激光散斑辅助的单相机热变形仪，用于同步全场温度和变形测量

《Optics & Laser Technology》：Laser speckle–assisted single-camera thermo-deformeter for synchronous full-field temperature and deformation measurement

同步高温热变形测量方法研究及其系统实现

　　

于丽萍|冯立国|贾亮|潘冰

北京航空航天大学航空科学与工程学院力学与结构完整性国家重点实验室，中国北京100191

摘要

在热机械测试中，准确表征材料的热机械性能需要同时测量样品表面的温度和变形。在这项工作中，我们提出了一种新型的高温热变形仪，它结合了同轴蓝激光散斑成像技术用于变形测量，以及分色成像技术用于温度测量。一个定制的分色模块（由三波段滤光片和3CCD彩色相机组成）将入射光分离到三个独立的成像传感器上。蓝色通道记录激光散斑图像，用于基于数字图像相关性（DIC）的变形测量，而红色和绿色通道则用于双色比热测量以获取温度。这种配置确保了温度和变形数据在空间和时间上的同步，无需额外的对准步骤。此外，该系统采用同轴光路，蓝激光在试样表面直接生成稳定的散斑图案，消除了人工制备散斑的需求，并提高了对强热辐射的抵抗力。包括室温下的拉伸测试、高温拉伸测试以及热膨胀测试在内的实验验证了该系统的有效性和准确性。所开发的系统为耦合温度-变形测量提供了一种紧凑且准确的解决方案，特别适用于在炉子或真空室等封闭环境中对高温材料进行热机械测试。

引言

随着对极端热条件下高可靠性结构需求的增加，超合金、陶瓷和碳-碳复合材料等高温材料在航空航天、核能和能源应用中的使用越来越广泛。这些材料的发展和改进需要对其在极端热条件下的热机械行为进行精确表征[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。例如，航空发动机的涡轮叶片可能会遇到超过1500°C的气体温度，而高超音速飞行器（如实验性火箭滑翔机）的速度可达到马赫20，其前沿温度超过2000°C [1]、[2]。因此，准确确定高温材料的热力学和基本性能（如热膨胀系数（CTE）、弹性模量和泊松比）对于材料设计、寿命预测和结构安全评估至关重要[6]、[7]。这些性能通常通过结合温度测量的机械测试来获得，这需要在受控加热条件下精确评估变形。在高温环境中，温度变化直接影响机械性能、微观结构演变和损伤机制。因此，精确且同步的变形和温度测量对于可靠地表征极端环境下的材料性能和机械行为至关重要。

在热机械测试中，可以使用接触式和非接触式技术来测量温度和变形。接触式方法包括夹装式高温伸长计[8]、[9]、高温应变计[10]、[11]和热电偶，这些方法相对容易实施，但存在固有的局限性。例如，应变计和伸长计在高温下通常会显著降低精度甚至完全失效。此外，它们所需的机械接触可能会干扰局部热场，使得这些技术不适用于脆弱或小尺寸的试样，因为即使是微小的接触力也可能引入关键的应力集中并引发过早失效。这些缺点促使人们采用非接触式光学方法，特别是数字图像相关性[12]、[13]、[14]、[15]、[16]，这些方法能够实现全场、无损的变形测量。

由于在解决高温DIC的主要挑战（如强烈的热辐射、稳定高温散斑图案的制备以及热雾失真[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]）方面的持续研究努力，这种技术已成为应变测量的主流方法，因为它具有灵活性、准确性和适应多种测试条件的能力。这项技术还促进了各种基于图像的高温变形测量系统的发展，这些系统能够在高温下甚至超过2000°C的实验室条件下运行[14]、[19]、[24]、[25]。然而，现有系统仍存在一些关键限制：1）它们主要提供变形测量，而不集成温度传感；2）当推导热机械参数时，温度和变形由单独的传感器记录（例如，高温视频伸长计和红外测温仪），导致空间-时间不对准；3）加热过程中产生的热膨胀应变与机械引起的应变叠加，使得应变分离变得复杂。这些挑战突显了需要一种能够真正同步测量温度和变形的紧凑型高温热变形仪。

为了克服这些挑战，已经开发了同步测量温度和变形的方法，包括将高温DIC与非接触式全场温度测量技术（如红外热成像（IRT）[26]、[27]、[28]、分色测温[29]、[30]、[31]和热成像荧光测温（TPT）[32]）相结合。然而，每种方法都有其固有的局限性。具体来说，IRT对表面发射率的变化、氧化以及周围热组件的反射非常敏感，而TPT虽然提供了高灵敏度的温度测量，但在大变形情况下适用性较差，测量范围也有限。相比之下，将分色测温与DIC结合提供了一种成本效益高的解决方案，具有高测量频率和分辨率。例如，3CCD彩色相机[30]可以在专用传感器上执行光谱分离，借助红外测温仪同时测量温度和变形，从而提高系统的紧凑性并降低成本。在这种配置中，一个光谱带用于散斑成像，另外两个光谱带用于温度测量，并配合红外测温仪进行温度校准。尽管有这些优势，这类系统在高温实验中仍面临关键限制。首先，传感器量子效率曲线的重叠会在子图像中产生颜色串扰，而通道的宽光谱范围会导致与分色测温采用的窄带近似偏离。其次，DIC所需的散斑图案在空间和光谱上引入了不均匀的发射率，从而干扰了使用分色测温进行精确的温度测量。

在这项工作中，我们通过结合同轴蓝激光散斑照明和分色成像技术，开发了一种紧凑型高温热变形仪，以实现同步的温度和变形测量。同轴蓝激光照明在试样表面直接生成稳定、高对比度的散斑图案[33]，消除了人工制备散斑的需求。一个定制的分色光学模块将蓝色通道专门用于通过DIC进行变形测量，而红色和绿色通道记录热辐射，用于双色比热测量，从而确保了精确的空间-时间同步，没有交叉干扰。这种配置在开放场和封闭窗口的高温实验中都具有高精度、稳健性和适应性，特别适用于极端环境下的先进材料表征。包括室温拉伸测试、热膨胀测试和高温拉伸测试在内的实验验证了所开发系统的有效性和准确性。

系统开发

图1展示了基于同轴激光散斑和分色成像的高温热变形仪的示意图。成像模块主要由物侧远心镜头、蓝激光源、三波段带通滤光片（中心波长：457、530和628纳米；带宽：22、20和28纳米）、3CCD相机、平面镜、分光镜和笔记本电脑组成。蓝激光通过平面镜照射到试样表面

实验细节

为了评估所开发系统在应变测量方面的准确性，在室温下设计并进行了单轴拉伸测试。实验装置如图4(a)所示。选择了标准6061-T6铝合金作为测试材料，测试试样为宽20毫米、厚2毫米的狗骨型试样。成像系统包括物侧远心镜头（XF-MT0.27X510，Zhonghe Hangxun Technology Co., Ltd.，中国）、蓝激光源

实验细节

为了验证所提出技术的有效性和实用性，在镍基超合金（类型：GH4169）上进行了热膨胀和高温拉伸测试。图8(a)显示了在高温炉中同时测量温度和应变的实验装置。样品的测量部分长度为50毫米，宽度为12毫米，厚度为2毫米。加热过程中捕获的代表性图像包括原始彩色图像

讨论与结论

在这项工作中，开发了一种紧凑型激光散斑辅助的单相机热变形仪，它结合了同轴蓝激光散斑成像和分色测温技术，实现了完全同步的变形和温度测量。该系统使用三波段滤光片和3CCD相机，其中蓝色通道支持基于DIC的变形分析，红色/绿色通道提供双色比热测量，确保了精确的空间-时间对齐，无需额外步骤

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2024YFA1612300）、国家自然科学基金（52527901、12572204）、中国航空工业集团有限公司极端环境机械响应测试联合技术中心以及中央高校基本科研业务费的支持。