現(xiàn)代高精尖產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，需要大量新型材料和新工藝，在低溫環(huán)境條件下，新材料的力學(xué)性能直接影響著結(jié)構(gòu)整體承載能力。對于材料在超低溫環(huán)境下的力學(xué)性能準(zhǔn)確測量也就顯得至關(guān)重要，尤其是試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和面縮率等拉伸性能指標(biāo)。

為什么要在超低溫環(huán)境下進(jìn)行DIC測試？

航空航天

如液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)材料，由于液氫（沸點(diǎn)-253℃）、液氧（沸點(diǎn)-183℃）等低溫貯存推進(jìn)劑的存在，還有超低溫（-100℃以下）環(huán)境要求，需采用具有優(yōu)良的超低溫力學(xué)性能的材料。

醫(yī)療器械

用于低溫手術(shù)的醫(yī)療器械，使用液氮對患者的局部肉體進(jìn)行低溫瞬時(shí)低溫冷凍，使得肉體固化后進(jìn)行快速和無痛手術(shù)。

芯片半導(dǎo)體

在經(jīng)過高溫及較低溫的連續(xù)變化環(huán)境試驗(yàn)，可以檢測出半導(dǎo)體芯片忍受極端溫度變化的程度，得以在短時(shí)間內(nèi)檢測到試樣因熱脹冷縮所引起的化學(xué)變化或物理損傷。

非接觸DIC技術(shù)超低溫環(huán)境測試優(yōu)勢

在超低溫環(huán)境下，使用數(shù)字圖像相關(guān)法（DIC）進(jìn)行應(yīng)變測試應(yīng)用的幾個(gè)優(yōu)勢。

新拓三維自主研發(fā)的XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，是一種基于散斑，計(jì)算機(jī)視覺原理、數(shù)字圖像處理和數(shù)值計(jì)算、非接觸、非干涉、全場變形的光學(xué)測量系統(tǒng)。

作為一種非接觸測量DIC技術(shù)，DIC全場應(yīng)變系統(tǒng)適用于眾多極限條件下的材料力學(xué)研究，其中包括高低溫環(huán)境下的力學(xué)性能測試。

新拓三維XTDIC-Micro顯微應(yīng)變測量系統(tǒng)搭配液氮光學(xué)冷熱臺（-190～600 ℃）

非接觸式DIC應(yīng)變測量技術(shù)適用于各種材料質(zhì)量檢測，測試條件不受環(huán)境、形狀、速度等因素影響。DIC技術(shù)可實(shí)現(xiàn)全場測量：坐標(biāo)、位移、速度、應(yīng)變、形狀和形變等。

超低溫環(huán)境下

DIC應(yīng)變測量的難題

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（DIC）在非均質(zhì)材料力學(xué)性能研究方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，但低溫介質(zhì)氣化引起的氣流擾動(dòng)、起霧、結(jié)霜，以及低溫引起光學(xué)玻璃的厚度和折射率發(fā)生改變，均會(huì)對圖像產(chǎn)生較大影響，是DIC測試系統(tǒng)的誤差主要來源。

通過分析超低溫環(huán)境下DIC全場顯微應(yīng)變測量誤差的影響因素，掌握光測力學(xué)誤差產(chǎn)生的機(jī)理，采用多種方案保證測試精度，對準(zhǔn)確獲取在低溫環(huán)境下材料的全場力學(xué)性能，保證材料在極端環(huán)境下服役的安全性和可靠性具有重要意義。

氣流擾動(dòng)、起霧等干擾消除

針對氣流擾動(dòng)等誤差影響的解決方案，大致可以分為利用算法和硬件裝置兩大類。

在算法方面，新拓三維自主研發(fā)的DIC技術(shù)采用灰度平均方法，通過對同一狀態(tài)下試件表面快速采集多幅受到氣流擾動(dòng)影響的圖像進(jìn)行灰度平均，取得質(zhì)量較高的散斑圖像，消除由于氣流隨機(jī)運(yùn)動(dòng)造成的圖像灰度誤差，從而提高DIC計(jì)算精度。

基于多圖灰度平均的圖像處理方法

在硬件裝置方面，XTDIC-Micro顯微應(yīng)變測量系統(tǒng)配套溫度控制模塊、高低溫環(huán)境箱、冷熱實(shí)驗(yàn)臺，提供-190℃～600℃的試驗(yàn)環(huán)境。搭配的冷熱臺，采用氮?dú)饣亓鞒F技術(shù)與可視窗口，結(jié)合DIC測試技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)超低溫變形過程中應(yīng)變的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

另外，針對氣流擾動(dòng)可采用“氣刀”裝置，將氣刀置于石英玻璃表面，氣刀的進(jìn)風(fēng)管與高壓氮?dú)馄拷M連接，壓縮純氮?dú)獯等霘獾肚惑w內(nèi)，氣刀內(nèi)部其獨(dú)特的構(gòu)造對潔凈的氮?dú)膺M(jìn)行整流，在出口處形成高集中度、大流量的沖擊氣幕，可保證石英玻璃表面的氣流朝向一個(gè)方向均勻規(guī)律地運(yùn)動(dòng)，避免氣流隨機(jī)運(yùn)動(dòng)帶來的影響。

DIC應(yīng)變測量系統(tǒng)中引入氣刀裝置

解決極端環(huán)境下DIC方法中氣流擾動(dòng)，可結(jié)合“雙氣刀裝置”和“灰度平均方法”，來消除氣流擾動(dòng)帶來的誤差影響。另外，通過利用氮?dú)獬掷m(xù)吹除空氣及水蒸氣，可避免液氮液面形成的霧氣和光學(xué)玻璃的結(jié)霜問題。

光學(xué)玻璃厚度與折射干擾消除

超低溫DIC測試過程中，試驗(yàn)裝置如采用多層光學(xué)玻璃對空氣進(jìn)行隔離，玻璃會(huì)產(chǎn)生折射偏轉(zhuǎn)，低溫也會(huì)引起折射率發(fā)生改變，需考慮這些因素給DIC測量結(jié)果帶來的誤差影響。

新拓三維XTDIC-Micro顯微應(yīng)變測量系統(tǒng)，通過調(diào)整DIC軟件系數(shù)修正算法，建立適用于全場變形的誤差修正模型，分析折射偏移量和全場應(yīng)變誤差，消除因溫度梯度、光學(xué)玻璃的厚度和折射率引起的正應(yīng)變誤差影響。

DIC全場應(yīng)變測量-玻璃折射引起的正應(yīng)變誤差

通過DIC軟件算法的調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)光學(xué)玻璃折射后的CCD攝像機(jī)識別和應(yīng)變修正，DIC測量光路中的溫度梯度導(dǎo)致的光學(xué)玻璃的厚度，折射率的變化對DIC測量結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變測量誤差，故增加光學(xué)玻璃的層數(shù)也不會(huì)對測量誤差產(chǎn)生影響。

FR-4層PCB板不同溫度測試

試驗(yàn)測試溫度：低溫零下40℃—高溫150℃；

DIC顯微應(yīng)變系統(tǒng)測量視場：128*96mm，根據(jù)變形應(yīng)變情況，分析材料受熱或冷卻時(shí)膨脹系數(shù)。

測量PCB板從零下40°C升溫到150°C，半導(dǎo)體PCB板冷熱膨脹點(diǎn)點(diǎn)距離以及材料翹曲。

通過分析超低溫環(huán)境下DIC顯微應(yīng)變測量誤差的影響因素，超低溫應(yīng)變測量采用DIC軟件算法系數(shù)修正、封閉式冷熱臺、“氣刀裝置”相結(jié)合的方式，可有效消除氣流擾動(dòng)和雙層玻璃帶來的誤差影響，保證DIC在低溫環(huán)境下的應(yīng)變測量精度。