一种同步冲击加载、变形场和二维温度场原位测量系统技术方案

本发明专利技术公开的一种同步冲击加载、变形场和二维温度场原位测量系统，属于高速冲击载荷下材料动态力学性能表征领域。本发明专利技术包括高精度光编码时间表达模块、高速红外测温模块、二向分光光学模块、高速摄像模块和冲击加载模块。所述高速红外测温模块包括红外光学子模块、面阵式高速红外探测器和红外视场耦合装置。本发明专利技术利用光信号时间编码和面阵红外测温模块分别在高速摄像动态视场内和二维红外测温视场内标记高精度时间信号，通过解析采集图像时的时刻信息实现变形场和温度场的采集图像的时刻匹配，实现冲击加载、二维温度场测量和变形场测量的高精度时序同步，进而实现材料冲击加载下的变形场和二维温度场的高精度时序同步测量。测量。测量。

【技术实现步骤摘要】
一种同步冲击加载、变形场和二维温度场原位测量系统


[0001]本专利技术涉及到一种同步冲击加载、变形场和二维温度场原位测量系统，尤其涉及一种基于可见光和红外光时间编码器的分离式霍普金森实现加载、高速摄像模块同步观测变形与高速红外测温模块同步测温的实验系统，属于高速冲击载荷下材料动态力学性能表征领域。

技术介绍

[0002]在爆炸、冲击、高速切削等动态场景中，材料在高速冲击加载下会产生与静态加载或准静态加载不同的复杂失效行为，研究材料动态失效过程中的变形过程与失效机理成为固体力学方向中的研究热点之一，对于评估材料动态力学性能具有重要的科学意义和工程实用价值。区别于静态或准静态加载，材料在动态冲击载荷下失效过程是力和热相耦合的过程，高应变率下材料内部塑性功转化为大量热量引起绝热温升，进而影响材料的力学性能，使得难以使用静态强度准确评估材料的动态性能。因此，必须开展时空同步的高速红外温度测量和变形测量实验，以深入研究材料动态加载下的变形失效机理与动态强度。
[0003]目前有少数研究者采用高速摄像机和高速红外测温仪器或商用高速红外相机实现对动态加载下材料失效行为的观测，测量了材料动态失效过程中的加载力、变形场和温度场的演化。但由于某些材料的动态失效过程中产生的塑性变形区域宽、变形梯度大、失效过程时间极短，而现有测试系统无法同时实现高精度的1μs时间分辨率的二维温度场和变形场信息的同步测量，使得现有设备在研究材料动态载荷下动态行为时具有一定局限性。而且在同时使用高速摄像机和高速红外测温仪器时，由于两个设备存在不同的且随机的采集响应时差，变形场信息和温度场信息难以实现同步测量，使得无法实现1μs时间分辨精度下的冲击加载、变形场测量和二维温度场测量。

技术实现思路

[0004]为解决同步冲击加载、变形场观测和红外温度测量存在的下述问题：无法实现1μs时间分辨精度下的冲击加载、变形场和二维温度场观测的问题。本专利技术主要目的是提供一种同步冲击加载、变形场和二维温度场原位测量系统，利用光信号时间编码和面阵红外测温模块分别在高速摄像动态视场内和二维红外测温视场内标记高精度时间信号，通过解析采集图像时的时刻信息实现变形场和温度场的采集图像的时刻匹配，实现冲击加载、二维温度场测量和变形场测量的高精度时序同步，进而实现材料冲击加载下的变形场和二维温度场的高精度时序同步测量，用于提高对材料的动态失效机理和动态强度的评估精度和效率。
[0005]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。
[0006]本专利技术公开的一种同步冲击加载、变形场和二维温度场原位测量系统，包括高精度光编码时间表达模块、高速红外测温模块、二向分光光学模块、高速摄像模块和冲击加载模块。
[0007]所述高速红外测温模块和高速摄像模块分列在冲击加载模块两侧。
[0008]所述二向分光光学模块位于高速红外测温模块和冲击加载模块之间。
[0009]所述高速摄像模块包括高速摄像机、第一镜头、第二镜头、可见光视场耦合装置、第一高亮闪光灯和第二高亮闪光灯。所述第一镜头用于收集试样表面光线。所述第二镜头用于采集可见光高精度编码信号。所述可见光视场耦合装置包括分光棱镜和同轴分光转接装置。所述分光棱镜位于高速摄像机和第一镜头之间，实现将所述可见光高精度编码信号耦合进高速摄像模块视场。所述同轴分光转接装置用于安装所述分光棱镜和所述第一镜头和第二镜头。
[0010]所述高精度光编码时间表达模块包括可见光时间编码信号产生单元和红外光时间编码信号产生单元。所述高精度光编码时间表达模块用于产生可见光高精度时间编码信号和红外光高精度时间编码信号。所述可见光时间编码信号产生单元位于高速摄像模块一侧；所述红外光时间编码产生单元位于高速红外测温模块一侧。所述可见光时间编码信号产生单元由第一高频时序编码信号驱动电路和可见光光源集成阵列组成。所述可见光光源集成阵列与所述第一高频驱动电路通过插接方式连接，实现自由替换不同功率、不同数量和不同排布的可见光光源阵列以适应不同采集场景。所述第一高频时序编码信号驱动电路具有5个以上高频电信号输出端口，每个端口输出电信号为周期变换方波信号。从1号端口开始输出电信号周期以二进制规律依次递增，形成电信号的二进制编码，编码方式选择二进制码或格雷码。所述第一高频时序编码信号驱动电路的每一个电信号输出端口与可见光光源阵列上的光源一一对应。对于任何一个端口输出的电信号，高电平时，可见光光源为高亮状态；低电平时，可见光光源为不亮状态；高电平转换为低电平时，可见光光源由亮转换为不亮；反之，可见光光源由不亮转换为亮。所述可见光光源集成阵列的光源亮/灭的状态与所述第一高频时序编码信号驱动电路输出电信号的高/低电平呈现映射关系，实现将所述第一高频时序编码信号驱动电路的二进制编码电信号转换为所述可将光光源集成阵列的光信号的二进制编码。不同时间下，可见光光源具有不同的亮/灭的状态，进而实现可见光信号对时间的二进制高精度编码表示。所述红外光时间编码信号产生单元由第二高频时序编码信号驱动电路和红外光光源集成阵列组成。所述红外光光源集成阵列与所述第二高频驱动电路通过插接方式连接，实现自由替换不同功率、不同数量和不同排布的红外光光源阵列以适应不同采集场景。所述第二高频时序编码信号驱动电路具有5个以上高频电信号输出端口，每个端口输出电信号为周期变换方波信号。从1号端口开始输出电信号周期以二进制规律依次递增，形成电信号的二进制编码，编码方式可选择二进制码或格雷码。所述第二高频时序编码信号驱动电路的每一个电信号输出端口与可见光光源阵列上的光源一一对应。对于任何一个端口输出的电信号，高电平时，红外光光源为高亮状态；低电平时，红外光光源为不亮状态；高电平转换为低电平时，红外光光源由亮转换为不亮；反之，红外光光源由不亮转换为亮。所述红外光光源集成阵列的光源亮/灭的状态与所述第二高频时序编码信号驱动电路输出电信号的高/低电平呈现映射关系，实现将所述第二高频时序编码信号驱动电路的二进制编码电信号转换为所述可将红外光光源集成阵列的光信号的二进制编码。不同时间下，可见光光源具有不同的亮/灭的状态，进而实现红外光信号对时间的二进制高精度编码表示。所述可见光时间编码产生单元用于实现二进制编码光信号的闪烁周期调节，进而实现不同时间精度的可见光光编码信息表达。所述红外光时间编码产生单
元用于实现二进制编码光信号的闪烁周期调节，进而实现不同时间精度的红外光编码信息表达。
[0011]所述高速红外测温模块包括红外光学子模块、面阵式高速红外探测器和红外视场耦合装置。所述红外光学子模块用于收集与传递被测物体变形过程中辐射出的红外信号和红外光编码时刻信号，由1
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反射式光路和平面反射镜组成。所述面阵式高速红外探测器用于采集二维红外温度图像。所述红外视场耦合装置用于将所述红外光高精度编码信号微型化传输并实现空间阵列排布。所述红外视场耦合装置包括多合一合束光纤和光纤耦合镜。
[0012]所述二向分光光学模块用于实现将物体表面辐射的红外光传输到高速红外测温模块视场、实现光编码信号的同步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种同步冲击加载、变形场和二维温度场原位测量系统，其特征在于：包括高精度光编码时间表达模块、高速红外测温模块、二向分光光学模块、高速摄像模块和冲击加载模块；所述高速红外测温模块和高速摄像模块分列在冲击加载模块两侧；所述二向分光光学模块位于高速红外测温模块和冲击加载模块之间；所述高速摄像模块包括高速摄像机、第一镜头、第二镜头、可见光视场耦合装置、第一高亮闪光灯和第二高亮闪光灯；所述第一镜头用于收集试样表面光线；所述第二镜头用于采集可见光高精度编码信号；所述可见光视场耦合装置包括分光棱镜和同轴分光转接装置；所述分光棱镜位于高速摄像机和第一镜头之间，实现将所述可见光高精度编码信号耦合进高速摄像模块视场；所述同轴分光转接装置用于安装所述分光棱镜和所述第一镜头和第二镜头；所述高精度光编码时间表达模块包括可见光时间编码信号产生单元和红外光时间编码信号产生单元；所述高精度光编码时间表达模块用于产生可见光高精度时间编码信号和红外光高精度时间编码信号；所述可见光时间编码信号产生单元位于高速摄像模块一侧；所述红外光时间编码产生单元位于高速红外测温模块一侧；所述可见光时间编码信号产生单元由第一高频时序编码信号驱动电路和可见光光源集成阵列组成；所述可见光光源集成阵列与所述第一高频驱动电路通过插接方式连接，实现自由替换不同功率、不同数量和不同排布的可见光光源阵列以适应不同采集场景；所述第一高频时序编码信号驱动电路具有5个以上高频电信号输出端口，每个端口输出电信号为周期变换方波信号；从1号端口开始输出电信号周期以二进制规律依次递增，形成电信号的二进制编码，编码方式选择二进制码或格雷码；所述第一高频时序编码信号驱动电路的每一个电信号输出端口与可见光光源阵列上的光源一一对应；对于任何一个端口输出的电信号，高电平时，可见光光源为高亮状态；低电平时，可见光光源为不亮状态；高电平转换为低电平时，可见光光源由亮转换为不亮；反之，可见光光源由不亮转换为亮；所述可见光光源集成阵列的光源亮/灭的状态与所述第一高频时序编码信号驱动电路输出电信号的高/低电平呈现映射关系，实现将所述第一高频时序编码信号驱动电路的二进制编码电信号转换为所述可将光光源集成阵列的光信号的二进制编码；不同时间下，可见光光源具有不同的亮/灭的状态，进而实现可见光信号对时间的二进制高精度编码表示；所述红外光时间编码信号产生单元由第二高频时序编码信号驱动电路和红外光光源集成阵列组成；所述红外光光源集成阵列与所述第二高频驱动电路通过插接方式连接，实现自由替换不同功率、不同数量和不同排布的红外光光源阵列以适应不同采集场景；所述第二高频时序编码信号驱动电路具有5个以上高频电信号输出端口，每个端口输出电信号为周期变换方波信号；从1号端口开始输出电信号周期以二进制规律依次递增，形成电信号的二进制编码，编码方式可选择二进制码或格雷码；所述第二高频时序编码信号驱动电路的每一个电信号输出端口与可见光光源阵列上的光源一一对应；对于任何一个端口输出的电信号，高电平时，红外光光源为高亮状态；低电平时，红外光光源为不亮状态；高电平转换为低电平时，红外光光源由亮转换为不亮；反之，红外光光源由不亮转换为亮；所述红外光光源集成阵列的光源亮/灭的状态与所述第二高频时序编码信号驱动电路输出电信号的高/低电平呈现映射关系，实现将所述第二高频时序编码信号驱动电路的二进制编码电信号转换为所述可将红外光光源集成阵列的光信号的二进制编
码；不同时间下，可见光光源具有不同的亮/灭的状态，进而实现红外光信号对时间的二进制高精度编码表示；所述可见光时间编码产生单元用于实现二进制编码光信号的闪烁周期调节，进而实现不同时间精度的可见光光编码信息表达；所述红外光时间编码产生单元用于实现二进制编码光信号的闪烁周期调节，进而实现不同时间精度的红外光编码信息表达；所述高速红外测温模块包括红外光学子模块、面阵式高速红外探测器和红外视场耦合装置；所述红外光学子模块用于收集与传递被测物体变形过程中辐射出的红外信号和红外光编码时刻信号，由1
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反射式光路和平面反射镜组成；所述面阵式高速红外探测器用于采集二维红外温度图像；所述红外视场耦合装置用于将所述红外光高精度编码信号微型化传输并实现空间阵列排布；所述红外视场耦合装置包括多合一合束光纤和光纤耦合镜；所述二向分光光学模块用于实现将物体表面辐射的红外光传输到高速红外测温模块视场、实现光编码信号的同步传输，并实现滤除高速红外测温模块视场中的高亮闪光灯的光干扰；所述红外光学子模块与所述二向色分光光学模块各自完成装配后，光轴处于同轴状态，以实现红外光编码信号能够按照预设要求耦合进面阵式红外探测器视场。2.如权利要求1所述的一种同步冲击加载、变形场和二维温度场原位测量系统，其特征在于：在所述二向分光光学模...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈浩森，伊凯，朱盛鑫，方岱宁，杨恒，曾庆磊，齐伟，崔基旺，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：