鄭 瑤，柴 葳

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)元件的高溫應(yīng)變測量是近年來結(jié)構(gòu)熱強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)急需解決的熱點(diǎn)問題，準(zhǔn)確得到試驗(yàn)件在高溫狀態(tài)下的應(yīng)變，對于高速飛行器熱應(yīng)力分析設(shè)計(jì)有著十分重要的意義。高溫應(yīng)變測量可分為接觸式和非接觸式兩種，應(yīng)用較多的電阻應(yīng)變片測量方式由于應(yīng)變片本身的熱輸出耦合特性，對試件在加熱狀態(tài)下的真實(shí)應(yīng)變測量帶來較大困難，因此其應(yīng)用范圍有一定的限制。相對于接觸式高溫應(yīng)變測量方法，數(shù)字圖像相關(guān)方法由于其能夠非常方便地結(jié)合各種加熱設(shè)備，而且具有測量過程簡單、精度較高、能夠?qū)崿F(xiàn)全場熱變形測量等優(yōu)點(diǎn)，因而成為一種較為理想的熱試驗(yàn)中的應(yīng)變測量手段。

本文通過紫外帶通濾波成像技術(shù)來抑制極端高溫環(huán)境或輻射加熱環(huán)境下的熱輻射影響，使用三維數(shù)字圖像相關(guān)方法來實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境中物體表面三維熱變形的測量。

2 紫外三維數(shù)字圖像相關(guān)方法

變形非接觸光學(xué)測量方法主要包括：基于激光光波干涉的云紋干涉法、電子散斑干涉法和數(shù)字圖像相關(guān)方法(DIC)。其中，數(shù)字圖像相關(guān)方法因具有設(shè)備簡單、抗干擾能力強(qiáng)、操作方便、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來高溫變形測量領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的方法。但是，在極端高溫環(huán)境下或石英燈輻射加熱環(huán)境下，數(shù)字圖像相關(guān)方法會(huì)存在一些問題：

(1)物體和加熱設(shè)備所發(fā)出的熱輻射會(huì)嚴(yán)重影響光學(xué)系統(tǒng)所采集到的圖像亮度，當(dāng)圖像亮度出現(xiàn)大幅的變化時(shí)，會(huì)引起DIC匹配過程中的退相關(guān)效應(yīng)，甚至導(dǎo)致匹配失效，這是限制DIC方法在高溫應(yīng)變測量中應(yīng)用的最大問題。

(2)在高溫環(huán)境下，需要保證試件表面的散斑在整個(gè)試驗(yàn)過程中穩(wěn)定，針對不同的材料和不同大小的測試區(qū)域，需要不同的高溫散斑制作手段。

(3)由于加熱設(shè)備在加熱試件的同時(shí)也會(huì)使試件周圍的空氣溫度升高，使其發(fā)生對流，從而導(dǎo)致空氣密度場與折射率場分布不均勻，最終使得由試件進(jìn)入相機(jī)的光線發(fā)生偏折，引起圖像的畸變，造成測量誤差。

紫外三維數(shù)字圖像相關(guān)方法是一種能夠用于極高溫環(huán)境下物體表面三維形貌、位移和變形測量的光學(xué)測量方法。任何溫度高于絕對零度的物體都會(huì)發(fā)出熱輻射，只不過在溫度較低時(shí)其輻射強(qiáng)度較小，且熱輻射波長多為紅外光，人眼及相機(jī)無法察覺，但是隨著溫度的升高，物體熱輻射的強(qiáng)度會(huì)越來越大。維恩位移定律表明，隨著溫度的升高，物體熱輻射的峰值波長會(huì)逐漸向短波長方向移動(dòng)，從而輻射出可被人眼和相機(jī)監(jiān)測到的可見光，導(dǎo)致圖像亮度的大幅變化。物體的熱輻射強(qiáng)度與溫度的定量關(guān)系可由普朗克黑體輻射公式來描述：

(1)

式中，I(λ,T)為由波長λ和溫度T表示的輻射強(qiáng)度，h為普朗克常數(shù),c為真空中的光速，k為玻爾茲曼常數(shù)。

由式(1)可知，物體的熱輻射強(qiáng)度是溫度和波長的函數(shù)。選擇幾個(gè)特定的溫度，可得到不同溫度下輻射強(qiáng)度與波長的關(guān)系。圖1(a)所示為在800℃、1000℃、1200℃、1400℃下的熱輻射能量與波長的關(guān)系曲線，可以看出，隨著溫度升高，熱輻射的強(qiáng)度會(huì)逐漸增加，且可見光波段的變化幅度很大，這就是導(dǎo)致普通光學(xué)成像系統(tǒng)發(fā)生過曝的原因。因此，需要使用帶通濾波成像技術(shù)來抑制高溫?zé)彷椛?。為了能夠?qū)崿F(xiàn)極端高溫環(huán)境下的測量，本文使用了365nm±10nm的窄帶通紫外濾波片。從圖1(a)可以看到，該波段的紫外帶通濾波非常有效地抑制了紅外和可見光波段的熱輻射所帶來的影響，而在紫外采集波段內(nèi)熱輻射強(qiáng)度基本沒有發(fā)生變化，這樣就保證了所采集到的圖像亮度的穩(wěn)定性。對比傳統(tǒng)數(shù)字圖像相關(guān)法測量中使用的450nm的藍(lán)光與本文中所使用的365nm的紫外波段可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，尤其在1400℃以上紫外波段，對于熱輻射的抑制效果明顯高于藍(lán)光波段(如圖1(b)所示)。因此，使用紫外光進(jìn)行圖像采集，能夠更好地避免由圖像亮度變化所引起的退相關(guān)效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)更高溫度下的精確測量。

(a)熱輻射強(qiáng)度與波長的關(guān)系曲線

(b)紫外與藍(lán)光波段熱輻射隨溫度的變化圖1 光譜輻射隨溫度的變化關(guān)系

3 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

整個(gè)試驗(yàn)測量裝置由兩部分組成，如圖2所示。圖中左側(cè)部分為紫外三維數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng)，右側(cè)為石英燈加熱系統(tǒng)，每個(gè)石英燈的最大額定功率為3.6kW，直徑為10mm，長度為480mm。本次試驗(yàn)過程中所采用的石英燈管后方涂有白色高反射陶瓷層，這樣既能避免因石英燈向后方輻射而干擾相機(jī)成像，又能增加其輻射面積與強(qiáng)度。

圖2 試驗(yàn)測量裝置示意圖

在試驗(yàn)過程中，為了保證相機(jī)能夠觀察到較大的測量區(qū)域，在加熱器上制作了一定尺寸的測量窗口。由于石英燈管排布密集且可以通過調(diào)整加熱器到試件表面的距離來改善輻射均勻性，故該窗口對加熱均勻性的影響可以忽略。試件選擇具有已知熱膨脹系數(shù)的鎳鉻鐵合金Inconel 718，試件尺寸為100mm×40mm，厚度為2mm。通過將試件懸掛的安裝方式保證了試件在試驗(yàn)過程中發(fā)生的變形為自由熱膨脹。

4 試驗(yàn)過程

在進(jìn)行試驗(yàn)之前，為了保證數(shù)字圖像相關(guān)法測量的可靠性和準(zhǔn)確性，需要在試件表面制作人工散斑。本文選用了能夠耐受高溫的氧化鋯粉末作為散斑材料，將其與有機(jī)溶劑混合后點(diǎn)涂在試件表面，這樣形成的隨機(jī)散斑能夠在1000℃以上的高溫下保持穩(wěn)定。

圖3為試驗(yàn)現(xiàn)場的圖片，圖中淺色虛線框中的區(qū)域即為紫外三維數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng)，測量系統(tǒng)前方為石英燈瞬態(tài)加熱系統(tǒng)。在試件表面焊接了兩個(gè)K型熱電偶作為溫度控制測量點(diǎn)，同時(shí)還在試件表面粘接了光纖布拉格光柵傳感器(FBG)，用以測量試件表面的高溫應(yīng)變。試驗(yàn)按照每100℃一個(gè)臺(tái)階進(jìn)行加熱控制，使用不高于1℃/s的溫升率將試件從室溫加熱至800℃，每個(gè)溫度保溫1min或直至測量值較為穩(wěn)定。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)

5 數(shù)據(jù)分析

圖4為最終由紫外相機(jī)所采集到的典型溫度時(shí)刻的試件表面圖片。從圖中可以看到，整個(gè)試驗(yàn)過程中測量區(qū)域的圖像亮度基本沒有發(fā)生變化，這說明紫外三維數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng)對于石英燈的強(qiáng)熱輻射有較好的抑制效果，從而能夠保證采集到的圖像的穩(wěn)定性。

選取25℃下的圖片作為參考圖，將所得到的測量區(qū)域的圖像使用3D-DIC算法進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，由線性平面擬合可以得到x和y方向的應(yīng)變數(shù)據(jù)。圖5(a)顯示了整個(gè)試驗(yàn)過程中試件表面x和y方向的熱應(yīng)變隨時(shí)間變化的曲線。從圖中可以看出，試件表面的應(yīng)變在加溫段基本呈線性增長，到達(dá)保溫段之后，應(yīng)變開始逐步穩(wěn)定但存在一定的波動(dòng)，產(chǎn)生這種波動(dòng)的主要原因是由于試件與石英燈的高溫會(huì)使周圍的空氣發(fā)生密度與折射率的變化，并引起對流，這會(huì)使經(jīng)由試件表面反射進(jìn)相機(jī)的光線發(fā)生偏折，從而引起圖像的小幅畸變，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)變波動(dòng)的產(chǎn)生。

圖4 紫外相機(jī)采集到的4個(gè)典型溫度下的測量區(qū)域圖片

(a)應(yīng)變隨時(shí)間的變化

(b)平均應(yīng)變對比

(c)熱膨脹系數(shù)對比圖5 試驗(yàn)結(jié)果曲線

將應(yīng)變結(jié)果與FBG傳感器所測得的數(shù)據(jù)以及材料手冊中的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較(如圖5(b)所示)，可以發(fā)現(xiàn)，使用紫外三維數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng)所測得的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值基本相同，而FBG傳感器由于在測量應(yīng)變時(shí)受到了溫度的交叉干擾，且由于光纖、保護(hù)層和粘貼層以及基體材料的物理力學(xué)性能不同，也會(huì)影響測量結(jié)果。

由應(yīng)變數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，通過下式可以計(jì)算得到試件的熱膨脹系數(shù)：

(2)

式中，t-t0為溫度的變化。選取t0=25℃，最終計(jì)算得到的熱膨脹系數(shù)如圖5(c)所示?？梢钥闯觯褂米贤馊S數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)與材料手冊中的標(biāo)準(zhǔn)值基本吻合。

6 結(jié) 論

使用本文設(shè)計(jì)搭建的紫外三維數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng)能夠有效抑制石英燈強(qiáng)熱輻射的影響，從而采集到穩(wěn)定可靠的試件表面圖像。經(jīng)過數(shù)字圖像相關(guān)法計(jì)算，所得到的位移場和應(yīng)變場的數(shù)據(jù)與材料手冊中記錄的標(biāo)準(zhǔn)值基本一致。相比于傳統(tǒng)的FBG傳感器測量方法，本文中所提出的紫外三維數(shù)字圖像相關(guān)方法在測量精度和可靠性方面都有較大的優(yōu)勢，在一些典型結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)中具有廣泛的應(yīng)用前景。