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高速攝像技術(shù)在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用和發(fā)展

       高速攝影或攝像是 一種 快速 拍攝技術(shù) 。1948 年，電影電視工程師協(xié)會(huì)(SMPTE)將 高速攝影或攝像定義為拍攝速度每秒超過 128幀，并且連續(xù)拍攝 至少 3幀。高速攝像系統(tǒng)是一種高速瞬發(fā)過程的測(cè) 試記錄手段 ，最早出現(xiàn)于 2O世紀(jì) 70年代 ，該技術(shù) 綜合利用光、機(jī) 、電、光電傳感器與計(jì)算機(jī)等一系 列技術(shù) ，拍攝間隔時(shí)間在千分之一秒到幾十萬(wàn)分之一 秒之間，主要用于記錄高速運(yùn)動(dòng)或變化過程中的 某一瞬時(shí)狀態(tài)或全部歷程的手段 。由于高速攝像技 術(shù)具有精度高、速度快、拍攝信息量多等優(yōu) 點(diǎn)，能 夠直接測(cè)量和獲得大量的準(zhǔn)確 時(shí)空信息，為研究高 速運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象和運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供了重要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 。目 前廣泛應(yīng)用于流體和燃燒研究，飛行及武器研究， 機(jī)械加工和工具設(shè)計(jì)，物理和化學(xué)過程光 電工程研究，醫(yī)藥研究，天體物理學(xué)研究，材料學(xué)研究，原 子能研究，爆破工程等研究領(lǐng)域IJJ。 目前在材料科 學(xué)領(lǐng)域，該技術(shù)應(yīng)用還處于初級(jí)階段， 目前主要用 于材料領(lǐng)域 中的高速變化行為的研究，如粉末冶金 中的霧化制粉過程、電弧焊接過程 、電接觸基本行 為和過程的觀察等。本文介紹 了高速攝像技術(shù)的基 本原理和特點(diǎn) ，主要針對(duì)其在材料研究領(lǐng)域 中的應(yīng) 用以及取得成果，重點(diǎn)介紹了該技術(shù)在 電弧和電接 觸研究中的進(jìn)展，并給 出了本研究組在貴金屬 電接 觸行為所做的部分工作和成果。

1 高速攝像技術(shù)的發(fā)展

       首先需要 區(qū)分高速攝影和高速攝像技術(shù)之間的 異同。這兩種技術(shù)均是采用一定制式的相機(jī) 以很高 的速度一幅一幅的(即攝影頻率)來(lái)拍攝快速運(yùn)動(dòng)的 物體 ，將物體 的運(yùn)動(dòng)變化過程記錄下來(lái)。而這兩種 技術(shù) 的主要差別是：高速攝影是采用膠片作為記錄 介質(zhì) ，而高速攝像則是采用非膠片的攝影 ，使用 的 光敏器件為固體圖像傳感器 ，其記錄介質(zhì)為存儲(chǔ)器 和磁盤。前者 出現(xiàn)較早 ，技術(shù)成熟，而后者是在前 者基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái) ，目前大有取代前者的趨勢(shì) 。

        高速攝影是攝影技術(shù)的一個(gè)專門分支，起源于 1884年布拉格物理研究所馬赫教授用 電火花照明 拍攝 飛行的彈丸。而高速連續(xù)攝影是從 1870年英國(guó) 攝影家 EadweardMuybridge使用一系列的單幅照相 機(jī)來(lái)記錄奔跑中馬的圖像開始地【2]。高速攝影 由高 速攝像機(jī)和膠片判讀系統(tǒng)組成，采用連續(xù)光作為光 源，用高速攝影機(jī)將某一運(yùn)動(dòng)過程記錄在按時(shí)間發(fā) 展的一幅幅膠片上 ，拍攝完成后可以通過慢速放映 再現(xiàn)被記錄過程的運(yùn)動(dòng)或變形過程 的方法 J。空間 信息是以圖像來(lái)表現(xiàn)的，而時(shí)間信息是 以攝影頻率 或曝光時(shí)間來(lái)決定的。對(duì)高速攝影記錄膠片的后期 定量分析是在膠片判讀儀上進(jìn)行的。傳統(tǒng)的膠片判 讀系統(tǒng)需要沖洗設(shè)備、放映設(shè)備等 ，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 實(shí)驗(yàn)成本較高。國(guó)內(nèi)高速攝影技術(shù)起步于 20世紀(jì) 5O年代后期，早期主要用于國(guó)防軍事方面，目前已 擴(kuò)展到民用領(lǐng)域，從宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)擴(kuò)展到微觀機(jī)制， 并 已取得了許多科學(xué)成果。

       高速攝像技術(shù)是一種全新的高速瞬發(fā)過程 的測(cè) 試記錄手段 ，出現(xiàn)于 20世紀(jì) 70年代 ，初期的高速 攝像系統(tǒng)無(wú)論攝像速率還是攝像分辨率都比較低， 難 以與膠片式高速攝影機(jī)相比。1960年前膠片是高 速攝像記錄的惟一介質(zhì)，但近年來(lái)隨著 電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微加工技術(shù)的發(fā)展 ，出現(xiàn) 了新型傳感 器和大容量存儲(chǔ)技術(shù)，高速攝像系統(tǒng)的性能得到大 幅度提高。高速攝像機(jī) 的基本工作原理是首先通過 CCD攝像頭直接將模擬 圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字化圖像 ，而 后存儲(chǔ)到磁盤或存儲(chǔ)模塊，同時(shí)由監(jiān)視器顯示，最 后工作結(jié)束后即可及時(shí)地慢速重放【4J，并進(jìn)行后期 處理、測(cè)量和分析 。該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是 ：分辨率 高 ，拍攝圖像清晰，沒有光暈現(xiàn)象，抗干擾能力強(qiáng)， 功耗低，系統(tǒng)操作方便；相機(jī)便于攜帶可獨(dú)立工作； 事后通過網(wǎng)線或通用接 口把 圖像下載至計(jì)算機(jī) ；可 組成網(wǎng)絡(luò)攝像系統(tǒng)等 。該設(shè)備的出現(xiàn)大大節(jié)約 了實(shí) 驗(yàn)所需要的時(shí)間及人力、物力，大大降低 了實(shí)驗(yàn)的 難度和 門檻 ，有力推動(dòng)了高速攝像技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 和范圍。目前高速攝像機(jī)的核心技術(shù)和制造加工技 術(shù)主要掌握在 國(guó)外企業(yè)手中，國(guó)內(nèi)用戶只能進(jìn) 口才 能獲得該類裝備 。

2 高速攝像技術(shù)在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用

       高速攝像技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域很廣 ，著重介紹 高速攝像系統(tǒng)在材料學(xué)領(lǐng)域方面的一些應(yīng)用。高速 攝像技術(shù)主要用于觀察和測(cè)量 ，材料加工、制備和 服役過程中，極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的狀態(tài)變化或行為 。 目前 已有的研究領(lǐng)域主要有包括金屬霧化制粉、鋼 帶軋制、焊接技術(shù)和 電接觸實(shí)驗(yàn)等。

a.高速攝像技術(shù)在金屬加工 中的應(yīng)用

       我 國(guó)在金屬霧化制粉工藝中，利用高速攝像技 術(shù)取得 了良好的效果 。金屬粉末在粉末冶金、噴涂 技術(shù)和 高效率焊條 的生產(chǎn) 中均 占有非 常重要 的地 位 。熔融金屬在高溫高壓下壓 出噴嘴時(shí) ，金屬的粒 子速度很高，為了減少粉末中的含氧量 ，控制粉粒 的形貌和粒度，必須對(duì)金屬的霧化機(jī)理進(jìn)行深入的 研 究。高速攝影 的圖片可 以顯示噴嘴 口到噴嘴匯交 點(diǎn)之間金屬液流波動(dòng)的橫 向位移量 ，描繪了霧化開 始 區(qū)到完成區(qū)金屬霧化過程【oJ。這就為噴嘴設(shè)計(jì)、 參數(shù)選擇和提高粉末質(zhì)量提供 了良好的依據(jù) 。 在薄型鋼帶軋制工藝中，由于此前缺乏有效的 手段 ，成型過程不清楚，應(yīng)用高速攝影技術(shù)后，可 以獲得其成型過程的清晰照片 ，從而可 以很好的改 進(jìn)制作工藝，提高產(chǎn) 品合格率 。

b.高速攝像技術(shù)在 電接觸研究中的應(yīng)用

       近年來(lái)高速攝像技術(shù)的發(fā)展，在電接觸研究領(lǐng) 域 中的電弧、分?jǐn)噙^程等方面逐漸開始使用起來(lái)。 對(duì)于 電弧 的研 究主要集中在高 電壓、大電流的開關(guān) 放 電行為 ，以及大電流條件下的電弧行為 ，而對(duì)于 小電流、中小電壓條件下使用 的貴金屬基 電接觸材 料的電弧或微觀 電接觸行為的研究， 目前 國(guó)內(nèi)外相 關(guān)的研究報(bào)道極少。本研究小組針對(duì)該問題開展 了 研究，并根據(jù)研究體系的特點(diǎn)建立了適合貴金屬基 電接觸材料測(cè)試的高速攝像體系 ，并設(shè)計(jì)和構(gòu)建 了 相應(yīng) 的光路設(shè)計(jì) ，為安裝在 電接觸實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn) 行實(shí)時(shí)測(cè)試的高速攝像系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)部分 。通過 該系統(tǒng) 目前 己經(jīng)拍攝 了分?jǐn)嗍诫娊佑|過程 中觸頭的 運(yùn)動(dòng)行為和特點(diǎn)，為拍攝到的觸頭的瞬時(shí)放大 影像，其線放大率為約 20倍 。

3 高速攝像技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用展望

       實(shí)踐證明高速攝像技術(shù)在記錄瞬時(shí)狀態(tài)和過程 相 關(guān)的研究方面，具有廣泛 的應(yīng)用前景。在材料科 學(xué)應(yīng)用方面存在下列問題：① 材料學(xué)研究的工作環(huán) 境比較復(fù)雜 ，若拍攝條件和技術(shù)較差，會(huì)直接影響 實(shí)驗(yàn)結(jié)果；② 高速攝像系統(tǒng)中的拍攝技術(shù)，以及光 路設(shè)計(jì)技術(shù)需要進(jìn)一步總結(jié)和提高，從而方便使用 人員進(jìn)行學(xué)習(xí)和選擇 ：③ 現(xiàn)有的高速攝像機(jī) 的成本 比較高，導(dǎo)致 高速攝像系統(tǒng)和設(shè)備的普及率不太高， 使得該技術(shù) 的應(yīng)用造成 了阻礙 。

       對(duì)于高速攝像技術(shù)近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微 電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)處理和圖像處理的進(jìn)一步成 熟 ，該技術(shù)出現(xiàn)一定的發(fā)展方向和趨勢(shì)，主要表現(xiàn) 在 ：① 高速攝像技術(shù) 的數(shù)據(jù)存貯量不斷提高，拍攝 時(shí)間不斷延長(zhǎng) ，圖像分辨率不斷提高，從而方便研 究；② 采用高速攝像技術(shù)功能不僅 只是拍攝功能， 而且 出現(xiàn) 了與紅外探測(cè) 、光譜分析等技術(shù)進(jìn)行集成 化的趨勢(shì)，從而提高設(shè)備的綜合分析能力：③ 高速 攝像系統(tǒng)的硬件和軟件技術(shù)不斷提升和進(jìn)步，從而 降低設(shè)備 的成本和價(jià)格 ，實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的普遍使用 。

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