CN108375502A - 基于高速红外测温装置测量绝热剪切温升的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于高速红外测温装置测量绝热剪切温升的方法，利用高速红外测温装置在动态加载实验过程中对试样绝热剪切带的温度变化进行测量，通过温度‑时间以及载荷‑时间的同步，最终获得试样发生绝热剪切过程中剪切区域的载荷‑位移变化情况，载荷‑温度‑时间变化情况。本发明通过高速红外测温装置结合Hopkinson压杆实验系统，阐述了一种利用高速红外测温装置测量试样发生绝热剪切变形过程中的温度变化情况。所提出的基于高速红外测温装置测量绝热剪切温升的实验方法能够弥补现有实验技术中缺少对试样绝热剪切变形过程中的温度变化进行原位测量的不足，实现了在动态加载实验条件下利用阵列式探元的高速红外测温装置测量绝热剪切温升。

Description

基于高速红外测温装置测量绝热剪切温升的方法

技术领域

本发明涉及红外测温和动态加载领域，具体涉及一种基于高速红外测温装置测量实验试样在冲击载荷下发生绝热剪切变形时剪切区域的绝热剪切温度变化情况的方法。

背景技术

高速红外测温技术具有非接触式测量、响应频率快、测温范围宽的特点，在工业、地球物理科学、航空航天以及医疗卫生等领域得到广泛应用。

物体在变形过程中往往伴随着能量变化，研究表明大部分固体金属材料发生变形产生的能量以红外形式向外散发。尤其在冲击、侵彻以及爆炸等情况下，物体变形表现出短历时、高强度和高应变率等有别于准静态变形的特点。材料在受到冲击载荷作用时，由于变形时间非常短暂，大量的塑性功来不及向外散失，表现为在局部变形区域内有剧烈温度上升的现象称为“绝热剪切”现象。

高速红外测温装置能够将接受到的试样表面红外辐射信号并转变为电压信号，英国学者J.Harding在《measurement science and technology》发表题为《An improveedtecnique for the experimental measurements of specimen surface temperatureduring hopkinson-bar tests》的文献中指出试样表面红外辐射信号和电压信号之间的关系有如下公式

其中ε表面辐射率，T为高速红外测温装置光路系统的透射率，两者均与尺寸无关；Ω为立体角；R响应速率(VW^-1)；A_d探测器面积；L_λ给定温度及波长下的Plank辉度。

利用高速红外测温装置对试样发生绝热剪切变形过程中所关心的剪切区域温升情况进行实时的、原位动态测量。理论上，在知道输出电压的情况下通过上述理论公式直接计算得到试样的温度，然而这只是理想状态下的计算。在实际测量中有着很多不确定的因素，比如理想状态下黑体是完美放射体，其发射率最大，试样表面表现出最好的能量发射，其波长也是最大。发射率是材料的热光学特性，其值主要取决于材料、表面粗糙度、材料所处的物理状态、表面温度、辐射方向、以及辐射波长。假设物体表面为黑色，则发射率为1。而在试样变形过程中试样因发生塑性变形从而改变试样表面的粗糙度、温度，从而改变原来的辐射率。

除此之外，还有环境温度也会对测温结果造成影响。所以实验中不能由电压信号直接通过公式计算出温升。解决的方法是对红外测温系统进行标定，通过温度标定，提高测温精度、减少误差。在得到电压信号和温度之间的标定函数关系后便利用实验过程中测温探元输出的电压变化信号换算为温度信号。

在早期的绝热剪切温升研究中，学者们大多采用由薄壁圆筒试样的动态扭转实验。典型代表有A.Marchand、J.Duffy发表在《Journal of the Mechanics and Physics ofSolids》期刊上名为《An experimental study of the formation process of adiabaticshear bands in a structural steel》的文献，以及A.J.Rosakis发表在《Journal of theMechanics and Physics of Solids》期刊上名为《On the temperature distribution atthe vicinity of dynamically propagating cracks in 4340 steel》的文献，他们利用阵列式探元的高速红外测温装置测得薄壁圆筒试样在动态扭转时绝热剪切带区域的温升情况。但是该高速红外测温装置只能测量某个面上的温度变化，使用薄壁圆筒试样时由于剪切带在薄壁圆周的某个面上都可能发生，即有可能剪切带在背离测温面上发生，此时就会测不到剪切温升或者是所测得的温度不准确。

随着R.Clos在《JOURNAL DE PHYSIQUE IV》期刊上发表题为《Experimentalinvestigation of adiabatic shear band formation in steels》的文献中提出扁平闭合帽形试样，有了适合利用高速测温系统测量绝热剪切温升的研究试样。扁平闭合帽形试样由两个剪切区域组成，形状类似汉字“凸”，利用此种试样便于结合高速测温技术。R.Clos提到他利用扁平闭合帽形试样测到钢发生绝热剪切时的温升，但是没有详细介绍具体的方法。Rittle则在《Experimental Mechanics》期刊上发表文献《A Shear-compressionSpecimen for Large Strain Testing》提到设计出一种带两个狭槽的压剪试样(SCS)，也没有详细的实验方法供参考。扁平闭合帽形试样和带两个狭槽的压剪试样(SCS)的几何形状如附图1所示。

受限于探元材料无法进口，国内研究利用高速红外测温装置测绝热剪切温升的学者很少、研究起步晚。典型代表是宁波大学的董新龙教授团队，在《固体力学学报》上发表了名为《TA2钛合金绝热剪切失稳起始温度研究》中提到他们近期利用单点式高速红外测温装置测得纯钛发生绝热剪切时的温度认为绝热剪切带起始时刻温度约为470K。虽然他们用该实验装置测得了一些温度，但是只测得剪切带周围一点的温度，不能获得剪切带周围温度的分布情况及温度变化梯度。陈浩森等在申请号为201611044470.3的发明创造中提出了一种红外摄像光学增强系统，为我国在多探元高速红外测温领域奠定了平台基础，但未见有详细的利用高速红外测温装置和Hopkinson压杆结合进行绝热剪切测温的实际应用方法。

以上提到国外利用高速红外测温装置测绝热剪切温升的研究较多，但是没有发现基于Hopkinson杆动态加载装置和扁平闭合帽形试样以及其他压剪试样发生绝热剪切温升的详尽实验方法的报导。而国内由于起步晚，利用高速红外测温装置测绝热剪切温升的研究尚处于起步阶段。目前，指导基于高速红外测温装置对材料动态条件下发生绝热剪切时的温度变化的实验的技术研究方面仍处于空白状态。

发明内容

为弥补现有实验技术中缺少利用红外测温方法测量试样发生绝热剪切变形过程中的温度变化情况方法的不足，本发明提出了一种基于高速红外测温装置测量绝热剪切温升的方法。

本发明的具体过程是：

步骤1，调试Hopkinson压杆实验系统及数据采集装置；

调试Hopkinson压杆实验系统及数据采集装置时，使Hopkinson压杆实验系统的撞击杆、入射杆和透射杆同轴，将Hopkinson压杆实验系统输出的应变信号值连接到数据采集装置。数据采集装置的响应频率应不低于100KHz。检查数据采集装置的触发模式为入射波通道触发，数据采集装置的采样速率选10MS/s。

步骤2，调试高速红外测温装置的光路；

所述调试高速红外测温装置的光路包括调节激光点的高度、凹面镜和凸面镜的调节、CCD相机的调节和光栅靶的调节；

完成上述调节后，在光栅靶与第一调光口之间水平放置一个分光镜，并使该分光镜处于该第一调光口轴线的延伸线上。在该分光镜远离第二调光口一侧放置一个激光器，并使该激光器的光束作用在所述分光镜的表面。调节分光镜，使激光器发射的激光束经过分光镜反射后与所述高速红外测温装置的光路系统发射的穿过光栅靶的激光束共线；标记此时所述分光镜的位置为测温瞄准点并移除所述光栅靶、拆除高速红外测温装置的移动板。

至此则完成高速红外测温装置的光路调节工作。

将高速红外测温装置输出的电压信号值连接到数据采集装置。

步骤3，对高速红外测温装置进行标定：

通过高速红外测温装置的标定建立高速红外测温装置输出的电压信号值与试样剪切区域温度值之间的函数关系。

所述对高速红外测温装置进行标定的具体过程是：

Ⅰ将试样置于Hopkinson压杆实验系统的入射杆及透射杆间，并处于光栅靶原来所在的位置，使步骤2中分光镜反射出的激光正对试样的剪切区域。将分光镜向激光器一侧移开，防止其遮挡第一调光口。自此完成了试样位置的调节工作。

当换新试样后，需要将分光镜再次移至步骤2中的测温瞄准点，并重复所述试样位置的调节过程。

Ⅱ通过喷枪将试样加热至500℃后自然冷却至室温。冷却过程中通过热电偶连续测量试样剪切区域内8个探元的温度值，并分别以30℃的间隔记录测得的所述热电偶的温度值y；同时，在冷却过程中通过数据采集装置连续采集各所述当前温度值下高速红外测温装置输出的电压信号值x；直至温度降到室温。分别得到试样剪切区域内8个探元的温度值数组y_n和对应该温度值的电压信号值数组x_n。

通过公式(1)对记录的8个探元的温度值数组y_n和对应该温度值的电压信号值数组x_n进行多项式拟合，分别得到8个探元温度值与电压信号值之间的函数关系T_n，n＝1,2,…,8。

T_n＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³+a₄x⁴ (1)

式中，x为电压信号值，a₀～a₄为拟合得到的参数。

根据得到的各探元的温度值与电压信号值之间的函数关系T_n绘制标定曲线。

自此完成了高速红外测温装置标定工作。

步骤4，对试样进行加载并记录试样的应变信号和温度信号：

采用分离式Hopkinson压杆实验系统对试样进行加载。

更换新试样，并按照步骤3中所述的调节过程对更换后的新试样进行调节。

在Hopkinson压杆实验系统的入射杆撞击端贴上黄铜整形片。将Hopkinson压杆的气压加压至0.04MPa。打开气压阀门触发Hopkinson压杆实验系统，完成对试样的加载；数据采集装置得到Hopkinson压杆实验系统加载过程中试样的应变信号值ε和高速红外测温装置输出的电压信号值v_n，n＝1,2,…,8。

步骤5，获得试样剪切区域的温度值：

根据探元温度与电压信号之间的函数关系，将得到高速红外测温装置输出的电压信号值v_n转换为试样剪切区域的温度值，分别得到试样发生绝热剪切过程中温度随时间变化的情况，以及试样剪切区域的温度随空间变化情况。至此，完成了对试样发生绝热剪切温升的测量。

本发明能够实现在动态加载实验条件下利用阵列式探元的高速红外测温装置测绝热剪切温升并对实验结果进行分析。

通过温度-时间以及载荷-时间的同步，最终获得试样发生绝热剪切过程中剪切区域的载荷-位移变化情况，载荷-温度-时间变化情况。

本发明利用高速红外测温装置在动态加载实验过程中对试样绝热剪切带的温度变化进行测量。

本发明通过高速红外测温装置结合Hopkinson压杆实验系统，阐述了一种利用高速红外测温装置测量试样发生绝热剪切变形过程中的温度变化情况。所提出的基于高速红外测温装置测量绝热剪切温升的实验方法，能够弥补现有实验技术中缺少对试样绝热剪切变形过程中的温度变化进行原位测量的不足，实现了在动态加载实验条件下利用阵列式探元的高速红外测温装置测量绝热剪切温升。

通过本发明获得的温度-时间、载荷-时间以及位移-时间信号对应，能够获得试样发生绝热剪切过程中在任意时刻的温度、载荷及变形情况。图6是本发明获得的试样载荷位移情况，图7是本发明获得的试样载荷温度情况。图7中所示的曲线15为载荷随时间变化曲线，其余各曲线分别为第一探元至第八探元温度随时间变化曲线17。

对各探元的温度随时间变化的关系进行分析，从第一探元至第八探元温度随时间变化曲线17中发现，在加载的初始阶段温度没有发生变化；在10～20μs时温度开始上升，在加载40μs后试样开始卸载同时温度上升变得很剧烈。8个垂直排列测温阵列探元处于试样剪切区域的中间位置，从各探元的温度分布情况来看，各探元的温度自高至低依次为第三探元、第四探元、第八探元和第六探元。至此，得到试样沿绝热剪切带周围的温度分布情况以及剪切区域的最大温升。

从整体温度分布分析，所测得的温度体现出一定规律的温度场特征，即在探元3-8间呈梯次降低的趋势；但是沿剪切带中间往两边的温度没有体现出温度对称的趋势。可能的原因有：实验时对试样的测温点偏上，导致峰值温度落在探元3上。实验测得TA2纯钛扁平闭合帽形试样发生绝热剪切过程的温升达到250℃。

附图说明

图1是发明所采用的试样示意图，1a是TA2工业纯钛扁平闭合帽型试样；1b是带两个狭槽的TA2工业纯钛压剪试样；

图2是光路调节原理示意图；

图3是对被测试件进行加载并测温的示意图；

图4是8个探元的排列示意图；

图5是带两个狭槽的TA2工业纯钛压剪试样剪切区域的示意图；

图6是TA2工业纯钛扁平闭合帽型试样剪切区域的示意图；

图7是各探元的温度与电压信号之间的函数关系T_n绘制的标定曲线；

图8是测扁平闭合帽形试样载荷-位移曲线；

图9是测扁平闭合帽形试样载荷-温度随时间变化曲线；

图10是本发明的流程图。图中：

1.激光束；2.分光镜；3.激光器；4.入射杆；5.试样；6.透射杆；7.光路调节箱；8.CCD相机；9.扁平闭合帽形试样剪切区域；10.阵列式探元；11.阵列式探元中的单个探元；12.两个狭槽的TA2工业纯钛压剪试样的剪切区域；13.拟合数据点；14.标定曲线；15.载荷随时间变化曲线；16.位移随时间变化曲线；17.温度随时间变化曲线；18.第一调光口；19.第二调光口。

具体实施方式

本实施例是一种基于高速红外测温装置测量绝热剪切温升的方法。所述高速红外测温装置指的是含有多个温度探测探元的高速红外测温装置，绝热剪切是实验时试样通过Hopkinson压杆实验系统加载产生。

本实施例所采用的高速红外测温装置被公开在申请号为201611044470.3的发明创造中。所述的高速红外测温装置中自下而上排列有8个阵列式温度探测探元，具有8个阵列式温度探测探元，依次为第一探元至第八探元；探元材料为InSb。所述的高速红外测温装置主要由光路系统、测温系统两部分组成，其中高速红外测温装置的光路系统由平面镜、凸面镜及凹面镜组成，用于将试样表面发射的红外辐射经过反射汇聚后投射在高速红外测温装置测温系统的温度探测探元上；而高速红外测温装置的测温系统则主要由温度探测探元组成的CCD相机，目的是将光路系统投射来的红外辐射接受并将其转化为电压信号值输出，为了降低热噪声对高速红外测温装置的测温精度的影响实验过程中需要用液氮对高速红外测温装置进行制冷。

本实施例采用的Hopkinson压杆实验系统，在室温条件下进行加载。

本实施例所采用的试样为TA2工业纯钛扁平闭合帽型，单个剪切区域为0.1mm×1mm。试样如附图1a所示。具体过程是：

步骤1，调试Hopkinson压杆实验系统及数据采集装置：

所述的Hopkinson压杆实验系统采用现有技术。

调试时，首先调节Hopkinson压杆实验系统的撞击杆、入射杆4和透射杆6使其同轴，具体先调节撞击杆和入射杆使其同轴，在固定好该入射杆的撞击端一侧后进一步调节入射杆的试样加载端，使所述入射杆的试样加载端与透射杆同轴。设置好Hopkinson压杆实验系统后进行空打，以检验撞击杆、入射杆和透射杆中心是否同轴：入射杆和透射杆相接触时，如果撞击杆撞击入射杆后，入射波在经过加载端时没有发生反射，且以透射波的形式完全传入透射杆中，则完成了Hopkinson压杆实验系统的调试。反之，如果有明显的反射信号则表明未调整好，需要继续调节撞击杆、入射杆和透射杆的位置，直至撞击杆撞击入射杆后的入射波在经过加载端时没有发生反射，且以透射波的形式完全传入透射杆中。将Hopkinson压杆实验系统输出的应变信号值连接到数据采集装置。数据采集装置的响应频率应不低于100KHz。检查数据采集装置的触发模式为入射波通道触发，数据采集装置的采样速率选10MS/s。

步骤2，调试高速红外测温装置的光路：

所述调试高速红外测温装置光路的方法被公开在申请号为201611044470.3的发明创造中。具体过程是：

调节激光点的高度：通过激光器发出的激光调整激光器的高度，以及第一反射镜的角度和高度，确保激光光斑从第一调光口18的中心点射入。

对凹面镜和凸面镜进行调节：通过调节大调节架、小调节架和光路调节箱使得激光光斑经反射后从第二调光口19的中心点射出。

调节CCD相机：根据激光光斑的位置调节CCD相机的高度，使得激光光斑中心与CCD靶面的几何中心重合。

光栅靶的调节：将光栅靶放在高速红外测温装置的第二滑轨上，调节光栅靶的高度使得激光束通过光栅靶的中心位置。

完成上述调节后，在光栅靶与第一调光口18之间水平放置一个分光镜2，并使该分光镜处于该第一调光口轴线的延伸线上。在该分光镜2远离第二调光口19一侧放置一个激光器3，并使该激光器的光束作用在所述分光镜的表面。调节分光镜，使激光器3发射的激光束经过分光镜反射后与所述高速红外测温装置的光路系统发射的穿过光栅靶的激光束共线；标记此时所述分光镜的位置为测温瞄准点并移除所述光栅靶、拆除高速红外测温装置的移动板。

至此则完成高速红外测温装置的光路调节工作。

将高速红外测温装置输出的电压信号值连接到数据采集装置，检查电压信号值采集是否正常。

步骤3，对高速红外测温装置进行标定：

通过高速红外测温装置的标定建立高速红外测温装置输出的电压信号值与试样剪切区域温度值之间的函数关系。具体过程是：

Ⅰ将试样置于Hopkinson压杆实验系统的入射杆及透射杆间，并处于光栅靶原来所在的位置，使步骤2中分光镜反射出的激光正对试样的剪切区域，如附图3所示。将分光镜向激光器一侧移开，防止其遮挡第一调光口18。自此完成了试样位置的调节工作。

当换新试样后，需要将分光镜再次移至步骤2中的测温瞄准点，并重复所述试样位置的调节过程。

Ⅱ通过喷枪将试样加热至500℃后自然冷却至室温。冷却过程中通过热电偶连续测量试样剪切区域内8个探元的温度值，并分别以30℃的间隔记录测得的所述热电偶的温度值y；同时，在冷却过程中通过数据采集装置连续采集各所述当前温度值下高速红外测温装置输出的电压信号值x；直至温度降到室温。分别得到试样剪切区域内8个探元的温度值数组y_n和对应该温度值的电压信号值数组x_n。

通过公式(1)对记录的8个探元的温度值数组y_n和对应该温度值的电压信号值数组x_n进行多项式拟合，分别得到8个探元温度值与电压信号值之间的函数关系T_n，n＝1,2,…,8。

T_n＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³+a₄x⁴ (1)

式中，x为电压信号值，a₀～a₄为拟合得到的参数。

根据得到的各探元的温度值与电压信号值之间的函数关系T_n绘制标定曲线，如图5所示。

自此完成了高速红外测温装置标定工作。

步骤4，对试样进行加载并记录试样的应变信号和温度信号：

采用分离式Hopkinson压杆实验系统对试样进行加载。

更换新试样，并按照步骤3中所述的调节过程对更换后的新试样进行调节。

为了降低试验过程中因子弹直接撞击入射杆所产生的高频分量的弥散效应，实验前在Hopkinson压杆实验系统的入射杆撞击端贴上的黄铜整形片。将Hopkinson压杆的气压加压至0.04MPa。打开气压阀门触发Hopkinson压杆实验系统，完成对试样的加载；数据采集装置得到Hopkinson压杆实验系统加载过程中试样的应变信号值ε和高速红外测温装置输出的电压信号值v_n，n＝1,2,…,8。

步骤5，获得试样剪切区域的温度值：

根据探元温度与电压信号之间的函数关系，将得到高速红外测温装置输出的电压信号值v_n转换为试样剪切区域的温度值，得到试样发生绝热剪切过程中的温度随时间变化的情况；得到试样剪切区域的温度随空间变化情况。至此，完成了对试样发生绝热剪切温升的测量。

Claims (3)

1.一种基于高速红外测温装置测量绝热剪切温升的方法，具体过程是：

步骤1，调试Hopkinson压杆实验系统及数据采集装置；

步骤2，调试高速红外测温装置的光路：

所述调试高速红外测温装置的光路包括调节激光点的高度、凹面镜和凸面镜的调节、CCD相机的调节和光栅靶的调节；

完成上述调节后，在光栅靶与第一调光口之间水平放置一个分光镜，并使该分光镜处于该第一调光口轴线的延伸线上；在该分光镜远离第二调光口一侧放置一个激光器，并使该激光器的光束作用在所述分光镜的表面；调节分光镜，使激光器发射的激光束经过分光镜反射后与所述高速红外测温装置的光路系统发射的穿过光栅靶的激光束共线；标记此时所述分光镜的位置为测温瞄准点并移除所述光栅靶、拆除高速红外测温装置的移动板；

至此则完成高速红外测温装置的光路调节工作；

将高速红外测温装置输出的电压信号值连接到数据采集装置；

步骤3，对高速红外测温装置进行标定：

通过高速红外测温装置的标定建立高速红外测温装置输出的电压信号值与试样剪切区域温度值之间的函数关系；

步骤4，对试样进行加载并记录试样的应变信号和温度信号：

采用分离式Hopkinson压杆实验系统对试样进行加载；

更换新试样，并按照步骤3中所述的调节过程对更换后的新试样进行调节；

在Hopkinson压杆实验系统的入射杆撞击端贴上黄铜整形片；将Hopkinson压杆的气压加压至0.04MPa；打开气压阀门触发Hopkinson压杆实验系统，完成对试样的加载；数据采集装置得到Hopkinson压杆实验系统加载过程中试样的应变信号值ε和高速红外测温装置输出的电压信号值v_n，n＝1,2,…,8；

步骤5，获得试样剪切区域的温度值：

根据探元温度与电压信号之间的函数关系，将得到高速红外测温装置输出的电压信号值v_n转换为试样剪切区域的温度值，分别得到试样发生绝热剪切过程中温度随时间变化的情况，以及试样剪切区域的温度随空间变化情况；至此，完成了对试样发生绝热剪切温升的测量。

2.如权利要求1所述基于高速红外测温装置测量绝热剪切温升的方法，其特征在于，

调试Hopkinson压杆实验系统及数据采集装置时，使Hopkinson压杆实验系统的撞击杆、入射杆和透射杆同轴，将Hopkinson压杆实验系统输出的应变信号值连接到数据采集装置；数据采集装置的响应频率应不低于100KHz；检查数据采集装置的触发模式为入射波通道触发，数据采集装置的采样速率选10MS/s。

3.如权利要求1所述基于高速红外测温装置测量绝热剪切温升的方法，其特征在于，

所述对高速红外测温装置进行标定的具体过程是：

Ⅰ将试样置于Hopkinson压杆实验系统的入射杆及透射杆间，并处于光栅靶原来所在的位置，使步骤2中分光镜反射出的激光正对试样的剪切区域；将分光镜向激光器一侧移开，防止其遮挡第一调光口；自此完成了试样位置的调节工作；

当换新试样后，需要将分光镜再次移至步骤2中的测温瞄准点，并重复所述试样位置的调节过程；

Ⅱ通过喷枪将试样加热至500℃后自然冷却至室温；冷却过程中通过热电偶连续测量试样剪切区域内8个探元的温度值，并分别以30℃的间隔记录测得的所述热电偶的温度值y；同时，在冷却过程中通过数据采集装置连续采集各所述当前温度值下高速红外测温装置输出的电压信号值x；直至温度降到室温；分别得到试样剪切区域内8个探元的温度值数组y_n和对应该温度值的电压信号值数组x_n；

通过公式(1)对记录的8个探元的温度值数组y_n和对应该温度值的电压信号值数组x_n进行多项式拟合，分别得到8个探元温度值与电压信号值之间的函数关系T_n，n＝1,2,…,8；

T_n＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³+a₄x⁴ (1)

式中，x为电压信号值，a₀～a₄为拟合得到的参数；

根据得到的各探元的温度值与电压信号值之间的函数关系T_n绘制标定曲线；

自此完成了高速红外测温装置标定工作。