秦強(qiáng) 張翔宇 郭翔 張超

摘要：隨著航空航天飛行器的高速發(fā)展，高溫結(jié)構(gòu)件變形準(zhǔn)確測(cè)量變得愈發(fā)重要，而傳統(tǒng)光學(xué)測(cè)量方法在超高溫下面臨圖像紋理模糊、灰度集中的問題，散斑穩(wěn)定存在與圖像穩(wěn)定采集可以有效提升應(yīng)變測(cè)量精度。使用等離子噴涂金屬鎢粉末的方法，實(shí)現(xiàn)了2600℃散斑的穩(wěn)定存在能力；對(duì)比金屬鎢與碳纖維材料在可見光范圍內(nèi)的黑體輻射強(qiáng)度，表明其在450nm處輻射差異明顯，可以產(chǎn)生明暗的散斑紋理；使用了帶通濾光片、線性偏振片和減光片抑制強(qiáng)烈的輻射光源和無關(guān)光污染，表明其可適用于超高溫下的圖像采集；使用改進(jìn)的灰度均勻化方法解決超高溫下灰度信息不明顯的問題；通過高溫2600℃拉伸試驗(yàn)進(jìn)行比較測(cè)量，結(jié)果表明，本文提出方法所測(cè)得變形應(yīng)變信息與等效引伸計(jì)相比較基本一致，彈性階段內(nèi)，兩種方法的平均應(yīng)變偏差小于200με。通過對(duì)同一批次加工的多個(gè)試件的重復(fù)測(cè)量可知，提出方法的多次測(cè)量平均偏差小于100με。最后，在110℃下進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，使用了高溫噴漆和線性濾光片測(cè)得3D打印高分子材料在高溫下的蠕變行為，驗(yàn)證了所提出方法在高溫蠕變方面的精度和有效性。

關(guān)鍵詞：高溫力學(xué)性能；數(shù)字圖像；高溫變形；高溫蠕變；高溫散斑圖像增強(qiáng)

中圖分類號(hào)：O439文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.10.001

基金項(xiàng)目：航空科學(xué)基金（20170953010）

航空航天飛行器材料及部件在高溫動(dòng)態(tài)變形下的力學(xué)性能是飛行器能否安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)。返回式彈道導(dǎo)彈、航天飛船返回艙等高速飛行器上的氣動(dòng)加熱會(huì)使其表面達(dá)到極高的溫度[1]，在局部短時(shí)間可高達(dá)至1600℃或更高的溫度。特殊的服役環(huán)境導(dǎo)致其對(duì)耐高溫特性的極高要求。只有通過對(duì)飛行器的材料、部件等高溫應(yīng)變變形情況的準(zhǔn)確檢測(cè)和分析，才能保證其安全穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)，而原有的檢測(cè)方法已經(jīng)無法滿足這些不同于常規(guī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)環(huán)境的特殊問題，迫切需要通過借助新的檢測(cè)方法和手段來解決。

目前，常用的高溫測(cè)量方法偏少，接觸式高溫測(cè)量方法由于測(cè)量過程必須與試件接觸，使用溫度普遍低于1500℃；引出式測(cè)量方法需要將高溫環(huán)境中的物體變形通過剛體傳導(dǎo)至較低溫度環(huán)境進(jìn)行測(cè)量，操作復(fù)雜，測(cè)量精度低；電子散斑干涉法和云紋干涉的優(yōu)點(diǎn)為靈敏度高、測(cè)量結(jié)果直觀可視，但其測(cè)量原理復(fù)雜，測(cè)量過程繁瑣，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求苛刻。

對(duì)于高溫變形檢測(cè)，由于傳統(tǒng)變形測(cè)量方法在高溫情況下測(cè)量困難、適用范圍小，推動(dòng)了數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)在高溫測(cè)量位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)中的研究發(fā)展[2-5]。數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)在高溫測(cè)量中，主要存在高溫散斑制備及高溫散斑圖像采集的困難。而圖像采集的主要問題為普通散斑制備方法所制備的散斑紋理無法在高溫環(huán)境中穩(wěn)定存在，以及高溫變形過程中被測(cè)物體自身的輻射光強(qiáng)等光學(xué)干擾影響了高溫采集圖像的處理。因此，需要對(duì)高溫散斑制備方法和高溫輻射光強(qiáng)下的圖像采集方法進(jìn)行研究，對(duì)于高溫散斑圖像灰度較為集中導(dǎo)致的散斑特征模糊進(jìn)行灰度增強(qiáng)。近年來，數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)已經(jīng)漸漸被應(yīng)用于材料的高溫?zé)崃W(xué)測(cè)量中。R.Volkl等[6]通過數(shù)字圖像相關(guān)方法提取高溫環(huán)境中合金試件上的預(yù)制特征，以實(shí)現(xiàn)橫縱向高溫變形測(cè)量。J.S.Lyons等[7]通過使用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測(cè)量600℃下的全場(chǎng)面內(nèi)變形。Pan等[8]使用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測(cè)量了薄板的熱膨脹系數(shù)。Grant等[9]提出了一種通過濾光片和使用藍(lán)色光源的方式抑制材料的黑體輻射，從而進(jìn)行數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量的方法，并驗(yàn)證可進(jìn)行1100℃以下的高溫測(cè)量。潘兵等[10]提出了一種使用帶通濾光片消除黑體輻射影響的方法，進(jìn)行了1200℃的高溫測(cè)量。劉寧夫等[11]使用數(shù)字圖像相關(guān)方法進(jìn)行了網(wǎng)格加筋平板熱屈曲試驗(yàn)。

針對(duì)現(xiàn)有測(cè)量方法的不足，本文基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)對(duì)高溫變形檢測(cè)技術(shù)中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究。首先對(duì)高溫散斑制備技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了一種可適用2600℃高溫的等離子高溫散斑制備方法；然后對(duì)高溫物體輻射理論進(jìn)行研究，針對(duì)高溫散斑輻射特性，提出了一種光學(xué)濾波的高溫散斑圖像采集方法，并通過高溫?zé)崤蛎浖癈/C高溫變形試驗(yàn)對(duì)所提出方法的有效性和準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，最后研究了3D打印高分子材料的高溫蠕變行為和特性。

1高溫散斑制備

1.1高溫散斑研究

數(shù)字相關(guān)技術(shù)在分析過程中需要在被分析的物體（或試件）表面存在可被攝像機(jī)記錄的隨機(jī)散亂的圖案作為被分析的特征，這種隨機(jī)散亂的紋理一般被稱為散斑。對(duì)于一般的材料，多為單色表面，甚至?xí)嬖诜垂獾葐栴}影響光學(xué)測(cè)量，為了對(duì)這些材料進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)量，必須進(jìn)行人工散斑的制備。

王翔[12]提出通過化學(xué)的方法在材料表面鍍銀來制作散斑。但是由于銀金屬化學(xué)性能易于氧化，僅適用于短時(shí)或真空下的試驗(yàn)。使用耐高溫漆進(jìn)行人工散斑噴涂是一種相對(duì)簡(jiǎn)便易行的高溫散斑制備方法。但是由于高溫漆的成分與試驗(yàn)材料不同導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)的差別。在高溫過程中，高溫漆與材料間的結(jié)合層會(huì)由于熱膨脹系數(shù)差異使得散斑紋理不與材料進(jìn)行變形甚至剝落。對(duì)耐溫標(biāo)稱參數(shù)為1800℃的高溫漆進(jìn)行了試驗(yàn)研究，當(dāng)高溫箱溫度達(dá)到1600℃左右時(shí)，所制備的散斑紋理發(fā)生剝落等現(xiàn)象，攝像機(jī)無法采集到清晰的散斑圖像，所以高溫漆只能適用于低于耐溫標(biāo)稱值以下且熱膨脹系數(shù)相近的材料高溫變形測(cè)量中。高溫漆耐溫試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

高溫檢測(cè)中的數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)存在的首要問題就是普通散斑在高溫環(huán)境無法穩(wěn)定存在。而使用普通高溫漆通過手動(dòng)噴涂的方法所制成的散斑紋理最高耐熱溫度一般小于1600℃，所以為了進(jìn)行高溫變形檢測(cè)，必須制備能夠穩(wěn)定存在于2600℃以上高溫的散斑。

1.2高溫散斑制備方法研究

為了在高溫條件下（達(dá)到2600℃）仍然可使所制備的散斑穩(wěn)定存在，本文提出以耐高溫材料鎢金屬作為噴涂材料，以等離子噴涂的方法在復(fù)合材料表面進(jìn)行噴涂，根據(jù)復(fù)合材料和鎢兩種物質(zhì)的物理性質(zhì)，進(jìn)行輻射光譜對(duì)比，從而形成散斑紋理。鎢具有高物理濺射閾值、高熔點(diǎn)、低蒸氣壓、良好的熱導(dǎo)率，具有和碳纖維材料相近的熱膨脹系數(shù)，非常適宜用來進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料的散斑噴涂。等離子噴涂技術(shù)的噴涂原理是通過等離子噴槍（又稱等離子弧發(fā)生器）產(chǎn)生等離子射流（電弧焰流），將鎢金屬粉末隨等離子流高速撞擊經(jīng)預(yù)處理的基材表面，從而在基材表面形成噴涂層，圖2為本研究試驗(yàn)中采用的等離子噴涂設(shè)備。

本文提出的高溫散斑制備方法：首先在試件表面覆蓋一層金屬漏網(wǎng)，然后通過不同角度對(duì)試件進(jìn)行噴涂，噴涂結(jié)束后，去除金屬漏網(wǎng)，形成噴涂與未噴涂區(qū)域的對(duì)比，從而獲得噴涂后的散斑紋理。圖3為使用本文所提出的高溫散斑等離子噴涂方法所噴涂的散斑紋理。

2高溫圖像采集

2.1高溫輻射理論研究

任何物體在高于熱力學(xué)溫度0K的情況下都會(huì)向外界輻射電磁波，在一般溫度下，物體的輻射波長(zhǎng)主要在肉眼不可見的紅外光波長(zhǎng)區(qū)間。而根據(jù)維恩位移定律，物體表面熱輻射的峰值波長(zhǎng)值，會(huì)隨著物體表面溫度的增加而向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)，從而輻射出可被人眼識(shí)別的可見光。隨著溫度升高，光輻射強(qiáng)度會(huì)迅速增加。

圖4顯示了本研究中所使用的CMOS攝像機(jī)感光元件的光響應(yīng)效率曲線，可見該攝像機(jī)的主要敏感波段在390～ 800nm，在高溫條件下（本文研究的最高溫度2600℃），物體本身黑體輻射光強(qiáng)甚至?xí)跤谕饨绛h(huán)境光，試件表面的紋理信息將會(huì)泯滅于輻射光強(qiáng)中，如果不進(jìn)行正確的處理，無法進(jìn)行數(shù)字圖像相關(guān)處理。

圖5繪制了隨著溫度升高，波長(zhǎng)分別為450、550和650nm的輻射能量變化曲線，表明隨著溫度的升高，各個(gè)波長(zhǎng)的輻射能量都會(huì)顯著增強(qiáng)，而波長(zhǎng)越短，其輻射能量隨溫度升高的速率越低。這表明，在高溫下輻射能量偏向于波長(zhǎng)較長(zhǎng)的范圍內(nèi)，當(dāng)高能量的輻射被相機(jī)感光元件所捕獲時(shí)，其表面的紋理特征就會(huì)被輻射所掩蓋。

2.2高溫圖像采集方法研究

在高溫變形檢測(cè)過程中，可以檢測(cè)到由于高溫爐中存在保護(hù)氣體、高溫?zé)崃骱陀^察窗反光等引起的干擾，以及物體輻射所導(dǎo)致的輻射光強(qiáng)干擾。在高溫變形檢測(cè)中，物體的黑體熱輻射成為主要光線來源，因此為了采集到對(duì)比度清晰的散斑圖案，試件材料和噴涂材料必須具有顯著不同的輻射波長(zhǎng)或在特定波長(zhǎng)可以明顯區(qū)分兩種輻射強(qiáng)度。

為了研究材料在不同溫度下的輻射波長(zhǎng)，使用光譜儀進(jìn)行光譜測(cè)量，記錄單位時(shí)間段內(nèi)各波長(zhǎng)的強(qiáng)度，用count表示每個(gè)波長(zhǎng)處的光波強(qiáng)度。使用光譜儀對(duì)試件的中心位置對(duì)準(zhǔn)固定測(cè)量試驗(yàn)件在溫升過程中的輻射波長(zhǎng)。如圖6所示，隨著溫度的上升，在未噴涂的碳纖維試件的輻射譜上，600nm波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度明顯增強(qiáng)；而在噴涂了鎢粉的碳纖維試件的輻射譜上，695nm的波長(zhǎng)處輻射強(qiáng)度增強(qiáng)更為明顯。在2600℃，比較未噴涂試件和噴涂了鎢粉的碳纖維試件可得，695nm波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度略有增強(qiáng)，而在450nm波長(zhǎng)處，兩者的輻射強(qiáng)度相當(dāng)，區(qū)別不明顯。因此可以認(rèn)為，在測(cè)量區(qū)域中的鎢粉輻射在450nm處可以忽略，通過450nm的帶通濾光片采集時(shí)可以分辨出碳纖維材料和鎢粉的輻射差異，帶通濾光片是一種允許特定波段透過的鏡片，使用450nm帶通濾光片將使波長(zhǎng)低于440nm以及波長(zhǎng)大于460nm的輻射能量被消去，從而極大地減少整個(gè)物體黑體輻射所導(dǎo)致的光強(qiáng)過飽和問題，并且由于被測(cè)物體僅正面進(jìn)行噴涂，通過使用450nm帶通濾光片可以有效降低爐內(nèi)反光產(chǎn)生的影響，獲得顯著的紋理差異。由鎢粉覆蓋處形成黑色圖案，而未覆蓋鎢粉的碳纖維材料形成白色圖案的散斑紋理圖像。

同時(shí)，在高溫環(huán)境中，當(dāng)物質(zhì)被加熱到一個(gè)很高的溫度時(shí)，物體發(fā)生黑體輻射，輻射光線在高溫爐內(nèi)不斷反射，最后形成疊波，從觀察窗中發(fā)射出來。因此，由于光線的干擾作用，散斑紋理不能被清晰地識(shí)別出來。由于光在折射和反射時(shí)其偏振方向會(huì)發(fā)生偏折，所以理論上選取一個(gè)偏振方向的光強(qiáng)采集時(shí)，大部分無光光源會(huì)被抑制。為了增強(qiáng)圖像采集效果，提高圖像處理精度，需要對(duì)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，本文選用一對(duì)偏振片，一個(gè)安裝在鏡頭上，另一個(gè)安裝在觀察窗上，從而降低高溫檢測(cè)中的輻射雜波干擾，進(jìn)一步減弱了光強(qiáng)，并且削弱了煙霧、氣流等對(duì)光線的干擾作用。

基于以上三種濾光方法，分別使用了不同組合的濾光片，進(jìn)行試驗(yàn)高溫成像試驗(yàn)對(duì)比，如圖8所示。其中，PL代表線性偏振光濾光片；ND2、ND4和ND8分別表示三種不同減光程度的減光濾光片。圖8（a）是室溫下采集到的試件的圖像，圖中白色斑點(diǎn)由噴涂的鎢粉形成，碳纖維試件則顯示為黑色。其他的圖像是在2600℃下經(jīng)過不同的濾光措施采集到的圖像，其中黑色斑點(diǎn)是由鎢粉形成，白色的部分由碳纖維試件形成。圖8（b）為高溫下無任何濾光下的采集圖像。由于輻射光強(qiáng)過強(qiáng)，即使采集所使用的攝像機(jī)曝光值和光圈再小，也很難清晰地區(qū)分碳纖維和鎢兩種物質(zhì)，而且多個(gè)方向的輻射光在高溫箱中不斷反射，所采集的光學(xué)信息過于混雜且難以分析。在沒有任何濾光措施的情況下，由于熱輻射的影響，普通成像系統(tǒng)采集到的圖像會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的過飽和現(xiàn)象，無法分辨散斑圖案。因此，必須采取適當(dāng)?shù)臑V光措施。圖8（c）～圖8（f）顯示了在2600℃、不同的濾光措施下采集到的散斑圖像。

進(jìn)一步對(duì)圖8的輻射光強(qiáng)進(jìn)行分析，得到圖9所示多濾光組合與單一濾光后的光強(qiáng)對(duì)比圖，通過使用帶通濾光片，整個(gè)光譜的強(qiáng)度明顯減弱，而如果不繼續(xù)使用偏振光濾光片和減光濾光片，圖像光強(qiáng)仍然過飽和碳纖維的輻射光強(qiáng)仍然過強(qiáng)，只有通過帶通濾光片、偏振光濾光片和減光濾光片的同時(shí)使用，才能最大限度地減弱圖像光強(qiáng)，獲得清晰的散斑紋理圖像。

2.3高溫散斑圖像增強(qiáng)

高溫變形圖像采集過程中濾光片對(duì)圖像光進(jìn)行了干擾濾波，煙霧、熱流和爐內(nèi)反光問題得到了有效的解決。但是由于高溫散斑主要依靠被測(cè)物體本身及噴涂物質(zhì)之間的輻射光強(qiáng)差形成，導(dǎo)致散斑特征仍不明顯，原有的散斑相關(guān)匹配計(jì)算有時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，且由于特征不明顯導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)無法進(jìn)行顯著區(qū)分。因此，為了提高高溫散斑圖像相關(guān)匹配精度和穩(wěn)定性，需要對(duì)高溫散斑圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理。

圖像增強(qiáng)通過有選擇地突出圖像中人或機(jī)器感興趣的某些信息，抑制無用或干擾的信息，從而提高圖像的使用價(jià)值?？紤]到散斑圖案的不均勻性，使用直方圖均衡化[13]進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理。直方圖均衡化方法是圖像處理領(lǐng)域中利用圖像直方圖對(duì)對(duì)比度進(jìn)行調(diào)整的方法，這種方法通常用來增加許多圖像的局部對(duì)比度。

首先，對(duì)于一幅灰度圖像，用ni表示灰度i出現(xiàn)的次數(shù)，即圖像中灰度為i的像素出現(xiàn)概率為：

c為圖像的累計(jì)歸一化直方圖，然后根據(jù)計(jì)算出的累計(jì)直方圖分布，求出其灰度均衡化后的灰度映射關(guān)系。按照這個(gè)映射關(guān)系對(duì)源圖像各點(diǎn)像素進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換，即可完成對(duì)源圖的直方圖均衡化。

提取散斑圖中的有效測(cè)量區(qū)域進(jìn)行分析，如圖10所示。圖像灰度主要在40～150區(qū)域的能量最大。由于高溫動(dòng)態(tài)變形過程中，熱源及被測(cè)物體自身溫度并不穩(wěn)定，圖像灰度會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，線性和非線性變換中的參數(shù)選擇很難統(tǒng)一確定。因此，為了計(jì)算效率，本文在直方圖均衡化方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，以滿足高溫變形檢查的要求。

高溫變形檢測(cè)中的圖像增強(qiáng)相關(guān)匹配流程如圖11所示。為了提高高溫變形檢測(cè)過程中的相關(guān)匹配精度，在子區(qū)搜索匹配時(shí)對(duì)子區(qū)圖像進(jìn)行直方圖均衡化圖像增強(qiáng)。由于高溫散斑圖像的全幅圖像中，在灰度值[0，20]范圍內(nèi)存在峰值，進(jìn)行整幅圖像的增強(qiáng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致背景噪聲放大，本文提出高溫圖像增強(qiáng)方法的圖像增強(qiáng)范圍僅為搜索子區(qū)大小，增強(qiáng)結(jié)果不受背景噪聲的影響，增強(qiáng)效果更好，如圖12所示。

使用未變形狀態(tài)某一散斑區(qū)域?yàn)閰⒖甲訁^(qū)，在變形狀態(tài)中選取一幅圖像，通過使用圖像增強(qiáng)方法與未使用圖像增強(qiáng)坐標(biāo)均為（38，98），證明圖像增強(qiáng)并未影響相關(guān)匹配的準(zhǔn)確性。由表1可知，經(jīng)過圖像增強(qiáng)處理，最大相關(guān)值獲得了極大的提升，最大相關(guān)值增大了1.7倍，次相關(guān)值相比未增強(qiáng)匹配結(jié)果相關(guān)值有所降低，最大相關(guān)值與次相關(guān)值的差異性擴(kuò)大了4.98倍?？梢?，使用本方法相關(guān)匹配計(jì)算的穩(wěn)定性大幅提升。本文提出的高溫散斑圖像增強(qiáng)相關(guān)匹配方法可有效提高相關(guān)匹配的穩(wěn)定性，保證了算法的準(zhǔn)確性。

3高溫變形檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 2600℃超高溫碳纖維拉伸試驗(yàn)

3.1.1試驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證本文提出的高溫變形檢測(cè)方法測(cè)量的準(zhǔn)確性，同時(shí)測(cè)量計(jì)算碳纖維試件在2600℃下的力學(xué)特性，本試驗(yàn)利用高溫爐，通過在碳纖維試件上附加高電流，使試件溫度達(dá)到2600℃時(shí)，使用高溫拉力機(jī)進(jìn)行試件拉伸，通過與等效引伸計(jì)對(duì)比驗(yàn)證，并使用同批次的試件進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，驗(yàn)證測(cè)量的重復(fù)精度，評(píng)估本方法準(zhǔn)確性。

試驗(yàn)設(shè)備主要為高溫試驗(yàn)箱、高溫力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、濾光片組、一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)、三維數(shù)字圖像相關(guān)變形檢測(cè)分析系統(tǒng)軟件、三腳架以及其他輔助試驗(yàn)器材等。高溫拉伸試驗(yàn)由拉伸和溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，使用測(cè)溫儀直接測(cè)量試件表面溫度，通過溫控箱調(diào)節(jié)試件上的加熱電流值，從而進(jìn)行試件加熱的溫度閉環(huán)控制。碳纖維試件參數(shù)如圖14所示。測(cè)試試件為中心碳棒，碳纖維外圍包裹試件。

使用這些試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)試驗(yàn)，系統(tǒng)組成如圖15所示。試驗(yàn)過程為：（1）將高溫箱內(nèi)空氣抽成真空環(huán)境；（2）填充惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，防止高溫環(huán)境下試件發(fā)生氧化；（3）在試件上通上大電流，使試件升溫，通過紅外線測(cè)溫裝置，測(cè)量試件溫度，將測(cè)量的溫度反饋給溫度控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)電流值，從而形成溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)，使試件溫度升高至2600℃；（4）使用高溫力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試件拉伸試驗(yàn)，同時(shí)用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)進(jìn)行圖像采集；（5）當(dāng)試件斷裂后，關(guān)閉電流，停止數(shù)字?jǐn)z像機(jī)采集，進(jìn)行變形計(jì)算。

如圖16所示，通過測(cè)溫儀實(shí)時(shí)測(cè)量試件溫度，通過使用溫度控制系統(tǒng)改變?cè)嚰纤郊拥碾娏鞔笮。{(diào)節(jié)試件溫度。當(dāng)試件溫度達(dá)到指定溫度時(shí)，啟動(dòng)拉伸設(shè)備進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)。

如圖17所示，攝像機(jī)、鏡頭及濾光片組成的采集系統(tǒng)被放置在高溫箱外，根據(jù)高溫圖像采集技術(shù)的研究，選取合適的濾光片組將濾光片組安裝在攝像機(jī)鏡頭前進(jìn)行圖像采集。根據(jù)物質(zhì)黑體輻射理論的研究，在2600℃時(shí)試件自身的輻射光強(qiáng)度已經(jīng)使圖像亮度過飽和，所以不需要添加額外的照明光源。

3.1.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

目前，在2600℃的高溫環(huán)境下，除了本試驗(yàn)提出的檢測(cè)方法，沒有其他測(cè)量方法可以進(jìn)行比較，所以為了進(jìn)行試驗(yàn)準(zhǔn)確性的驗(yàn)證，在試驗(yàn)過程中，將拉伸夾具的夾具位移作為等效引伸計(jì)使用，與本文方法進(jìn)行比較驗(yàn)證精度，同時(shí)采用同批次的多根試件進(jìn)行重復(fù)精度的比較。其中，等效引伸計(jì)的應(yīng)變記為ei= （li- l0）/l0。

為了與等效引伸計(jì)結(jié)果進(jìn)行比較，使用測(cè)量區(qū)域的平均應(yīng)變值進(jìn)行比較。如圖18所示，試驗(yàn)開始時(shí)，拉伸夾具緊固產(chǎn)生微小的變形，從拉伸開始到試件斷裂可以分為兩個(gè)階段：（1）彈性變形階段；（2）塑性變形階段。在彈性變形階段，整個(gè)試件標(biāo)距內(nèi)各個(gè)位置處的變形基本相等，等效引伸計(jì)和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)所測(cè)量的應(yīng)變值基本一致。在塑性變形階段，在標(biāo)距段內(nèi)發(fā)生了塑性變形，因此越靠近頸縮區(qū)域，變形量越大。由于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的測(cè)量區(qū)域比等效引伸計(jì)的測(cè)量區(qū)域范圍小，位置更靠近頸縮區(qū)域，因此數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)計(jì)算獲得的應(yīng)變值要略大于等效引伸計(jì)算獲得的應(yīng)變值。根據(jù)兩種方法的結(jié)果比較可見，在彈性階段內(nèi)，兩種方法的平均應(yīng)變偏差小于200με。因此，通過數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測(cè)量所獲得的結(jié)果是真實(shí)、準(zhǔn)確的。

在圖19中，顯示了整個(gè)高溫拉伸過程中的試件變形情況。圖19（a）顯示當(dāng)試件開始進(jìn)行拉伸時(shí)，整個(gè)試件的變形處于彈性變形階段，試件在標(biāo)距段內(nèi)各個(gè)位置的變形基本均勻。圖19（b）顯示當(dāng)標(biāo)距段內(nèi)的應(yīng)變均值接近0.16%時(shí)，試件處于塑性變形階段，試件發(fā)生塑性變形，標(biāo)距段內(nèi)各個(gè)位置的變形不再均勻，應(yīng)變?cè)节吔陬i縮位置越大。圖19（c）顯示了試件斷裂瞬間，當(dāng)試件斷裂時(shí)，加熱電流中斷，試件溫度急速下降，采集圖像的光強(qiáng)降低。由圖19（c）可見，最大的變形發(fā)生在斷裂上半部分的下端，最大變形處的應(yīng)變?yōu)?.81%。

使用同一批次加工的三根試件進(jìn)行高溫拉伸，使用本文方法進(jìn)行應(yīng)變計(jì)算，比較本文檢測(cè)方法的測(cè)量重復(fù)精度，如圖20所示。

由圖20可見，整個(gè)試驗(yàn)分為三個(gè)階段，預(yù)試驗(yàn)階段試件進(jìn)行了升溫及預(yù)夾緊，以有效試驗(yàn)階段起始為基準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)大部分纖維斷裂時(shí)進(jìn)入失效階段，這時(shí)仍有部分纖維負(fù)載但是溫度開始急速下降，直至試件完全斷裂。由于每個(gè)試件裝夾時(shí)的預(yù)夾緊力存在不同及試件的加工誤差，在失效階段，試件的斷裂時(shí)刻會(huì)有所差別。使用本文方法所測(cè)量的三根同批次加工試件的變形結(jié)果曲線在有效試驗(yàn)階段基本一致，平均偏差小于100με，說明本文方法的檢測(cè)重復(fù)精度可以滿足試驗(yàn)需要。

3.2 110℃高溫蠕變?cè)囼?yàn)

3.2.1試驗(yàn)方案

在試驗(yàn)中，試驗(yàn)選取了光固化聚胺酯丙烯酸酯作為研究材料，使用紫外線固化成型，樹脂液面在高精度紫外線面光源照射下層層連續(xù)固化直到打印出相應(yīng)試樣，試樣的尺寸如圖21所示。

蠕變?cè)囼?yàn)參考ISO899-1，采用恒定重物提供持久加載力，使用紅外輻射加溫高分子試樣，同時(shí)在試樣左端處粘貼熱電偶，完成溫度的閉環(huán)控制。考慮在該溫度下黑體輻射并不強(qiáng)烈，只需保證高溫噴漆穩(wěn)定不起裂，同時(shí)減小熱氣流與反光對(duì)數(shù)字圖像相關(guān)的影響，選用一個(gè)小風(fēng)扇在高溫箱前吹風(fēng)來減小熱流影響。試樣加載采取兩端開口方式，使用繩索和滑輪將重物的力轉(zhuǎn)化為拉力。高溫箱的金屬腔內(nèi)兩側(cè)有通孔，一方面是為各種信號(hào)線留有位置，另一方面為方便傳力機(jī)構(gòu)的進(jìn)出留下足夠空間，同時(shí)在前方開口，以便于高溫蠕變?cè)囼?yàn)中數(shù)字圖像處理與蠕變應(yīng)變監(jiān)測(cè)。在工業(yè)相機(jī)CCD前卡口處加裝450nm帶通濾波片，但試驗(yàn)并沒有帶來明顯改善，故而舍去。然后用線性偏振片覆蓋相機(jī)鏡頭，偏振片偏光率為99.99%，可以抑制由于高溫下氣流流動(dòng)帶來的光路的雜亂信息和玻璃表面的反光。最后，在高溫箱左前方放置一個(gè)小電風(fēng)扇，抑制高溫下外表面玻璃處加熱空氣引起光路偏折。結(jié)果表明，以上措施可以顯著降低數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）的誤差。

蠕變?cè)囼?yàn)環(huán)境溫度為110℃，蠕變載荷設(shè)置5個(gè)水平，分別為0.131MPa、0.313MPa、0.471MPa、0.890MPa、1.12MPa，試驗(yàn)前將試樣在高溫中110℃保持20min，以使試樣得到充分的熱平衡，然后掛載試樣6000s，并使用DIC計(jì)算試樣表面應(yīng)變。高溫蠕變?cè)囼?yàn)如圖22所示。

為了將DIC得到的平均應(yīng)變與應(yīng)變片數(shù)據(jù)作對(duì)比，驗(yàn)證DIC在短時(shí)間內(nèi)的準(zhǔn)確性和應(yīng)變片在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的可靠性，在110℃條件下在試樣后端貼上高溫應(yīng)變片。試驗(yàn)所用的應(yīng)變片為中航電測(cè)儀器股份有限公司所產(chǎn)的高溫電阻應(yīng)變計(jì)BA120-3AA，電阻值為120.6Ω，靈敏系數(shù)為2.10，使用惠斯通1/4橋電路來去除應(yīng)變片的熱輸出干擾。

3.2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

在110℃、0.131MPa下使用DIC和應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變，分別得到DIC計(jì)算的試樣平均應(yīng)變與電阻式應(yīng)變片得到的應(yīng)變，如圖23所示。

工業(yè)相機(jī)成像中散斑像素點(diǎn)總會(huì)受到一些折射衍射光線的干擾，DIC由于算法的特殊性，在識(shí)別散斑過程也存在一些微小的偏差和截?cái)嗾`差，因此DIC計(jì)算的應(yīng)變存在一些波動(dòng)性，但波動(dòng)范圍較小。在最大應(yīng)變?yōu)?.7%時(shí)，應(yīng)變的上下波動(dòng)為0.03%，這是由于試樣在紅外加熱下熱應(yīng)變的復(fù)雜性所致，DIC的精度在長(zhǎng)期范圍內(nèi)是可以保證的。

由圖24可知，材料在高溫下表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)力相關(guān)性，應(yīng)力升高會(huì)顯著提高其蠕變應(yīng)變速度，同時(shí)材料從蠕變初始階段到蠕變穩(wěn)態(tài)階段所需的時(shí)間也有了部分提高，在0.131MPa下材料的蠕變變形很小，減速蠕變階段在加載后的數(shù)分鐘內(nèi)就已經(jīng)結(jié)束而進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段。這種轉(zhuǎn)變也很迅速，在1.12MPa下，材料在2000s時(shí)其蠕變應(yīng)變逐漸減小，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)蠕變階段，而此時(shí)的累積應(yīng)變已經(jīng)達(dá)到4.6%左右，蠕變轉(zhuǎn)變階段的應(yīng)變時(shí)間和大小均有明顯的改變。另外，這表明蠕變過程中由于溫度的提升造成材料蠕變速率的加快，同時(shí)材料逐步由脆性向韌性轉(zhuǎn)變。結(jié)果表明，利用本文所提出的方法，可以很好地對(duì)蠕變進(jìn)行測(cè)量，保證了蠕變測(cè)量的精度和有效性。

4結(jié)論

本文主要研究了高溫變形檢測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)，分析研究了高溫變形檢測(cè)中的關(guān)鍵問題，建立了一種高溫變形檢測(cè)方法。針對(duì)高溫環(huán)境普通散斑無法穩(wěn)定存在的問題，提出了一種新的高溫散斑制備方法。

針對(duì)原有散斑制備方法所制備的散斑無法在2000℃以上高溫中穩(wěn)定存在的問題，提出了一種等離子噴涂散斑制備方法，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證所制備散斑可以承受2600℃的高溫，且制備過程不會(huì)影響試件力學(xué)性能。

本文提出了一種高溫輻射光強(qiáng)過飽和圖像采集方法，通過使用濾光片組實(shí)現(xiàn)了高溫變形中的圖像有效采集，而獲得清晰的高溫散斑紋理圖像。并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了可以有效過濾高溫物體輻射對(duì)采集圖像的影響，結(jié)合高溫散斑制備方法獲得了較為清晰的散斑紋理圖像。同時(shí)，本文還提出了一種基于高溫散斑圖像增強(qiáng)的相關(guān)匹配方法。針對(duì)高溫散斑圖像特征模糊，相關(guān)計(jì)算不穩(wěn)定的問題，通過進(jìn)行高溫散斑圖像增強(qiáng)，改進(jìn)了高溫散斑圖像相關(guān)匹配方法。通過試驗(yàn)驗(yàn)證表明，通過高溫散斑圖像增強(qiáng)相關(guān)匹配，匹配結(jié)果準(zhǔn)確，且最大相關(guān)值增大了1.7倍，最大相關(guān)值與次相關(guān)值的差異性擴(kuò)大了4.98倍，有效提高相關(guān)匹配的穩(wěn)定性，保證了算法的準(zhǔn)確性。

通過2600℃下的高溫變形測(cè)量試驗(yàn)和110℃下進(jìn)行了3D打印高分子材料的高溫蠕變?cè)囼?yàn)，驗(yàn)證了本文所提出的高溫變形檢測(cè)方法的高溫散斑制備、高溫輻射光強(qiáng)過飽和圖像采集和高溫弱相關(guān)散斑圖像匹配方法的可行性。通過比較測(cè)量結(jié)果可知，本文提出方法所測(cè)得的變形應(yīng)變信息與等效引伸計(jì)基本一致。在彈性階段內(nèi)，兩種方法的平均應(yīng)變偏差小于200με。通過同一批次加工的多個(gè)試件的重復(fù)測(cè)量得出，本文提出方法的多次測(cè)量平均偏差小于100με。

參考文獻(xiàn)

[1]羅楚養(yǎng)，張朋，李偉東，等.高溫復(fù)合材料在空空導(dǎo)彈上的應(yīng)用研究[J].航空科學(xué)技術(shù)， 2017，28（1）：19-24. Luo Chuyang， Zhang Peng， Li Weidong， et al. Application research of high temperature composite on airborne missile[J]. Aeronautical Science & Technology， 2017， 28（1）：19-24.（in Chinese）

[2]Cline J E. Development of ultra-high temperature material characterization capabilities using digital image correlation analysis[D]. Arlington：The University of Texas at Arlington，2011.

[3]Song J L，Yang J H，Liu F J，et al. Ultra-high temperature mechanical property test of C/C composites by a digital image correlation method based on an active laser illumination and background radiation suppressing method with multi-step filtering[J].Applied Optics，2019，58（24）：6569-6580.

[4]Xu C，Meng S，Jin H，et al. Modified double-notched specimen for ultra-high temperatures shear-strength testing of carbon/carbon composites[J]. Journal of the European Ceramic Society，2019，39（15）：4654-4663.

[5]柴葳，郝慶瑞，寶劍光.光纖溫度/應(yīng)變復(fù)合傳感器及其在800℃高溫下的應(yīng)用[J].航空科學(xué)技術(shù)， 2020， 31（2）：69-74. Chai Wei， Hao Qingrui， Bao Jianguang. Integrated optical fiber temperature/strain sensor subjected to the 800℃conditions[J]. Aeronautical Science & Technology， 2020， 31（2）： 69-74.（in Chinese）

[6]VolklR，F(xiàn)ischerB.Mechanicaltestingofultra-high temperature alloys[J]. Experimental Mechanics，2004，44（2）：121-127.

[7]Lyons J S，Liu J，Sutton M A. High-temperature deformation measurements using digital-image correlation[J]. Experimental Mechanics，1996，36（1）：64-70.

[8]Pan B，Xie H M，Hua T，et al. Measurement of coefficient of thermal expansion of films using digital image correlation method[J]. Polymer Testing，2009，28（1）：75-83.

[9]Grant B M B，Stone H J，Withers P J，et al. High-temperature strain field measurement using digital image correlation[J]. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design，2009，44（4）：263-271.

[10]潘兵，吳大方，高鎮(zhèn)同，等. 1200℃高溫?zé)岘h(huán)境下全場(chǎng)變形的非接觸光學(xué)測(cè)量方法研究[J].強(qiáng)度與環(huán)境， 2011， 38（1）：52-59. Pan Bing， Wu Dafang， Gao Zhentong， et al. Research on noncontactopticalmeasurementmethodofwholefield deformation in 1200℃high temperature thermal environment[J]. Structure & Environment Engineering， 2011， 38（1）： 52-59.（in Chinese）

[11]劉寧夫，蔣軍亮，田敏.數(shù)字圖像相關(guān)法在平板熱屈曲試驗(yàn)中的應(yīng)用研究[J].航空科學(xué)技術(shù)， 2019，30（9）：112-117. Liu Ningfu， Jiang Junliang， Tian Min. Application of digital image correlation method in plate thermal buckling test[J]. Aeronautical Science &Technology， 2019， 30（9）： 112-117.（in Chinese）

[12]王翔.高速高溫?cái)?shù)字圖像相關(guān)方法及熱沖擊試驗(yàn)研究[D].北京：清華大學(xué)， 2010.Wang Xiang. High-speed and high-temperature digital image correlation method and thermal shock experiment research[D]. Beijing： Tsinghua University， 2010. （in Chinese）

[13]任艷斐.直方圖均衡化在圖像處理中的應(yīng)用[J].科技信息， 2007（4）：37-38.Ren Yanfei. Application of histogram equalization in image processing[J]. Science and Technology Information， 2007（4）： 37-38. （in Chinese）

Research on High Temperature Optical Deformation Measurement Method Based on Digital Image

Qin Qiang1，Zhang Xiangyu2，3，Guo Xiang2，Zhang Chao2

1. AVIC Aircraft Strength Research Institute，Xian 710012，China 2. School of Aeronautics，Northwestern Polytechnical University，Xian 710012，China 3. Hiwing Aviation General Equipment Co.，Ltd.，Beijing 100074，China

Abstract： With the rapid development of aerospace vehicles， accurate measurement of deformation of hightemperature structure becomes more and more important， while traditional optical measurement methods face the problems of image texture blur and gray concentration at ultra-high temperatures， the stabilization of speckle and stable image acquisition can effectively improve the accuracy of strain measurement. In this study， the tungsten powder is used with plasma spraying methods to realize the stabilization of speckle at 2600℃. Then the black body radiation intensity of metal tungsten and carbon fiber material in the visible light range is compared， which showns that the obvious difference in radiation at 450nm can produce clear scattering texture. Bandpass filters， linear polarizers， and light-reducing films are used to suppress strong radiation sources and irrelevant light pollution， indicating that it can be applied to image acquisition under ultra-high temperatures. An improved gray-level homogenization method is used to solve the problem that the gray information is not obvious at high temperature. The comparison of the measurement results from the high temperature 2600℃tensile experiment shows that the deformation and strain information measured by the method proposed in this paper is basically consistent with the equivalent extensometer. In the elastic stage， the average strain deviation by the two methods is less than 200με. And through repeated measurement of multiple specimens processed in the same batch， it can be seen that the average deviation of multiple measurements of the method proposed in this paper is less than 100με. Finally， a creep experiment was carried out at 110°C. The creep behavior of 3D printing polymer materials at high temperatures was measured using high-temperature spray paint and linear filters. The accuracy and effectiveness of the proposed method in terms of high temperature creep are verified.

Key Words： high temperature mechanical properties； digital image； high temperature deformation； high temperature creep； high temperature speckle image enhancement