Диссертация (1143951), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Ввиду специфики решаемой прикладнойзадачи, для диссертационного исследования наибольший интерес представляетвысокотемпературная дилатометрия в диапазоне температур 1000..3000К.Рассмотрим более подробно средства измерения температурного расширения,применяющиеся в современных дилатометрах. По принципу функционированиясредства измерения температурного расширения могут быть разделены на четырегруппы: механические, электромеханические, интерференционные и оптические.В основе механических и электромеханических средств измерений лежитустройство-толкатель, передающее деформацию образца на внешний датчик,сопряженный с системой измерения.
Средства электромеханического типаиспользуютсявбольшинствесовременныхкоммерчески-выпускаемыхдилатометров в диапазоне температур до 3000К. Известным недостатком такогометода измерения является зависимость результата измерений от свойствтолкателя, а также наличие физического контакта средства измерения и образца.Указанные недостатки приводят к появлению соответствующей неопределенности156в результатах измерений, что ограничивает область применения средствмеханического типа относительно невысокой точностью [110].Интерференционные средства измерения расширения основаны на анализеинтерференционных картин, формируемых когерентным источником освещения,при этом поверхность образец включается в оптическую схему, изменяя плечоинтерферометра в соответствии с расширением образца.
Методы интерферометриина сегодняшний день являются наиболее точными методами измерения ТКЛР.Существуют прецизионные интерференционные дилатометры, построенные посхеме Физо [111], Майкельсона [112], Фабри-Перо [113], поляризационныелазерныеинтерферометры[114].ВРоссиисозданыпрецизионныеавтоматизированные дилатометры интерференционного типа, работающие вдиапазоне температур 90–1800 К [115–117]. Недостатком интерференционногометода является сложность реализации в диапазоне температур интенсивногосвеченияобразца(свыше1800К),вызванногоснижениемконтрастаинтерференционной картины.Оптические средства измерения основаны на анализе разновременныхизображенийобразца,поизменениюрасширения.Преимуществамикоторыхоптическогоопределяютсяметодаявляются:параметрыотсутствиевоздействия на измеряемый объект, отсутствие механических элементов системыизмерениявзонеизменениятемпературы,возможностьиспользованиясобственного свечения образца для формирования изображений.
Последнеесвойство позволяет эффективно применять оптический метод в диапазонетемператур свыше 1800К. При этом применение метода в области температур,недостаточных для интенсивного свечения образца в оптическом диапазоне(приблизительно 700-1000К), осуществляется за счет применения внешнихосветителей. Кроме того, использование оптического метода в меньшей степенинакладывает ограничения на механическую обработку измеряемого образца посравнению с методами интерферометрии.Учитывая малость измеряемых величин, для формирования изображенийприменяют оптические микроскопы с большим удалением плоскости предмета, что157вызвано необходимостью удаления элементов оптической системы от горячейповерхности образца.
Поскольку поле зрения таких систем крайне мало, дляповышения точности измерений ТКЛР используют т.н. схему сдвоеннойтелемикроскопии [118]. При такой схеме расширение образца определяется поизменению изображений пары его краев, при этом сами края могут быть удаленыдруг от друга на расстояние существенно большее, чем поле зрения каждойоптической системы по отдельности. Увеличение длины образца при этомспособствует пропорциональному увеличению его расширения, что, в конечномитоге, позволяет снизить погрешность измерения ТКЛР.4.1.2.Проблематика автоматизированной обработки изображений всистемах измерения температурного расширенияДо повсеместного внедрения автоматизированных средств обработкиизображений,измерениеТКЛРметодомсдвоеннойтелемикроскопииосуществлялось вручную. Помимо того, что данный способ измерения являетсяморально устаревшим, разница в восприятии и интерпретации изображенийразличными операторами системы приводит к существенной субъективнойпогрешности измерений.
В настоящее время ведутся работы по разработкеавтоматизированных средств измерения температурного расширения.Известныеметодыобработкиизображенийвсистемахизмерениятемпературного расширения разделяются на две категории: методы, основанные нацифровой корреляции изображений (ЦКИ), и методы, основанные на оценке краевобъектов. Методы ЦКИ применяются, в основном, для исследования полейдеформации [119, 120], а методы оценки контуров – для измерения интегральныххарактеристик образцов.
Вследствие малого контраста естественных образцов,применение методов ЦКИ сопряжено с необходимостью дополнительнойподготовки поверхности путем нанесения контрастных термостойких покрытий[121], в то время как методы оценки контуров в общем случае не требуют какойлибо дополнительной подготовки поверхности образца. Последнее обстоятельство158определяет актуальность решения задач измерения температурной деформацииметодами оценки контуров.Несмотря на свои преимущества, применение как оптического метода вцелом, так и методов оценки контуров в задаче измерения температурнойдеформацииобъектовсопряженоснеобходимостьюкомпенсациирядаискажающих изображение факторов.
Эти факторы могут быть разделены на двегруппы, отличающихся типом искажения изображения: первая группа связана сискажениями яркости, вторая – с искажениями геометрии измеряемого объекта.К факторам искажения яркости относятся:• неравномернаяяркостьповерхностиобразца,обусловленнаянеравномерностью температуры образца, виньетированием оптическойсистемы, остаточной паразитной засветкой от участков образца внеполя зрения камеры;• неравномернаяяркостьтемпературногополяфона,обусловленнаягорячихнеравномерностьюэлементовдилатометра,виньетированием оптической системы, а также неидеальностьюсистемы подсветки (при условии наличия таковой);• изменение распределений яркости объекта и фона в процессе изменениятемпературы образца.В отличие от задач измерения геометрии объектов с контролируемымискусственным освещением, распределение яркости поверхности образца при егособственном свечении практически не поддается контролю.
Таким образом,указанныефакторыследуетрассматриватькакнеотъемлемыесвойстваизображений и учитывать при обработке изображений.Вторая группа факторов (искажения геометрии образца) также определяетсяспецификой задачи измерения температурного расширения. Искажения геометриимогут быть разделены две составляющие:• линейная деформация контура объекта (ожидаемая составляющая);159• случайная деформация отдельных участков контура («паразитная»деформация, рис. 4.1).800℃1200℃1400℃1 ммРисунок 4.1 Изменение изображения образца в процессе нагревана примере образца карбида тантала с двумя отверстиями при температурах800℃, 1200℃ и 1400℃Линейная деформация контура следует из модели линейного температурногорасширения, в рамках которой и определяется величина ТКЛР. Причинамипаразитной деформация могут быть наличие частиц пыли на краю образца,шероховатость краев образца, отслоение частиц материала в процессе нагрева.Учитывая малость измеряемых величин (единицы-десятки мкм), даже небольшиеотклонения формы контура объекта могут оказывать существенное влияние нарезультат измерений.
На практике эти деформации как правило оказывают влияниелишь на небольшую часть контура, локализуясь в участках протяженностью донескольких десятков мкм, что потенциально позволяет осуществить их частичнуюфильтрацию при соответствующей цифровой обработке.Решению проблемы паразитной деформации при измерении температурногорасширения посвящены, например, сравнительно недавние работы [122, 123].Предлагаемые в них решения заключаются в некоторой нелинейной обработкеданных контура объекта с целью фильтрации «выбросов».
При этом в основе160методов обработки лежит прямолинейная модель контура образца. В реальностиконтур образца может содержать множество собственных изгибов (например,вследствие неидеальности механической обработки) и не соответствоватьпрямолинейной модели. Кроме того, указанные решения обрабатывают данныекаждого из измерений независимо, однако определение того, какие из изгибовявляются паразитными, а какие – устойчивыми (т.е. не изменяются при изменениитемпературы), основываясь только лишь на одном изображении представляетсязатруднительным. Таким образом, перспективным решением данной проблемыпредставляется совместный анализ данных контура объекта по крайней мере подвум изображениям – до и после расширения.Поскольку оптический метод применяется в области высоких температур,расстояние между объектом и объективом системы составляет десяткисантиметров, что приводит к проблеме дифракционного размытия при требуемомувеличении изображения и допустимых апертурах оптической системы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
