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高速攝像技術在材料科學研究中的應用和發展

       高速攝影或攝像是 一種 快速 拍攝技術 。1948 年，電影電視工程師協會(SMPTE)將 高速攝影或攝像定義為拍攝速度每秒超過 128幀，并且連續拍攝 至少 3幀。高速攝像系統是一種高速瞬發過程的測 試記錄手段 ，最早出現于 2O世紀 70年代 ，該技術 綜合利用光、機 、電、光電傳感器與計算機等一系 列技術 ，拍攝間隔時間在千分之一秒到幾十萬分之一 秒之間，主要用于記錄高速運動或變化過程中的 某一瞬時狀態或全部歷程的手段 。由于高速攝像技 術具有精度高、速度快、拍攝信息量多等優 點，能 夠直接測量和獲得大量的準確 時空信息，為研究高 速運動的現象和運動規律提供了重要實驗數據 。目 前廣泛應用于流體和燃燒研究，飛行及武器研究， 機械加工和工具設計，物理和化學過程光 電工程研究，醫藥研究，天體物理學研究，材料學研究，原 子能研究，爆破工程等研究領域IJJ。 目前在材料科 學領域，該技術應用還處于初級階段， 目前主要用 于材料領域 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 了高速攝像技術的基 本原理和特點 ，主要針對其在材料研究領域 中的應 用以及取得成果，重點介紹了該技術在 電弧和電接 觸研究中的進展，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 高速攝像技術的發展

       首先需要 區分高速攝影和高速攝像技術之間的 異同。這兩種技術均是采用一定制式的相機 以很高 的速度一幅一幅的(即攝影頻率)來拍攝快速運動的 物體 ，將物體 的運動變化過程記錄下來。而這兩種 技術 的主要差別是：高速攝影是采用膠片作為記錄 介質 ，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 ，其記錄介質為存儲器 和磁盤。前者 出現較早 ，技術成熟，而后者是在前 者基礎上發展而來 ，目前大有取代前者的趨勢 。

        高速攝影是攝影技術的一個專門分支，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。而高速連續攝影是從 1870年英國 攝影家 EadweardMuybridge使用一系列的單幅照相 機來記錄奔跑中馬的圖像開始地【2]。高速攝影 由高 速攝像機和膠片判讀系統組成，采用連續光作為光 源，用高速攝影機將某一運動過程記錄在按時間發 展的一幅幅膠片上 ，拍攝完成后可以通過慢速放映 再現被記錄過程的運動或變形過程 的方法 J?？臻g 信息是以圖像來表現的，而時間信息是 以攝影頻率 或曝光時間來決定的。對高速攝影記錄膠片的后期 定量分析是在膠片判讀儀上進行的。傳統的膠片判 讀系統需要沖洗設備、放映設備等 ，機械結構復雜， 實驗成本較高。國內高速攝影技術起步于 20世紀 5O年代后期，早期主要用于國防軍事方面，目前已 擴展到民用領域，從宏觀機械運動擴展到微觀機制， 并 已取得了許多科學成果。

       高速攝像技術是一種全新的高速瞬發過程 的測 試記錄手段 ，出現于 20世紀 70年代 ，初期的高速 攝像系統無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相比。1960年前膠片是高 速攝像記錄的惟一介質，但近年來隨著 電子技術、計算機技術、微加工技術的發展 ，出現 了新型傳感 器和大容量存儲技術，高速攝像系統的性能得到大 幅度提高。高速攝像機 的基本工作原理是首先通過 CCD攝像頭直接將模擬 圖像轉化為數字化圖像 ，而 后存儲到磁盤或存儲模塊，同時由監視器顯示，最 后工作結束后即可及時地慢速重放【4J，并進行后期 處理、測量和分析 。該技術的主要優點是 ：分辨率 高 ，拍攝圖像清晰，沒有光暈現象，抗干擾能力強， 功耗低，系統操作方便；相機便于攜帶可獨立工作； 事后通過網線或通用接 口把 圖像下載至計算機 ；可 組成網絡攝像系統等 。該設備的出現大大節約 了實 驗所需要的時間及人力、物力，大大降低 了實驗的 難度和 門檻 ，有力推動了高速攝像技術的應用領域 和范圍。目前高速攝像機的核心技術和制造加工技 術主要掌握在 國外企業手中，國內用戶只能進 口才 能獲得該類裝備 。

2 高速攝像技術在材料科學研究中的應用

       高速攝像技術的應用領域很廣 ，著重介紹 高速攝像系統在材料學領域方面的一些應用。高速 攝像技術主要用于觀察和測量 ，材料加工、制備和 服役過程中，極短時間內發生的狀態變化或行為 。 目前 已有的研究領域主要有包括金屬霧化制粉、鋼 帶軋制、焊接技術和 電接觸實驗等。

a.高速攝像技術在金屬加工 中的應用

       我 國在金屬霧化制粉工藝中，利用高速攝像技 術取得 了良好的效果 。金屬粉末在粉末冶金、噴涂 技術和 高效率焊條 的生產 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 ，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，必須對金屬的霧化機理進行深入的 研 究。高速攝影 的圖片可 以顯示噴嘴 口到噴嘴匯交 點之間金屬液流波動的橫 向位移量 ，描繪了霧化開 始 區到完成區金屬霧化過程【oJ。這就為噴嘴設計、 參數選擇和提高粉末質量提供 了良好的依據 。 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，應用高速攝影技術后，可 以獲得其成型過程的清晰照片 ，從而可 以很好的改 進制作工藝，提高產 品合格率 。

b.高速攝像技術在 電接觸研究中的應用

       近年來高速攝像技術的發展，在電接觸研究領 域 中的電弧、分斷過程等方面逐漸開始使用起來。 對于 電弧 的研 究主要集中在高 電壓、大電流的開關 放 電行為 ，以及大電流條件下的電弧行為 ，而對于 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 國內外相 關的研究報道極少。本研究小組針對該問題開展 了 研究，并根據研究體系的特點建立了適合貴金屬基 電接觸材料測試的高速攝像體系 ，并設計和構建 了 相應 的光路設計 ，為安裝在 電接觸實驗機上進 行實時測試的高速攝像系統的光學系統部分 。通過 該系統 目前 己經拍攝 了分斷式電接觸過程 中觸頭的 運動行為和特點，為拍攝到的觸頭的瞬時放大 影像，其線放大率為約 20倍 。

3 高速攝像技術發展及應用展望

       實踐證明高速攝像技術在記錄瞬時狀態和過程 相 關的研究方面，具有廣泛 的應用前景。在材料科 學應用方面存在下列問題：① 材料學研究的工作環 境比較復雜 ，若拍攝條件和技術較差，會直接影響 實驗結果；② 高速攝像系統中的拍攝技術，以及光 路設計技術需要進一步總結和提高，從而方便使用 人員進行學習和選擇 ：③ 現有的高速攝像機 的成本 比較高，導致 高速攝像系統和設備的普及率不太高， 使得該技術 的應用造成 了阻礙 。

       對于高速攝像技術近年來隨著計算機技術和微 電子技術的發展，數據處理和圖像處理的進一步成 熟 ，該技術出現一定的發展方向和趨勢，主要表現 在 ：① 高速攝像技術 的數據存貯量不斷提高，拍攝 時間不斷延長 ，圖像分辨率不斷提高，從而方便研 究；② 采用高速攝像技術功能不僅 只是拍攝功能， 而且 出現 了與紅外探測 、光譜分析等技術進行集成 化的趨勢，從而提高設備的綜合分析能力：③ 高速 攝像系統的硬件和軟件技術不斷提升和進步，從而 降低設備 的成本和價格 ，實現該技術的普遍使用 。

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