一种跨尺度、多视角原位力学动态捕捉测试平台

摘要

一种跨尺度、多视角原位力学动态捕捉测试平台，包括由计算机组成的控制系统、隔振实验台、力学测试仪，隔振实验台台面上有点阵式分布的定位螺孔，力学测试仪通过数据线与计算机组成的控制系统连接，其特征在于多个动态成像装置固定在精密力学测试仪的周围，每个成像装置配备一个辅助光源构成成像系统，成像装置通过数据线与计算机组成的控制系统相连接。本测试平台装配灵活，功能多样，为机械、材料等学科的力学性能研究与检测提供了科学、有效的手段和方法，检测结果对于从多个视角动态监测和揭示材料或试件在多尺度下的力学行为和破坏机制具有重要意义，可被广泛应用于航空航天、汽车工业、生物医学、微机电等不同工程领域。

说明书

技术领域

本发明涉及材料的力学性能试验和检测仪器，具体涉及一种跨尺度、多视角原位力学动 态信息捕捉测试平台。

背景技术

材料的力学性能是指材料在不同环境（温度、介质、湿度）下，承受各种外加载荷（拉 伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特征。它是衡量材料质量优 劣、设计各种工程结构并合理选材的主要依据。通常，材料的力学性能主要通过拉压、扭转、 压痕、弯曲等各种试验机来测定。传统上，无论是动、静载荷，还是环境条件、变动载荷下 的力学性能测试，其测试结果均以实施载荷后的变化量作为测试依据，而不能实时监测载荷 实施中材料微变、损伤直至破坏的动态过程。特别随着航空、航天技术和材料科学与军事科 学的发展，经典的宏观材料力学性能试验仪器设备所测试的材料参数和性能己经不能完全表 征材料在更小尺度和极限条件服役的性能特性，需要引入更加直观、精确的测试、观察和分 析手段，以此对材料的力学行为和破坏机制进行有效分析和深入研究。

为探索和揭示固态材料在拉-压-弯-扭等载荷下宏-微观跨尺度的动态变形行为，国内外 少数机构正致力于开发和研制结合电子显微学技术、激光共聚焦显微成像技术、X射线衍射 技术等微观成像手段，用于在接近服役条件下测定固态材料动态、微观力学性能的原位测试 技术。该测试技术不仅能测定材料的各种力学参数，并且可以对材料在实验过程中的微观变 形和损伤过程进行实时、在线观测，将图像学定性分析与数据定量分析相结合，以更新的视 野和测试角度揭示出外界载荷作用下材料变形损伤的过程，发现更为新颖的现象和规律。

然而，目前的研究工作仅能从某单一的角度对试件的力学测试进行观测，还未考虑对试 件进行跨尺度、多视角的原位观测，特别缺乏一套能够同时从多个视角，集常规、高清、高 速动态拍摄设备集成的测试平台，并解决相关技术问题，这无疑会错过大量有用的试验点， 影响对动态力学实验数据的全面分析。因此，设计发明一种跨尺度、多视角视频图像捕捉， 高精度原位力学测试，集常规、高清、高速动态过程监测与各功能稳定实施的测试平台系统 十分必要，该发明不仅会加速材料原位力学性能深入揭示的过程，还将填补该方面测试仪器 研制的空白。

发明内容

本发明的目的在于提供一种跨尺度、多视角原位力学动态捕捉测试平台，能够跨尺度、 多视角、多频率动态图像捕捉，并能有效避免测试振动造成器件间相互干扰的原位力学测试 平台。通过动态成像系统的多个成像器件，可实现多视角视场同时在线监测；通过自由调节 动态成像系统，可实现不同放大倍率和不同运动速度动态图像的实时拍摄；通过自由选换力 学测试仪器，可实现包括拉伸/压缩、扭转、压痕、弯曲及各种疲劳等多种力学性能的原位 测试；同时，各器件分别在隔振实验台上独立安装，可缓冲并降低因试件变形、断裂等造成 的冲击振动，从而提高了图像捕捉质量与测试数据精度。测试平台内各器件协调统一，解决 了现有力学测试中仅能获取测试数据和结果，不能全程动态多视角监测测试过程的问题。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：

一种跨尺度、多视角原位力学动态捕捉测试平台，主要由控制系统1、隔振实验台7、 固定安装在隔振实验台7上的精密力学测试仪2和动态成像系统3组成，

所述动态成像系统3由多个成像器件和辅助光源4组成，每个成像器件和辅助光源4 分别通过动态成像系统安装支架6和柔性支架5固定安装在隔振实验台7上，并成不同角度、 高低错落分布于精密力学测试仪2的周围，所有成像器件均具有以被测试件23为靶标的动 态图像捕捉作用，所述动态成像系统3通过数据线与计算机组成的控制系统相连接。

所述的动态成像系统3按测试需要，选装常规摄像器件、高清监控器件或高速摄像器件， 所述常规摄像器件的技术参数为：分辨率640×480—1920×1080像素，变焦1倍—80倍， 拍摄帧率30桢—50桢/秒；

所述高清监控器件的技术参数为：分辨率1280×720—1920×1080像素，变焦1倍— 30倍，拍摄帧率30桢—50桢/秒；

所述高速摄像器件的技术参数为：分辨率384×288—1280×960像素，拍摄频率30桢 —10000桢/秒，变焦1倍—50倍。

所述的精密力学测试仪2为立式结构，主要由电动机29、涡轮蜗杆机构、丝杠28、光杠 22、夹具和拉压力传感器21组成，所述电动机29通过法兰盘座安装于底座13上，电动机 29两侧直立两根对称布置的丝杠28，丝杠28通过上下丝杠螺母座24固定在上下夹具安装 座26上，并通过上下丝杠轴承座19分别固定在顶座25和底座13上，两根直立并对称布置 的光杠22通过上下2个直线轴承20固定在上下夹具安装座26上，上下夹具27分别固定在 上下夹具安装座26上，拉压力传感器21连接在下夹具安装座26上，两根丝杠28由电动机 29通过双丝杠涡轮蜗杆副驱动旋转使上下夹具27沿双光杠22反向相对移动，对被测试件 23拉伸或压缩。

所述的动态成像系统安装支架6由垂直连接的上下移动架11和左右移动架12组成，所 述上下移动架11固定在支架底座10上，其位置可调，所述上下移动架11和左右移动架12 分别为套接，并分别由调节螺栓9进行位置和角度调节，所述动态成像系统3安装在左右移 动架12上。

所述的隔振实验台7固有频率不大于6Hz，振幅≤5um，表面光洁度≤1.6um,平面度≤ 0.1mm/m²。

所述辅助光源4视现场光线情况确定，其照射至试件表面所能达到的色温范围需达到 5000-6000K。

所述的双丝杠28分别通过轴承由丝杠轴承座19安装于仪器之上，呈竖直平行分布；双 丝杠28通过四个丝杠螺母向上下夹具安装座提供动力和运动；每个丝杠下端安装一个低速 蜗轮16，整个仪器由单个电机29驱动，动力与运动由驱动电机29的输出轴输出，通过一 级蜗轮蜗杆副减速后，动力与运动由高速蜗轮轴向左右两侧分开，高速蜗轮轴左右两端各安 装一个低速蜗杆18，低速蜗杆18与低速蜗轮16组成二级蜗轮蜗杆副，分别向双丝杠28传 递动力与运动。

本发明的有益效果在于：针对高精度力学测试的不同需求，在实现对小型试件常规力学 性能数据进行获取的同时，还能够在宏观或微观尺度下，同时从多个视角对试件的力学性能 测试过程进行精确监测，实时获得高质量的动态视频信号，解决了现有力学测试中仅能获取 测试数据和结果，不能全程动态多视角监测测试过程的问题，并能通过测试平台内拍摄器件 与力学测试仪器的合理选配，支撑与紧固结构的合理定位，避免因测试振动对检测结果的影 响，从而提高了数据的精确性、全面性、可靠性。本测试平台瞄准力学研究前沿，监测全面， 功能多样，创新性强，为机械、材料等学科的力学性能研究与检测提供了科学、有效的手段 和方法，检测结果对于揭示材料或试件在多尺度下的力学行为和破坏机制具有重要意义。同 时，本测试平台还可被广泛应用于航空航天、汽车工业、生物医学、微机电等众多工程领域， 具有较高的科研价值和良好的商业化前景。

附图说明

图1为本发明的整体外观结构示意图；

图2为本发明的动态成像系统的结构示意图；

图3为本发明的立式原位力学测试仪器的结构示意图。

图中：1、控制系统；2、精密力学测试仪器；3、动态成像系统；4、辅助光源；5、柔 性支架；6、动态成像系统安装支架；7、隔振实验台；8、透明罩；9、调节螺栓；10、支架 底座；11、上下移动架；12、左右移动架；13、底座；14、高速蜗杆；15、高速蜗轮；16、 低速蜗轮；17、固定螺栓孔；18、低速蜗杆；19、丝杠轴承座；20、直线轴承；21、拉压力 传感器；22、光杠；23、被测试件；24、丝杠螺母座；25、顶座；26、夹具安装座；27、上、 下夹具；28、丝杠；29、电动机。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例进一步说明本发明的具体内容及其实施方式。

本发明所述的一种跨尺度、多视角原位力学动态捕捉测试平台，能够跨尺度、多视角、 多频率动态图像捕捉，并能有效避免测试振动造成器件间相互干扰的原位力学测试平台。

一、隔振实验台7台面上有点阵式分布的定位螺孔，精密力学测试仪2通过固定螺栓 安装于隔振实验台7台面的适当定位螺孔处，力学测试仪通过数据线与计算机组成的控制系 统连接，多个动态成像装置固定在精密力学测试仪的周围，每个成像装置配备一个辅助光源 4构成成像系统，成像装置通过数据线与计算机组成的控制系统相连接,支架底部两侧各有 一个可使底座固定位置改变的长条形孔，支架底座由紧固螺栓固定在隔振实验台定位螺孔 处，上下移动架11的支柱插入垂直于支架底座中心位置上固定的圆柱形空心套管中，套管 一侧的上部有一用于调节上下移动架高低位置的调节螺栓9，成像仪器固定在左右移动架12 的一端，左右移动架的支柱垂直于上下移动架并穿过位于上下移动架顶端的圆柱形空心套孔 中，套孔一侧的中部有一用于调节左右移动架左右位置的调节螺栓，支架底部一端固定有用 于支撑辅助光源4并调节光源位置的柔性支架5，支架顶端安装有柔性光源。

二、精密力学测试仪为立式结构，底座13的四角分别有固定螺栓孔17，电动机29通 过法兰盘座安装于底座上，两侧各有一根垂直于电动机直线方向的丝杠28底部与低速涡轮 16固定连接，并分别与两侧的高速蜗杆14、高速涡轮15、低速蜗杆18组成双丝杠涡轮蜗 杆副，丝杠穿过丝杠轴承座19和下部活动台的丝杠螺母座24，两侧各有一根平行于电动机 直线方向的光杠穿过下部活动台的直线轴承20并固定于丝杠轴承座两侧的圆孔中，下部活 动台顶部中心处固定有拉压力传感器21，传感器顶端固定有下夹具27，上夹具27顶端固定 于上部活动台中心处的夹具安装座26底部，上部活动台上的两个丝杠螺母座24和两根直线 轴承20分别穿过两根丝杠和两根光杠，顶座25上的两个丝杠轴承座19套接在两根丝杠顶 部，顶座上的两个圆孔将两根光杠顶端固定。其他同实施例一。

参阅图1至图3，本发明的跨尺度、多视角原位力学动态捕捉测试平台，包括控制系统 1、精密力学测试仪2、动态成像系统3、辅助光源4、柔性支架5、动态成像系统安装支架 6、隔振实验台7、透明罩8以及附属结构等部分。

所述的控制系统1经数据线与精密力学测试仪2和动态成像系统3连接，通过软件实现 对上述二种器件的控制，并实时获取由此二器件工作形成的信号或数据。

所述的精密力学测试仪2可以为立式结构，由底座13、高速蜗杆14、高速蜗轮15、低 速蜗轮16、固定螺栓孔17、低速蜗杆18、丝杠轴承座19、直线轴承20、拉压力传感器21、 光杠22、被测试件23、丝杠螺母座24、顶座25、夹具安装座26、上、下夹具27、丝杠28、 电动机29等部分组成。其中底座13上有固定螺栓孔17，电动机29通过法兰盘座安装于底 座13上，丝杠28为两根，通过轴承和丝杠轴承座19固定于底座13上，光杠22为两根， 既能支撑底座13和顶座25，又能充当直线导轨的作用，拉压力传感器21连接下移动座和 下夹具，上夹具与上夹具安装座26相连。通过双丝杠螺母副的作用，可以使上、下夹具体 27沿双光杆22反向相对移动，以实现对被测试件23的拉伸或压缩。立式原位力学测试仪 可以从仪器周围不同的角度对被测试件23力学测试的原位观测，以确保取得有用的试验点。

所述的动态成像系统3可根据测试需要，选装常规摄像器件，高清监控器件和高速摄像 器件。常规摄像器件的技术参数为：分辨率640×480—1920×1080像素；变焦1倍—80倍； 拍摄帧率30桢—50桢/秒。高清监控器件的技术参数为：分辨率1280×720—1920×1080 像素；变焦1倍—30倍；拍摄帧率30桢—50桢/秒。高速摄像器件的技术参数为：分辨率 384×288—1280×960像素；拍摄频率30桢—10000桢/秒；变焦1倍—50倍。实现对精密 力学测试仪2上的被测试件23的多视角动态、实时拍摄。

所述的辅助光源4可以根据现场光线情况选择安装，辅助光源照射至试件表面所能达到 的色温范围需达到5000-6000K。辅助光源4通过柔性支架5由紧固螺母固定在支架底座10 上，通过柔性支架5的弯曲变形，可以任意调节辅助光源4的照射位置，为动态成像系统3 提供最佳的光源。

所述的动态成像系统安装支架6由调节螺栓9、支架底座10、上下移动架11、左右移 动架12等部分组成。其中底座10通过紧固螺栓固定在隔振实验台7的适当定位螺孔处， 位置可以前后无级调节；上下移动架11与支架底座10相互套接，由调节螺栓9紧固，位置 可以上下无级调节，也可以沿上下移动架11轴线进行角度无级调节；左右移动架12与上下 移动架11相互套接，由调节螺栓9紧固，位置可以左右无级调节，也可以沿左右移动架12 轴线进行角度无级调节；动态成像系统成像器件与左右移动架通过螺栓相连。通过以上结构， 可以实现动态成像系统成像器件的五个自由度位置调节。

所述的隔振实验台7固有频率不大于6Hz，振幅不大于5um，表面光洁度不大于1.6um, 平面度不大于0.1mm/m²，结构稳固可靠，起支撑、装载各测试器件并隔振作用。

所述的透明罩8通过合页安装于隔振实验台7上，能够有效减轻外界因素对测试实验的 干扰，通过透明罩8一侧的把手可以将其掀起放到隔振实验台7的一侧。

本发明在具体的测试过程中，首先，要根据测试实验的需要选取不同类型的精密力学测 试仪2，打开透明罩8，用专用的固定螺栓将所选取的原位力学测试仪安装在隔振实验台7 的适当位置；其次，按所选取的精密力学测试仪2的要求将所要测试的材料加工成标准尺寸 的试验样件，并利用小型抛光机对试件进行抛光处理得到以可用于高分辨率显微成像监测的 较好表面光洁度；然后，将加工好的实验样件安装于精密力学测试仪2的夹具上，定位夹紧 待测；再次，调节系统，分别打开控制系统1和动态成像系统3，通过调整各个动态成像系 统安装支架6使动态成像系统3的各个成像器件以合适的角度和距离正对被测试件的适当位 置，通过调节柔性支架5使辅助光源4处于合适的位置，打开辅助光源4，再次调节动态成 像系统3的各个成像器件的位置和镜头的焦距及光圈大小以及辅助光源4的位置，使被测试 件能够呈现出清晰完整的图像，关闭辅助光源4，关闭透明罩8，准备测试；最后，开始测 试，再次打开辅助光源4，打开给定载荷测试的变形或载荷控制方式，以脉冲输出的方式驱 动开始测试过程，即通过测试算法程序设定测试条件和参数，在时序脉冲控制信号作用下精 密直流伺服电机输出精确角位移，最终实现对标准试件的超低速准静态加载，测试过程中精 密力学测试仪2上的精密传感器对载荷F进行检测，并通过算法程序作必要的修正处理； 同时试件的变形量h由精密力学测试仪2上的精密位移传感器同步拾取，两路信号通过模数 转换并进行必要的信号调理后送入计算机。在测试的整个过程中，被测标准试件在载荷作用 下材料的变形损伤情况由动态成像系统3进行多视角同时动态监测，并对此进行录像并保 存，通过上位机调试软件亦可实时获取表征材料力学性能的应力—应变曲线、弹性模量、屈 服强度、切变模量及破坏强度等重要力学参数。通过对材料组织的微观变形及其破坏、损伤 状况视频的分析，配合表征材料力学性能的数据，便可对材料在载荷作用下的变形损伤机制 及力学服役行为进行深入研究，从而更加透彻的了解材料的性能。