针对高速电机在极端转速工况下叶片变形难以通过传统实验手段准确获取的问题，本文基于双目高速数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）技术，结合超高速相机，对某小型高速电机在 40 000 rpm 稳态运行条件下的叶片动态变形行为进行了非接触、三维、全场实测。
实验定量获取了叶片在高速旋转过程中的三维合位移、点间距变化（离心伸长）、离面振动幅值以及拉格朗日应变时序响应，并将实测结果与数值仿真结论进行对比分析。结果表明：在目标转速下，叶片处于稳定弹性工作区间，结构完整性与动力学响应良好。相关实测数据可为高速电机叶片结构设计、径向间隙确定及仿真模型校核提供可靠实验依据。
关键词：高速电机；叶片变形；双目DIC；高速相机；非接触测量；拉格朗日应变
1 引言与研究背景
高速电机因其功率密度高、响应速度快，在高效散热模组、精密驱动系统及微型动力装置中得到广泛应用。作为关键功能部件，电机叶片在高速旋转过程中同时承受强离心载荷与复杂气动载荷，易产生径向拉伸、弯曲振动及应变集中等结构响应。
在工程实践中，高速叶片的结构设计主要依赖有限元及多体动力学仿真。然而，在 高转速、小尺寸、强刚体运动叠加微小弹性变形 的条件下，仿真结果若缺乏实测数据验证，难以全面反映真实工况下的动态行为。此外，传统接触式传感器及普通高速摄像技术在空间分辨率、测量维度和抗干扰能力方面均存在明显局限。
基于上述背景，某知名电机厂商引入中科君达视界软硬件均自研的双目高速数字图像相关（DIC）技术，结合千眼狼超高速相机NEO25，对高速电机叶片在实际运行状态下的三维动态变形进行直接测量，为高速旋转结构的工程验证提供实验级证据。
2 实验系统与测试方法
2.1 实验简介
针对 40 000 rpm 及以上工况下叶片的动态变形与应变测量需求，推荐采用超高速相机 + 数字图像相关（DIC）应变测量系统 的非接触测试方案。其中，双目超高速相机可在万帧级采样频率下同步捕捉叶片表面散斑图像，通过立体视觉重建获得叶片在高速旋转过程中的三维位移场；结合 数字图像相关（DIC）应变测量系统，可进一步定量计算叶片的径向离心伸长、离面振动响应及拉格朗日应变分布。该测试方案能够有效抑制高速旋转带来的刚体运动干扰，实现微米级位移分辨率与微应变级测量精度，为高速电机叶片的结构安全评估、径向间隙设计及仿真模型校核提供可靠的实验依据。
2.2 推荐实验设备与测量系统组合
在实际工程应用中，可选用 千眼狼 NEO25 超高速相机 组成双目高速成像系统，配合成熟的数字图像相关（DIC）应变测量系统使用。
●超高速相机：千眼狼NEO25 × 2（双目同步）
●采样频率：41 000 fps（ROI模式）
●采集时长：约 0.025 s
●镜头配置：100 mm 定焦工业镜头
●光源系统：高强度连续光源（千眼狼定制）
●光学处理：镜头前端加装偏振片，有效抑制金属叶片表面强反射
该组合在高速旋转结构测试中具备以下技术优势：
●超高速相机支持全画幅下数万帧级采样速率，满足高速电机叶片捕捉
●双目 DIC 系统可实现 三维全场非接触位移与应变测量
●对小尺寸叶片的 20–30 μm 级离心伸长与低应变弹性响应具备稳定解析能力
●适用于高速电机、微型转子、涡轮叶片等高速旋转部件的研发验证阶段
●核心设备千眼狼超高速相机NEO25 vs Photron Nova S20选型参数对比：
2.3 测量原理与数据处理方法
实验首先通过双目立体标定建立三维测量坐标系。随后，利用超高速相机同步采集叶片表面随机散斑图像序列，并基于数字图像相关算法，计算：
●指定阶段点的三维位移时程
●阶段点对之间的相对距离变化
●阶段区域的拉格朗日应变演化
针对高速旋转带来的大幅刚体运动，本次实验采用相对量分析策略（如点-点距离变化）以有效削弱整体旋转对微小弹性变形测量的干扰，从而提升结果的工程可解释性。
3 实验结果与分析
3.1 叶片阶段点三维合位移特征
在叶片表面选取典型阶段点，对其旋转过程中的三维合位移进行跟踪。DIC 结果显示，该阶段点位移呈现明显周期性变化，峰-峰值约为 32 mm。
该量级主要来源于叶片绕电机转轴的刚体旋转运动，其结果验证了双目高速 DIC 系统在 高转速、大位移场景下的轨迹追踪稳定性与数据连续性。
3.2叶片径向离心伸长量分析
在同一叶片上选取两阶段点，计算其点间距离随时间的变化，以表征叶片在离心载荷作用下的径向拉伸变形。
实验结果表明，在 40 000 rpm 稳态运行阶段，两点间距离变化幅度稳定分布在 20–30 μm 区间，与仿真预测结果高度一致。这表明叶片离心伸长处于线性弹性区间，未发生塑性或失稳行为。
从工程角度看，该实测伸长量为叶片—外壳径向安全间隙设计提供了直接依据，可有效降低高速运行过程中发生剐蹭与结构失效的风险。
3.3 叶片离面振动响应
对叶片阶段点在垂直于旋转平面方向的离面位移进行分析。结果显示，其振动幅值整体控制在 2 mm 以内，未观察到显著的离面共振或不稳定振型。
该结果表明，在当前转速与工况条件下，电机叶片的动力学响应平稳，系统未进入危险振动区间。
3.4 拉格朗日应变分布特征
在叶片表面选取阶段区域，计算其拉格朗日应变随时间的演化规律。实验结果显示，应变平均水平维持在 10 με 量级以内，波动平缓。
该应变水平表明叶片材料在测试工况下处于低应变弹性状态，从应变角度进一步验证了结构设计的安全裕度以及仿真模型中材料参数与载荷设定的合理性。
4 结论与工程意义
4.1 本研究在 40 000 rpm 高速旋转工况下，成功实现了对小尺寸电机叶片的三维、全场、非接触动态位移与应变测量，验证了双目高速数字图像相关（DIC）技术在极端旋转条件下的工程适用性。
4.2 实测结果表明，叶片在稳态高速运行阶段的径向离心伸长量约为 20–30 μm，离面振动与拉格朗日应变均未表现出失稳特征，说明当前设计方案在结构安全性与动力学响应方面具有较高可靠性。
4.3 从工程应用角度看，千眼狼 NEO25 超高速相机结合 DIC 测量方案，可在微米级精度下完成高速旋转结构的动态变形测试，适用于小型高速电机、微型转子及类似高速旋转部件的研发验证与仿真校核。
