鏡10和六方分光鏡11組成的紅外光學(xué)成像系統(tǒng)。試樣加載裝置6為落錘、氣槍或霍布金森壓桿(SHPB),用于加載試樣5并進(jìn)行沖擊壓縮破壞,本實(shí)施例以鈦合金材料的試樣5在霍布金森壓桿6的絕熱剪切破壞試驗(yàn)為例。紅外光學(xué)成像系統(tǒng)用于收集試樣變形輻射光并成像到紅外探測裝置，詳見圖I，通過分光鏡7、凸透鏡8、反射鏡9、凹透鏡10和六方分光鏡11所形成的光路系統(tǒng)，形成圖中①-③所述的探測線路。紅外探測裝置根據(jù)接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)用于探測剪切帶的溫度變化，其中，線性陣列探測器I是由若干個(gè)紅外探測器組成的線性陣列，由64個(gè)紅外探測器組成的線性陣列，每個(gè)探測器都有獨(dú)立的前置放大器，采用8個(gè)4通道、12bit的高速示波器記錄前置放大器的輸出，以5MHz的速率進(jìn)行并行處理，測得溫度隨剪切帶形成過程的變化，如圖2所示。從圖中可以看出記錄了整個(gè)變形過程450 μ s范圍內(nèi)的溫度變化。焦平面紅外探測器3，是由焦平面陣列的紅外探測器組成的，用于測得“熱點(diǎn)”效應(yīng)，即剪切帶中變形由均勻變形向局部變形。采用焦平面陣列的紅外探測器得到圖3、圖4所示的二維溫度場圖像，得出剪切帶的二維結(jié)構(gòu)圖像和沿著剪切帶方向的溫度分布，結(jié)果表明剪切帶內(nèi)的溫度分布既不是均勻的也不是靜止的，而是周期性震蕩的，帶中的狀態(tài)由均勻變形轉(zhuǎn)為局部變形，圖像顯示出發(fā)展區(qū)域的長度約為300μπι，溫度梯度為3X104K/m，呈現(xiàn)出“熱點(diǎn)”效應(yīng)。以上線性陣列探測器I和焦平面紅外探測器3可以采用液氮制冷。激光校準(zhǔn)器4和脈沖照相機(jī)2用于確定試樣的發(fā)射率并對(duì)所述紅外探測器進(jìn)行標(biāo)定。所述在線檢測系統(tǒng)還包括多路復(fù)用電信號(hào)處理系統(tǒng)，對(duì)紅外探測裝置轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行處理、輸出緩沖和多路傳輸最終形成圖像，所述處理包括通過紅外探測裝置的讀出電路將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行積分放大、采樣保持，再通過輸出緩沖和多路傳輸系統(tǒng)，最終形成圖像；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
基于上述的在線檢測系統(tǒng)，本發(fā)明還提供了一種基于紅外熱成像的絕熱剪切破壞溫度的在線檢測方法，包括加載試樣并進(jìn)行沖擊破壞產(chǎn)生變形；通過收集試樣變形的輻射光并成像到紅外探測裝置；根據(jù)接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)用于探測剪切帶的溫度變化，包括利用由若干個(gè)紅外探測器組成的線性陣列探測探測溫度隨剪切帶形成過程變化；利用焦平面陣列的紅外探測器探測二維溫度場圖像從而獲得剪切帶的二維結(jié)構(gòu)圖像和剪切帶方向的溫度分布；利用激光校準(zhǔn)器和脈沖照相機(jī)確定試樣的發(fā)射率并對(duì)所述紅外探測器進(jìn)行標(biāo)定。對(duì)轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行處理、輸出緩沖和多路傳輸最終形成圖像并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
本發(fā)明解決了金屬材料、構(gòu)件在落錘、氣槍和霍布金森壓桿(SHPB)等裝置加載下，高應(yīng)變速率作用下變形紅外探測器測量絕熱剪切帶形成和發(fā)展階段的溫度的分辨率不高的技術(shù)難題。通過陣列設(shè)置的紅外探測器和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提高了測試系統(tǒng)的空間分辨率、時(shí)間分辨率，使基于紅外成像的采集數(shù)據(jù)能夠滿足使用要求，推動(dòng)了絕熱剪切帶發(fā)展過程中溫度特性的研究。 以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于紅外熱成像的絕熱剪切破壞溫度的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括試樣加載裝置，用于加載試樣并進(jìn)行沖擊壓縮破壞；紅外光學(xué)成像系統(tǒng)，用于收集試樣變形輻射光并成像到紅外探測裝置；紅外探測裝置，根據(jù)接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)用于探測沖擊壓縮試樣的溫度變化；多路復(fù)用電信號(hào)處理系統(tǒng)，對(duì)紅外探測裝置轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行處理、輸出緩沖和多路傳輸最終形成圖像；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述試樣加載裝置為落錘、氣槍或霍布金森壓桿(SHPB)等。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述紅外探測裝置包括第一紅外探測裝置，用于探測溫度隨剪切帶形成過程變化；第二紅外探測裝置，用于探測二維溫度場圖像從而獲得剪切帶的二維結(jié)構(gòu)圖像和剪切帶方向的溫度分布；第 三紅外探測裝置，用于確定試樣的發(fā)射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述第一紅外探測裝置包括線性陣列探測器，所述線性陣列探測器是由若干個(gè)紅外探測器組成的線性陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述第二紅外探測裝置包括焦平面紅外探測器，所述焦平面紅外探測器是由焦平面陣列的紅外探測器組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述第三紅外探測裝置包括激光校準(zhǔn)器和脈沖照相機(jī)，用于確定試樣的發(fā)射率并對(duì)所述紅外探測器進(jìn)行標(biāo)定。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述紅外光學(xué)成像系統(tǒng)通過分光鏡形成第一至第三探測線路，從而將輻射光分別成像到所述第一至第三紅外探測器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述紅外光學(xué)成像系統(tǒng)包括分光鏡、凸透鏡、反射鏡、凹透鏡以及六方分光鏡。
9.一種基于紅外熱成像的絕熱剪切破壞溫度的在線檢測方法，其特征在于，包括力口載試樣并進(jìn)行沖擊破壞產(chǎn)生變形；通過收集試樣變形的輻射光并成像到紅外探測裝置；根據(jù)接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)用于探測剪切帶的溫度變化；對(duì)轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行處理、輸出緩沖和多路傳輸最終形成圖像并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的在線檢測方法，其特征在于，所述根據(jù)接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)用于探測剪切帶的溫度變化的步驟具體包括利用由若干個(gè)紅外探測器組成的線性陣列探測溫度隨剪切帶形成過程變化；利用焦平面陣列的紅外探測器探測二維溫度場圖像從而獲得剪切帶的二維結(jié)構(gòu)圖像和剪切帶方向的溫度分布；利用激光校準(zhǔn)器和脈沖照相機(jī)確定試樣的發(fā)射率并對(duì)所述紅外探測器進(jìn)行標(biāo)定。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于紅外熱成像的在線檢測方法和系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括試樣加載裝置，用于加載試樣并進(jìn)行沖擊壓縮破壞；紅外光學(xué)成像系統(tǒng)，用于收集試樣變形輻射光并成像到紅外探測裝置；紅外探測裝置，根據(jù)接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)用于探測沖擊壓縮試驗(yàn)的溫度變化；多路復(fù)用電信號(hào)處理系統(tǒng)，對(duì)紅外探測裝置轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行處理、輸出緩沖和多路傳輸最終形成圖像；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本發(fā)明解決了金屬材料、構(gòu)件在高應(yīng)變率作用下絕熱剪切帶形成發(fā)展階段溫度在線測試的難題，通過陣列設(shè)置的紅外探測器和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提高了測試系統(tǒng)的空間分辨率和時(shí)間分辨率，使基于紅外成像的采集數(shù)據(jù)能夠滿足使用要求，推動(dòng)了絕熱剪切帶發(fā)展過程溫度特性研究。
文檔編號(hào)G01J5/10GK102645282SQ20111046220
公開日2012年8月22日 申請日期2011年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月22日
發(fā)明者康鳳, 林軍, 胡傳凱, 舒大禹, 趙志翔, 趙祖德, 陳強(qiáng), 黃樹海 申請人:中國兵器工業(yè)第五九研究所