CCD在材料形变测量中的应用

　　一、引言

　　20世纪80年代以来,碳纤维及其复合材料作为先进的结构、功能材料,不仅正在取代或部分取代金属材料及非金属材料,而且还使过去无法解决的许多技术关键问题得以解决。碳/碳复合材料除了承受超高温之外,还要承受高速气流、瞬态高速粒子流冲刷、高压等多种苛刻工况的耦合作用,在复杂环境下,碳/碳复合材料的宏、微观性能将发生什么变化,微结构如何演化,这些过程将对结构的强度、安全性产生什么影响,是工程设计人员关心的重要问题。因此,对高温载荷下复合材料变形规律的测量就变的非常关键了。为了解决这一工程实际问题,我们选用了视觉坐标测量的方法。

　　二、系统的工作原理及设计

　　1.系统的基本工作原理

　　形变检测系统原理如图1所示,被测试件为碳/碳复合材料,试件被插入的合作目标为铼钨丝。当碳/碳试件被加热到1500℃~2500℃时,由于复合材料试件本身热致发光,铼钨丝被照亮,通过光学成像系统,两台CCD摄像机分别采集到铼钨丝的亮条纹图像。这时对试件加载,直至拉断。碳/碳复合材料试件在高温加载下的形变即反映到合作目标铼钨丝的移动上,而铼钨丝的移动情况被CCD摄像机所实时记录并采集到计算机的内存中。对这些连续图像通过图像处理,准确提取边缘,把边缘当点作特征点,实时监控特征点的移动。把特征点的移动数值进行当量换算后,得到碳/碳试件的形变参数,从而达到对碳/碳复合材料在高温下的力学性能进行分析的目的。

　　2.系统构成

　　(1)光学成像系统:由光学透镜组、光栏、偏振片、中心波长为0.632μm的窄带滤波片组成,加入窄带滤波片的目的是为了消除大量红外线对CCD摄像机的影响。

　　(2)CCD摄像机:该器件采用索尼公司生产的BP-330数码摄像机,该摄像机具有752个水平像素、582个垂直像素,8.466×10-3m行间变换。

　　(3)机械空间调整机构:包括激光瞄准机构、横向位移调整机构、纵向位移调整机构、物象位置调整机构。

　　(4)图像视频信号计算机处理系统:图像采集卡选用PCR-XR视频采集卡。系统机选用工业控制计算机。配套软件采用自行开发的专用视频图像采集处理程序。

　　3.光路设计

　　测量系统中试件上的合作目标铼钨丝是通过碳/碳复合材料试件高温下热致发光所照亮的,故成像质量的好坏将决定着系统的检测精度。为了获得较好的成像质量,我们采用了物镜聚焦方式,用双胶合透镜以减小或消除可能产生的像差。为了保证精度,选用定焦镜头,景深范围小,成像系统的放大倍数保持不变,使像平面与CCD光敏面很好地重合。同时在像方焦点设置孔径光栏,实现物方远心光路。由于视野很小,为了快速使合作目标落入视野中,我们在镜头筒外壁设计了一套激光瞄准机构。