本發(fā)明涉及力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種sr-ct力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)及sr-ct力學(xué)試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

眾所周知，材料的宏觀力學(xué)性能在很大程度上是由材料本身內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)決定的，且材料的微觀結(jié)構(gòu)往往對(duì)其宏觀力學(xué)性能起到?jīng)Q定性的作用。材料的失效破壞從本質(zhì)上講，是由微觀結(jié)構(gòu)的損傷引起的，因此要了解材料失效破壞機(jī)理就需要實(shí)時(shí)研究材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的演化。現(xiàn)階段雖然材料力學(xué)的研究范疇已經(jīng)發(fā)展到微觀結(jié)構(gòu)，但是更多的集中在理論研究，而缺少高精度的實(shí)驗(yàn)性研究技術(shù)。因此需要發(fā)展一種能夠在細(xì)微條件下研究材料力學(xué)行為的方法及技術(shù)。

sr-ct(synchrotronradiation-computedtomography同步輻射計(jì)算機(jī)斷層掃描術(shù))，簡(jiǎn)稱為同步輻射ct技術(shù)，作為一種新型的檢測(cè)技術(shù)，其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)材料微觀機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維、無(wú)損實(shí)時(shí)在線的觀測(cè)。

同步輻射ct力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)中通常包括光源、力學(xué)試驗(yàn)裝置以及數(shù)據(jù)重建系統(tǒng)，光源的作用在于發(fā)出同步輻射光，同步輻射光照射在力學(xué)試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)工件處，力學(xué)試驗(yàn)裝置一方面對(duì)實(shí)驗(yàn)工件進(jìn)行加載，另一方面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以便在0°-180°范圍內(nèi)進(jìn)行投影，投影后的數(shù)據(jù)被采集并送至數(shù)據(jù)重建系統(tǒng)，數(shù)據(jù)重建系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)算規(guī)則重建掃描圖像。

目前的力學(xué)試驗(yàn)裝置通常包括上支撐板和下支撐板，上支撐板和下支撐板之間對(duì)稱設(shè)置有兩根支撐柱，為了保證其剛度，不可避免的會(huì)增大支撐柱的尺寸。對(duì)于同步輻射ct試驗(yàn)，目前是采集0°-180°完整角度下的所有投影，然后再通過(guò)濾波反投影重建算法重建出掃描圖像，較粗的支撐柱在投影過(guò)程中的遮擋角較大，使得采集投影的角度減小，這將導(dǎo)致重建后的掃描圖像質(zhì)量較差，無(wú)法準(zhǔn)確觀測(cè)材料微觀結(jié)構(gòu)的變化。

因此，如何能夠有效提高重建后的掃描圖像質(zhì)量，以便準(zhǔn)確反映材料微觀結(jié)構(gòu)的變化是目前本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一是提供一種sr-ct力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，以便能夠有效提高重建后的掃描圖像質(zhì)量，準(zhǔn)確反映材料的微觀結(jié)構(gòu)變化。

本發(fā)明的另一目的還在于提供一種sr-ct力學(xué)試驗(yàn)方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所提供的sr-ct力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，包括光源、力學(xué)試驗(yàn)裝置以及數(shù)據(jù)重建系統(tǒng)，所述力學(xué)試驗(yàn)裝置包括上支撐板和下支撐板，用于夾持試驗(yàn)工件的夾頭位于所述上支撐板和所述下支撐板之間，且所述上支撐板和所述下支撐板之間設(shè)置有多根支撐柱，所述支撐柱的根數(shù)大于2，且所述支撐柱均勻布置于同一圓周上。

優(yōu)選的，所述上支撐板和所述下支撐板之間設(shè)置有4-8根所述支撐柱。

優(yōu)選的，所述上支撐板和所述下支撐板之間設(shè)置有6根所述支撐柱。

優(yōu)選的，所述下支撐板上設(shè)置有力傳感器，所述力傳感器位于所述支撐柱圍成的圓周中心，所述力傳感器上設(shè)置有下部載物臺(tái)；所述上支撐板上設(shè)置有加載裝置，所述加載裝置的輸出端連接有上部載物臺(tái)，試驗(yàn)工件的上端被連接于所述上部載物臺(tái)的上夾頭夾持，下端被連接于所述下部載物臺(tái)的下夾頭夾持。

優(yōu)選的，所述加載裝置為微米促動(dòng)器。

優(yōu)選的，所述上夾頭以及所述下夾頭均具有用于夾持所述試驗(yàn)工件的夾持端和與所述夾持端相連的膨大端，所述上部載物臺(tái)上設(shè)置有與所述上部夾頭的膨大端形狀適配的上部卡裝槽，所述下部載物臺(tái)上設(shè)置有與所述下部夾頭的膨大端形狀適配的下部卡裝槽。

優(yōu)選的，其特征在于，所述支撐柱所圍成的圓周的直徑為40mm。

優(yōu)選的，所述支撐柱的直徑為4mm。

本發(fā)明中所公開(kāi)的sr-ct力學(xué)試驗(yàn)方法，采用上述任意一項(xiàng)中所公開(kāi)的sr-ct力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，該力學(xué)試驗(yàn)方法至少包括以下步驟：

1)對(duì)安裝于所述力學(xué)試驗(yàn)裝置上并進(jìn)行加載的實(shí)驗(yàn)工件進(jìn)行0°-180°范圍內(nèi)的投影；

2)對(duì)所述投影進(jìn)行等間距稀疏離散采樣，得到采樣結(jié)果；

3)所述數(shù)據(jù)重建系統(tǒng)利用所述采樣結(jié)果通過(guò)稀疏重構(gòu)算法重建出所述試驗(yàn)工件的截面圖像。

優(yōu)選的，在所述步驟2)和所述步驟3)之間，還包括：對(duì)所述采樣結(jié)果進(jìn)行濾波處理。

可以看出，本發(fā)明中所公開(kāi)的sr-ct力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)中，力學(xué)試驗(yàn)裝置在上支撐板和下支撐板之間設(shè)置了多于2根的支撐柱，相比于采用兩根支撐柱的傳統(tǒng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，在需要支撐的負(fù)載質(zhì)量不變的前提下，本發(fā)明中的力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置單根支撐柱的直徑可以做的更小，這使得在進(jìn)行投影時(shí)，每根支撐柱所造成的連續(xù)遮擋角減小，每根支撐柱所造成的連續(xù)遮擋角不大于15°，而且經(jīng)過(guò)測(cè)算，在0°-180°的范圍內(nèi)，所有支撐柱的總遮擋角也比兩根支撐柱所造成的總遮擋角要小，這使得可取得有效投影的角度范圍增加，為后續(xù)數(shù)進(jìn)行圖像重建提供了更多的投影數(shù)據(jù)支持，這可以有效提高重建后的掃描圖像質(zhì)量；另外由于有效投影角度范圍的增加，投影數(shù)據(jù)增多，因此還為等間距稀疏離散采樣提供了可能，采用等間距離散采樣配合稀疏重構(gòu)算法可以有效提高圖像重建速度。

本發(fā)明所公開(kāi)的sr-ct力學(xué)試驗(yàn)方法，采用上述sr-ct力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，并且對(duì)0°-180°范圍內(nèi)的投影進(jìn)行等間距系數(shù)離散采樣，數(shù)據(jù)重建系統(tǒng)利用采樣結(jié)果通過(guò)稀疏重構(gòu)算法重建出加載試驗(yàn)工件的截面圖像，該力學(xué)試驗(yàn)方法可以有效提高掃描圖像的重建速度和質(zhì)量。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中所公開(kāi)的力學(xué)試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中所公開(kāi)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的支撐柱在下支撐板上的分布示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中所公開(kāi)的夾頭與載物臺(tái)的配合示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中所公開(kāi)的夾頭與試驗(yàn)工件的配合示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的支撐柱在180度范圍內(nèi)的擋光示意圖。

其中，1為加載裝置，2為上支撐板，3為載物臺(tái)，4為夾頭，5為支撐柱，6為力傳感器，7為下支撐板，8為試驗(yàn)工件，9為x射線，31為上部載物臺(tái)，32為下部載物臺(tái)，41為上夾頭，42為下夾頭。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的核心之一是提供一種sr-ct力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，以便能夠有效提高重建后的掃描圖像質(zhì)量，準(zhǔn)確反映材料的微觀結(jié)構(gòu)變化。

本發(fā)明的另一核心是提供一種sr-ct力學(xué)試驗(yàn)方法。

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明中所公開(kāi)的sr-ct力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，包括用于發(fā)射x光線的同步輻射光源、用于對(duì)工件進(jìn)行拉伸或壓縮的力學(xué)試驗(yàn)裝置以及用于對(duì)投影數(shù)據(jù)處理并重建掃描圖像的數(shù)據(jù)重建系統(tǒng)，在該力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)中，力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，該力學(xué)試驗(yàn)裝置包括上支撐板和下支撐板，用于夾持試驗(yàn)工件的夾頭位于上支撐板和下支撐板之間，上支撐板和下支撐板之間設(shè)置有多根支撐柱，支撐柱的數(shù)量大于2，支撐柱均勻的分布于同一個(gè)圓周上。

由于力學(xué)試驗(yàn)裝置在上支撐板和下支撐板之間設(shè)置了多于2根支撐柱，相比于采用兩根支撐柱的傳統(tǒng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，在需要支撐的負(fù)載質(zhì)量不變的前提下，本發(fā)明中的力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置單根支撐柱的直徑可以做的更小，這使得在進(jìn)行投影時(shí)，每根支撐柱所造成的連續(xù)遮擋角減小，而且經(jīng)過(guò)測(cè)算，在0°-180°的范圍內(nèi)，所有支撐柱的總遮擋角也比兩根支撐柱所造成的總遮擋角要小，這使得可取得有效投影的角度范圍增加，為后續(xù)數(shù)進(jìn)行圖像重建提供了更多的投影數(shù)據(jù)支持，這可以有效提高重建后的掃描圖像質(zhì)量；另外由于有效投影角度范圍的增加，投影數(shù)據(jù)增多，因此還為等間距稀疏離散采樣提供了可能，采用等間距離散采樣配合稀疏重構(gòu)算法可以有效提高圖像重建速度。

通常情況下，同步輻射ct試驗(yàn)平臺(tái)上的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)承重不得超過(guò)2kg，這就嚴(yán)格限制了加載裝置的尺寸以及重量，為了滿足試驗(yàn)精度，加載裝置需要與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)精密配合，因此支撐柱在40mm的圓形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行排布，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)算，在采用6根支撐柱時(shí)，支撐柱的尺寸在直徑為4mm時(shí)即可滿足支撐柱的剛度需求，此時(shí)根據(jù)試驗(yàn)用品大小可以計(jì)算出，在180°的范圍內(nèi)每一根支撐柱的連續(xù)遮擋角度在13°左右，總的遮擋角度控制在40°左右，如圖5中所示。當(dāng)然，支撐柱的數(shù)量為4根、8根時(shí)相比于傳統(tǒng)的兩根支撐柱而言，其聯(lián)系遮擋角以及總遮擋角也會(huì)有不同程度的減小，但是相比于6根而言，4根支撐柱的連續(xù)遮擋角較大，8根支撐柱的總遮擋角較大，因此本發(fā)明中的sr-ct力學(xué)試驗(yàn)裝置中，支撐柱的數(shù)量采用6根為宜。

請(qǐng)同時(shí)參考圖1至圖4，本發(fā)明實(shí)施例中所公開(kāi)的力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)中，力學(xué)試驗(yàn)裝置的下支撐板上設(shè)置有力傳感器，以便測(cè)量拉力或壓力的大小，本實(shí)施例中主要用于測(cè)量拉力，力傳感器位于支撐柱圍成的圓周中心，以保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，力傳感器上設(shè)置有下部載物臺(tái)，上支撐板上設(shè)置有加載裝置，加載裝置的輸出端連接有上部載物臺(tái)，試驗(yàn)工件的上端被連接于上部載物臺(tái)的上夾頭夾持，下端被連接于下部載物臺(tái)的下夾頭夾持，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本實(shí)施例中的加載裝置為微米促動(dòng)器，所謂微米促動(dòng)器是指對(duì)實(shí)驗(yàn)工件施加微米位移量級(jí)的位置裝置，其位移分辨率為0.1μm。

上夾頭和下夾頭分別夾持試驗(yàn)工件的上端和下端，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解的是，上夾頭和下夾頭與載物臺(tái)的連接方式包括多種，例如卡接，螺紋連接等，在本實(shí)施例中，上夾頭以及下夾頭均具有用于夾持試驗(yàn)工件的夾持端和與夾持端相連的膨大端，上部載物臺(tái)上設(shè)置有與上部夾頭的膨大端形狀適配的上部卡裝槽，下部載物臺(tái)上設(shè)置有與下部夾頭的膨大端形狀適配的下部卡裝槽，如圖3中所示，通過(guò)卡裝槽與膨大部的配合實(shí)現(xiàn)夾頭與載物臺(tái)的連接。

本發(fā)明中還公開(kāi)了一種sr-ct力學(xué)試驗(yàn)方法，該方法為，采用上述任意一實(shí)施例中所公開(kāi)的sr-ct力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)安裝在力學(xué)試驗(yàn)裝置上并已經(jīng)進(jìn)行加載的實(shí)驗(yàn)工件進(jìn)行0°-180°范圍內(nèi)的投影，需要進(jìn)行說(shuō)明的是，該投影過(guò)程只需保證角度轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為180°即可，與起點(diǎn)的選擇無(wú)關(guān)，然后對(duì)投影進(jìn)行等間距系數(shù)離散采樣，得到采樣結(jié)果，數(shù)據(jù)重建系統(tǒng)根據(jù)該采樣結(jié)果通過(guò)稀疏重構(gòu)算法重建出試驗(yàn)工件的截面圖像。

試驗(yàn)工件的旋轉(zhuǎn)是將整個(gè)力學(xué)試驗(yàn)裝置安裝于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的，所謂等間距稀疏離散采樣是指間隔相同角度進(jìn)行離散采樣，采樣時(shí)的角度并不連續(xù)，但是相鄰兩次采樣的角度間隔始終相等，這樣可以避免出現(xiàn)大的連續(xù)遮擋角度，從而降低支撐柱對(duì)投影采集的影響。

為了進(jìn)一步提高掃描圖像的重建質(zhì)量，在將采樣結(jié)果送至數(shù)據(jù)重建系統(tǒng)之前，還對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行濾波處理。

該方法可以實(shí)現(xiàn)高分辨率同步輻射ct試驗(yàn)，能夠在數(shù)據(jù)缺失的情況下有好的重建效果，能夠?yàn)楹罄m(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)特征參數(shù)的提取以及數(shù)據(jù)的分析提供較高的重建質(zhì)量，可以應(yīng)用于航天材料、生物材料等先進(jìn)多相復(fù)合材料，進(jìn)行三維無(wú)損、實(shí)時(shí)在線觀測(cè)其受拉伸載荷作用下的微觀結(jié)構(gòu)演化過(guò)程。

以上對(duì)本發(fā)明所提供的sr-ct力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)及sr-ct力學(xué)試驗(yàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。