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高速摄像技术在材料科学研究中的应用和发展

       高速摄 影或摄像是 一种 快速 拍摄技术 。1948 年,电影电视工程师协会(SMPTE)将 高速摄影或摄 像定义为拍摄速度每秒超过 128帧,并且连续拍摄 至少 3帧。高速摄像系统是一种高速瞬发过程的测 试记录手段 ,最早出现于 2O世纪 70年代 ,该技术 综合利用光、机 、电、光电传感器与计算机等一系 列技术 ,拍摄间隔时间在千分之一秒到几十万分之一 秒之间,主要用于记录高速运动或变化过程中的 某一瞬时状态或全部历程的手段 。由于高速摄像技 术具有精度高、速度快、拍摄信息量多等优 点,能 够直接测量和获得大量的准确 时空信息,为研究高 速运动的现象和运动规律提供了重要实验数据 。目 前广泛应用于流体和燃烧研究,飞行及武器研究, 机械加工和工具设计,物理和化学过程光 电工程研究,医药研究,天体物理学研究,材料学研究,原 子能研究,爆破工程等研究领域IJJ。 目前在材料科 学领域,该技术应用还处于初级阶段, 目前主要用 于材料领域 中的高速变化行为的研究,如粉末冶金 中的雾化制粉过程、电弧焊接过程 、电接触基本行 为和过程的观察等。本文介绍 了高速摄像技术的基 本原理和特点 ,主要针对其在材料研究领域 中的应 用以及取得成果,重点介绍了该技术在 电弧和电接 触研究中的进展,并给 出了本研究组在贵金属 电接 触行为所做的部分工作和成果。

1 高速摄像技术的发展

       首先需要 区分高速摄影和高速摄像技术之间的 异同。这两种技术均是采用一定制式的相机 以很高 的速度一幅一幅的(即摄影频率)来拍摄快速运动的 物体 ,将物体 的运动变化过程记录下来。而这两种 技术 的主要差别是:高速摄影是采用胶片作为记录 介质 ,而高速摄像则是采用非胶片的摄影 ,使用 的 光敏器件为固体图像传感器 ,其记录介质为存储器 和磁盘。前者 出现较早 ,技术成熟,而后者是在前 者基础上发展而来 ,目前大有取代前者的趋势 。

        高速摄影是摄影技术的一个专门分支,起源于 1884年布拉格物理研究所马赫教授用 电火花照明 拍摄 飞行的弹丸。而高速连续摄影是从 1870年英国 摄影家 EadweardMuybridge使用一系列的单幅照相 机来记录奔跑中马的图像开始地【2]。高速摄影 由高 速摄像机和胶片判读系统组成,采用连续光作为光 源,用高速摄影机将某一运动过程记录在按时间发 展的一幅幅胶片上 ,拍摄完成后可以通过慢速放映 再现被记录过程的运动或变形过程 的方法 J??占?信息是以图像来表现的,而时间信息是 以摄影频率 或曝光时间来决定的。对高速摄影记录胶片的后期 定量分析是在胶片判读仪上进行的。传统的胶片判 读系统需要冲洗设备、放映设备等 ,机械结构复杂, 实验成本较高。国内高速摄影技术起步于 20世纪 5O年代后期,早期主要用于国防军事方面,目前已 扩展到民用领域,从宏观机械运动扩展到微观机制, 并 已取得了许多科学成果。

       高速摄像技术是一种全新的高速瞬发过程 的测 试记录手段 ,出现于 20世纪 70年代 ,初期的高速 摄像系统无论摄像速率还是摄像分辨率都比较低, 难 以与胶片式高速摄影机相比。1960年前胶片是高 速摄像记录的惟一介质,但近年来随着 电子技术、计算机技术、微加工技术的发展 ,出现 了新型传感 器和大容量存储技术,高速摄像系统的性能得到大 幅度提高。高速摄像机 的基本工作原理是首先通过 CCD摄像头直接将模拟 图像转化为数字化图像 ,而 后存储到磁盘或存储???,同时由监视器显示,最 后工作结束后即可及时地慢速重放【4J,并进行后期 处理、测量和分析 。该技术的主要优点是 :分辨率 高 ,拍摄图像清晰,没有光晕现象,抗干扰能力强, 功耗低,系统操作方便;相机便于携带可独立工作; 事后通过网线或通用接 口把 图像下载至计算机 ;可 组成网络摄像系统等 。该设备的出现大大节约 了实 验所需要的时间及人力、物力,大大降低 了实验的 难度和 门槛 ,有力推动了高速摄像技术的应用领域 和范围。目前高速摄像机的核心技术和制造加工技 术主要掌握在 国外企业手中,国内用户只能进 口才 能获得该类装备 。

2 高速摄像技术在材料科学研究中的应用

       高速摄像技术的应用领域很广 ,着重介绍 高速摄像系统在材料学领域方面的一些应用。高速 摄像技术主要用于观察和测量 ,材料加工、制备和 服役过程中,极短时间内发生的状态变化或行为 。 目前 已有的研究领域主要有包括金属雾化制粉、钢 带轧制、焊接技术和 电接触实验等。

a.高速摄像技术在金属加工 中的应用

       我 国在金属雾化制粉工艺中,利用高速摄像技 术取得 了良好的效果 。金属粉末在粉末冶金、喷涂 技术和 高效率焊条 的生产 中均 占有非 常重要 的地 位 。熔融金属在高温高压下压 出喷嘴时 ,金属的粒 子速度很高,为了减少粉末中的含氧量 ,控制粉粒 的形貌和粒度,必须对金属的雾化机理进行深入的 研 究。高速摄影 的图片可 以显示喷嘴 口到喷嘴汇交 点之间金属液流波动的横 向位移量 ,描绘了雾化开 始 区到完成区金属雾化过程【oJ。这就为喷嘴设计、 参数选择和提高粉末质量提供 了良好的依据 。 在薄型钢带轧制工艺中,由于此前缺乏有效的 手段 ,成型过程不清楚,应用高速摄影技术后,可 以获得其成型过程的清晰照片 ,从而可 以很好的改 进制作工艺,提高产 品合格率 。

b.高速摄像技术在 电接触研究中的应用

       近年来高速摄像技术的发展,在电接触研究领 域 中的电弧、分断过程等方面逐渐开始使用起来。 对于 电弧 的研 究主要集中在高 电压、大电流的开关 放 电行为 ,以及大电流条件下的电弧行为 ,而对于 小电流、中小电压条件下使用 的贵金属基 电接触材 料的电弧或微观 电接触行为的研究, 目前 国内外相 关的研究报道极少。本研究小组针对该问题开展 了 研究,并根据研究体系的特点建立了适合贵金属基 电接触材料测试的高速摄像体系 ,并设计和构建 了 相应 的光路设计 ,为安装在 电接触实验机上进 行实时测试的高速摄像系统的光学系统部分 。通过 该系统 目前 己经拍摄 了分断式电接触过程 中触头的 运动行为和特点,为拍摄到的触头的瞬时放大 影像,其线放大率为约 20倍 。

 

3 高速摄像技术发展及应用展望

       实践证明高速摄像技术在记录瞬时状态和过程 相 关的研究方面,具有广泛 的应用前景。在材料科 学应用方面存在下列问题:① 材料学研究的工作环 境比较复杂 ,若拍摄条件和技术较差,会直接影响 实验结果;② 高速摄像系统中的拍摄技术,以及光 路设计技术需要进一步总结和提高,从而方便使用 人员进行学习和选择 :③ 现有的高速摄像机 的成本 比较高,导致 高速摄像系统和设备的普及率不太高, 使得该技术 的应用造成 了阻碍 。

       对于高速摄像技术近年来随着计算机技术和微 电子技术的发展,数据处理和图像处理的进一步成 熟 ,该技术出现一定的发展方向和趋势,主要表现 在 :① 高速摄像技术 的数据存贮量不断提高,拍摄 时间不断延长 ,图像分辨率不断提高,从而方便研 究;② 采用高速摄像技术功能不仅 只是拍摄功能, 而且 出现 了与红外探测 、光谱分析等技术进行集成 化的趋势,从而提高设备的综合分析能力:③ 高速 摄像系统的硬件和软件技术不断提升和进步,从而 降低设备 的成本和价格 ,实现该技术的普遍使用 。

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