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原文传递材料力学性能多参量原位监测平台及多数据融合分析方法

专利名称：	材料力学性能多参量原位监测平台及多数据融合分析方法
摘要：	本发明涉及一种材料力学性能多参量原位监测平台及多数据融合分析方法，属于精密科学仪器领域。该平台的支撑定位模块用于对其余各功能模块实现牢固支撑、精密定位与有效隔振；精密旋转定位子模块由电机驱动，实现并行原位监测模块绕被测试样的精密转位；多视角全场应变测量模块包含CCD视觉监测子模块和均匀补光子模块，用于实现被测试样的多视角全场应变测量；并行原位监测模块用于实现试验过程中被测试样多参量同步、同位动态监测。具有集成性好、试验精度高、表征手段多、测试内容丰富等优点，为实验力学领域各类材料、构件以及生物医学领域复杂组织、器官的力学性能及运动、变形行为的可视化测试提供了一种革新性技术手段。
专利类型：	发明专利
申请人：	吉林大学
发明人：	张世忠;赵久成;赵宏伟;徐利霞;万杰;靖旭;赵大庆;赵甄章
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T17:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T00:00:00+0805
申请号：	CN201911298804.3
公开号：	CN111060388A
代理机构：	吉林长春新纪元专利代理有限责任公司
代理人：	王怡敏
分类号：	G01N3/00;G01N3/06;G01N3/04;G01N3/02;G;G01;G01N;G01N3;G01N3/00;G01N3/06;G01N3/04;G01N3/02
申请人地址：	130000 吉林省长春市前进大街2699号
主权项：	1.一种材料力学性能多参量原位监测平台，其特征在于：包括支撑定位模块(1)、精密旋转定位模块(2)、多视角全场应变测量模块(3)和并行原位监测模块(4)，所述支撑定位模块(1)固定在地面，精密旋转定位模块(2)分别通过电机座(205)和支撑座(207)与撑定位模块(1)的安装平台(105)刚性连接；多视角全场应变测量模块(3)的CCD视觉监测子模块(301)通过固定环(30101)与撑定位模块(1)的上安装板(106)刚性连接，均匀补光子模块(302)通过固定块(30209)与立柱(103)刚性连接；并行原位监测模块(4)的二维应变测量子模块(401)通过调节旋钮Ⅱ(30118)与支撑环(30117)刚性连接，高速成像子模块(402)、红外热成像子模块(403)和连续变倍显微成像子模块(404)分别通过固定板Ⅰ(40105)、固定板Ⅱ(40201)、固定板Ⅲ(40304)与精密旋转定位模块(2)的旋转平台(201)刚性连接。 2.根据权利要求1所述的材料力学性能多参量原位监测平台，其特征在于：所述的支撑定位模块(1)通过精密隔振基座(104)下端的地脚螺栓孔与地面刚性连接，实现对其余各功能模块牢固支撑、精密定位与有效隔振；上安装板(106)与精密隔振基座(104)的下表面上及安装平台(105)上均设置有安装定位孔，并且中部均设置有集成孔，在竖直方向、水平方向灵活集成各种力学加载装置及物理场加载装置。 3.根据权利要求1所述的材料力学性能多参量原位监测平台，其特征在于：所述的精密旋转定位模块(2)是：电机座(205)与安装平台(105)刚性连接，伺服电机(204)与减速器(203)刚性连接，减速器(203)与电机座(205)刚性连接，小锥齿轮(206)通过键与减速器(203)输出轴配合；支撑座(207)与安装平台(105)刚性连接，环形导轨内圈(208)、环形导轨外圈(209)与支撑座(207)刚性连接，滑块(210)与环形导轨内圈(208)、环形导轨外圈(209)配合，并通过螺栓与旋转平台(201)刚性连接，大锥齿轮(202)与旋转平台(201)刚性连接；旋转平台(201)上设置有沿圆周方向均布的安装定位孔，调节高速成像子模块(402)、红外热成像子模块(403)和连续变倍显微成像子模块(404)之间的相对角度。 4.根据权利要求1所述的材料力学性能多参量原位监测平台，其特征在于：所述的多视角全场应变测量模块(3)包括CCD视觉监测子模块(301)和均匀补光子模块(302)，其中CCD视觉监测子模块(301)的CCD相机Ⅰ(30106)、CCD相机Ⅱ(30107)、CCD相机Ⅲ(30108)、CCD相机Ⅳ(30109)、CCD相机Ⅴ(30110)、CCD相机Ⅶ(30114)、CCD相机Ⅷ(30115)均通过相机调节装置Ⅰ(30104)与支撑环(30117)刚性连接；固定环(30101)与上安装板(106)刚性连接，丝杠Ⅰ(30102)、导柱(30119)上端均与固定环(30101)刚性连接；直线轴承(30103)通过螺钉与支撑环(30117)刚性连接，直线轴承(30103)与导柱(30119)配合实现精密导向，丝杠Ⅰ(30102)与调节旋钮Ⅰ(30105)配合实现精密驱动，通过旋转调节旋钮Ⅰ(30105)实现支撑环(30117)沿竖直方向精确移动；CCD相机Ⅵ(30111)通过螺钉与相机调节装置Ⅱ(30112)刚性连接，相机调节装置Ⅱ(30112)上端与丝杠Ⅱ(30113)下端刚性连接，丝杠Ⅱ(30113)与调节旋钮Ⅱ(30118)配合，通过旋转调节旋钮Ⅱ(30118)可实现CCD相机Ⅵ(30111)沿竖直方向精确移动。 5.根据权利要求4所述的材料力学性能多参量原位监测平台，其特征在于：所述的多视角全场应变测量模块(3)中，CCD相机Ⅰ～Ⅷ(30115)沿圆周方向均匀布置，相邻CCD相机间的夹角为为45°。 6.根据权利要求1所述的材料力学性能多参量原位监测平台，其特征在于：所述的并行原位监测模块(4)包括二维应变测量子模块(401)、高速成像子模块(402)、红外热成像子模块(403)、连续变倍显微成像子模块(404)，所述红外热成像子模块(403)与连续变倍显微成像子模块(404)呈30°，连续变倍显微成像子模块(404)与二维应变测量子模块(401)呈15°，二维应变测量子模块(401)与高速成像子模块(402)呈15°，保证测试时并行原位监测模块(4)中各种成像设备能够对被测试样同一区域进行并行原位观测，且CCD视觉监测子模块(301)竖直方向移动时与并行原位监测模块(4)中的各个成像设备在空间上均不发生干涉。 7.一种多数据融合分析方法，其特征在于：当对被测试样进行并行原位测试时，包括如下步骤：步骤1、安装固定被测试样：通过力学加载装置的试样夹具或试样夹持装置进行被测试样的安装固定，保证被测试样的被观测区域与并行原位监测模块(4)中的各个成像子模块处于同一平面；步骤2、定位原位监测区域：运行精密旋转定位模块(2)，调节被测试样的被观测区域大致处于连续变倍体式显微镜(40302)的视野中心；运行三自由度定位平台(40303)，实现被测试样与连续变倍体式显微镜(40302)相对位置的精确调节，确保被测试样的被观测区域(A)严格处于连续变倍体式显微镜(40302)的视野中心；运行三自由度定位平台II(40205)，实现被测试样与红外热像仪(40204)相对位置的精确调节，保证被测试样的被观测区域(A1)严格处于红外热像仪(40204)的视野中心，且运行二自由度定位平台I(40104)，实现被测试样与高速相机(40102)相对位置的精确调节，确保被测试样的被观测区域(A2)严格处于高速相机(40102)的视野中心，且手动调节相机调节装置II(30112)，实现被测试样与CCD相机VI(30111)相对位置的精确调节，确保被测试样的被观测区域(A3)严格处于CCD相机VI(30111)的视野中心，且通过上述调整，实现对被测试样被观测区域的同位监测，即A∩A1∩A2∩A3＝A；步骤3、开展并行原位监测：同步触发并行原位监测模块(4)中的各个成像设备，即统一原位监测时间起始时刻t，对被测试样的被观测区域开展并行原位监测；通过连续变倍体式显微镜(40302)实时采集表征被测试样被观测区域形貌随时间空间分布的点阵，定义矩阵函数： H＝{t，x，y，h(t，x，y)} 其中，t代表时刻，x、y代表点的位置坐标，h(t，x，y)为点(x、y)在时刻t的形貌信息；通过红外热像仪(40204)实时采集表征被测试样被观测区域的温度随时间空间分布的点阵，定义矩阵函数： T＝{t，x，y，T(t，x，y)} 其中，t代表时刻，x、y代表点的位置坐标，T(t，x，y)为点(x、y)在时刻t的温度信息；通过高速相机(40102)实时采集表征被测试样被观测区域的高速成像信息随时间空间分布的点阵，定义矩阵函数： N＝{t，x，y，n(t，x，y)} 其中，t代表时刻，x、y代表点的位置坐标，n(t，x，y)为点(x、y)在时刻t的高速成像信息；通过CCD相机VI(30111)实时采集表征被测试样被观测区域的二维应变随时空分布的点阵，定义矩阵函数： E＝{t，x，y，ε(t，x，y)} 其中，t代表时刻，x、y代表点的位置坐标，ε(t，x，y)为点(x、y)在时刻t的应变信息；步骤4、进行数据融合分析：对于上述四种原位成像设备，由于其采样频率不同，会引起采样时间间隔不同，即时间向量的行数不等；对于连续变倍体式显微镜(40302)，其对应的时间索引向量为：对于红外热像仪(40204)，其对应的时间索引向量为：对于高速相机(40102)，其对应的时间索引向量为：对于CCD相机VI(30111)，其对应的时间索引向量为：其中k1≠k2≠k3≠k4，基于最小公倍数原理，求出不同采样周期t1、t2、t3、t4的最小公倍数tm，得出统一的时间索引向量：其中，ti代表四种原位成像设备的采样周期，k代表最小采样周期数据在统一时间索引下的最大个数；令四种原位成像设备所获取的图像数据位于一个统一的像素坐标系中，且在该坐标系中，四种原位图像数据重合区域(后简称融合区)的起始点坐标为(xDOI，yDOI)；对于连续变倍体式显微镜(40302)，融合区所对应的矩阵函数为： HDOI＝{tU，(xDOI+i1)，(yDOI+j1)，h(tU，(xDOI+i1)，(yDOI+j1))} 对于红外热像仪(40204)，融合区所对应的矩阵函数为： TDOI＝{tU，(xDOI+i2)，(yDOI+j2)，T(tU，(xDOI+i2)，(yDOI+j2))} 对于高速相机(40102)，融合区所对应的矩阵函数为： NDOI＝{tU，(xDOI+i3)，(yDOI+j3)，n(tu，(xDOI+i3)，(yDOI+j3))} 对于CCD相机VI(30111)，融合区所对应的矩阵函数为： EDOI＝{tU，(xDOI+i4)，(yDOI+j4)，ε(tU，(xDOI+i4)，(yDOI+j4))} 其中，(xDOI+i1，yDOI+j1)代表融合区起始点在连续变倍体式显微镜(40302)像素坐标系中的坐标，(xDOI+i2，yDOI+j2)代表融合区起始点在红外热像仪(40204)像素坐标系中的坐标，(xDOI+i3，yDOI+j3)代表融合区起始点在高速相机(40102)像素坐标系中的坐标，(xDOI+i4，yDOI+j4)代表融合区起始点在CCD相机VI(30111)像素坐标系中的坐标；根据上述时空坐标统一的结果，建立融合分析矩阵函数F： F＝{tU，xDOI，yDOI，HDOI，NDOI，TDOI，EDOI}。
所属类别：	发明专利