面內三方向雲紋幹涉儀的製作方法

2023-07-20 03:54:21

專利名稱：面內三方向雲紋幹涉儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種測試技術領域的儀器，具體是一種面內三方向雲紋幹涉儀。
背景技術：
目前國內外測試平面面內位移場的雲紋幹涉儀都是四個入射光路，形成兩個互相垂直方向的位移場，即通常所說的水平方向上的u場和豎直方向上的v場。
經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利號為200410000005.0，名稱為「多功能三維位移雷射幹涉測量系統」，該專利在面內位移的測試中，是採用A、B、C、D四束光以固定的角度對稱地入射在被測試結構的同一區域，該區域上粘貼有正交光柵。每束照射在光柵上將產生衍射，調整A、B、C、D四束相干光以某一相同角度再對稱地入射到試件表面，使它們的+1、-1衍射光分別沿試件表面的同一方向傳播，即沿試件法線方向傳播。A、B兩束相干光的+1、-1衍射光在空間會產生幹涉，也就是在它們交匯的區域上形成明暗交錯的幹涉條紋，這種條紋相當於一個空間光柵。它在試件表面與試件上的光柵疊加形成Moiré條紋，即水平方向的位移場u場，同理C、D兩束相干光則會形成豎直方向的位移場v場。該專利屬於傳統的雲紋幹涉儀，只能測試這兩個面內位移場。

發明內容
本發明針對現有技術只能測試兩個位移場的情況下，提供一種能夠測試到面內三個獨立的位移場面內三方向雲紋幹涉儀，使其具有同時測試面內x軸方向、y軸方向以及它們的45°夾角三個方向位移場u場、v場和s場，或者其中任意一、二個方向的位移場。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括雷射器、擴束鏡、準直鏡、十二個全反鏡、反射鏡、可調節工作檯、相移驅動裝置、攝像機、計算機和支架。其連接關係為雷射器、擴束鏡、準直鏡、全反鏡、反射鏡、相移驅動裝置固定在同一支架上，可調節工作檯、攝像機和計算機則作為圖像採集與處理裝置是獨立單元。由He-Ne雷射器發出波長為6328的雷射經過40×擴束鏡擴束後，到達準直鏡，其直徑為Φ＝206mm，焦距f＝600mm；準直鏡把擴束後的發散光變成平行等直徑(Φ＝206mm)的平面波前光；它照射在六塊面積為50×35mm2的全反鏡上，這六面全反鏡的中心安裝在直徑為140mm的圓周上，並固定在準直鏡鏡架上，它們把原來的一束準直平行光分成六束方向不同的準直平行光。這六束方向不同的準直平行光經過另外六塊全反鏡的反射作用，以兩兩對稱的入射到可調節工作檯上。全反鏡固定在支撐準直鏡的支架上，鏡面方向可以微調。通過調整全反鏡的位置以保證所需的六束光路有合適的入射方向；可調節工作檯的位置可根據需要調節，安裝調試試件；攝像機，獲取幹涉條紋的視頻信號；計算機，信號採集與數據處理。
所述的相移驅動裝置，共有三個，大小、規格相同。每一個是由一個外徑為20mm，壁厚為2mm的壓電陶瓷管和電源組成。壓電陶瓷管的一個端部與全反鏡相連，另一端與支架固定。電源的正、負極分別接在壓電陶瓷管的內、外管壁上。當電源電壓變化時，壓電陶瓷管沿其軸向伸長或縮短，移動的位移量與電壓的變化量成正比。電源電壓在0-10V之間可變，位移解析度為0.01波長，精度為±0.5％。
本發明能夠實現位移的高精度實時測量，位移測量靈敏度可達波長量級。系統配有相移裝置，經過相移技術處理後的位移測量精度可達納米量級。
本發明可以在一次加載中測試平面內三個方向獨立的位移場，而目前現有的雲紋幹涉儀或同類的位移測試裝置最多只能測試兩個位移場。通過對每一個位移場變化的計算，可以得到相應的一個正應變場，這樣三個位移場就可以得到三個正應變場。對於平面問題，有了三個方向的正應變場，就可以完全確定它的應變狀態。目前面內兩方向雲紋幹涉儀，是利用兩個位移場得到兩個正應變場，再對這兩個位移場微分，求得一個剪應變場，以確定它的應變狀態。雖然上述兩者理論上都可以確定應變狀態，但實際測試中，由於被測試物的移動等因素，如應用雲紋幹涉技術結合鑽孔法測試殘餘應力時，除了鑽孔帶來的附加變形產生的誤差外，鑽孔前、後試件的準確復位問題是一個主要的誤差來源，此外，在鑽孔過程中，試件會有不同程度的移動，這種移動會嚴重影響鑽孔前、後兩個位移場Moiré條紋所描述的位移量不是同一個點，即造成在比較兩個Moiré條紋的變化時有誤差。
用本發明結合鑽孔法測試殘餘應力時，可以根據鑽孔前的Moiré條紋來調節鑽孔後的Moiré條紋，以準確定位試件在鑽孔前、後處在同一位置，從而消除鑽孔帶來的位置改變造成的誤差。同時，由於六光路雲紋幹涉儀所測試的是三個位移場，相應得到的是三個正應變場，而不需要計算剪應變，在計算正應變時，也是沿著Moiré條紋的法線方向，減小了計算誤差。


圖1本發明結構示意2本發明v場和s場示意3本發明相移驅動裝置結構示意圖具體實施方式
如圖1所示，本發明包括雷射器1、擴束鏡2、準直鏡3、全反鏡4、5、4′、5′、4″、5″以及6、7、6′、7′、6″、7″、反射鏡8、可調節工作檯9、相移驅動裝置10、攝像機11和計算機12、支架13。其連接關係為雷射器1、擴束鏡2、準直鏡3、全反鏡4、全反鏡5、全反鏡6、全反鏡7、反射鏡8、相移驅動裝置10固定在同一支架13上，可調節工作檯9、攝像機11和計算機12則作為圖像採集與處理裝置獨立設置。由雷射器1發出波長為6328的雷射經過擴束鏡2擴束後，到達準直鏡3，準直鏡3把擴束後的發散光變成平行等直徑Φ＝206mm的平面波前光，它照射在六塊全反鏡4、5以及4′、5′、4″、5″上，這六面全反鏡的中心設置在直徑為140mm的圓周上，並固定在準直鏡3鏡架上，它們把原來的一束準直平行光分成六束方向不同的準直平行光。另外六塊可移動全反鏡6、7以及6′、7′、6″、7″的中心也在同一圓周上，圓周的直徑是根據Moiré條紋的解析度可調節，它們分別與4、5以及4′、5′、4″、5″面對面安裝在支架13上，即4與6、5與7、4′與6′、5與′7′、4″與6″、5″與7″面對面，並保持等距離。攝像機11獲取幹涉條紋的視頻信號；計算機12，信號採集與數據處理。
所述的準直鏡3，其直徑為Φ＝206mm，焦距f＝600mm。
所述的全反鏡4、5、4′、5′、4″、5″、6、7、6′、7′、6″、7″以及反射鏡8的面積均為50×35mm2。
所述的擴束鏡2為40倍擴束。
如圖3所示，所述的相移驅動裝置10，共有三個，每一個都是由一個外徑為20mm，壁厚為2mm的壓電陶瓷管14和電源15組成，壓電陶瓷管14的一個端部與全反鏡4、4′、4″相連，另一端與支架13固定，電源15的正、負極分別接在壓電陶瓷管14的內、外管壁上。電源15電壓在0-10V之間可變，位移解析度為0.01波長，精度為±0.5％。
如圖2所示，全反鏡4和5兩束光可以在水平方向產生雲紋幹涉，形成水平方向位移場(u場)，而4′和5′、4″和5″則可以分別在垂直方向、45°方向產生雲紋幹涉，形成垂直方向、45°方向位移場(v場和s場)°將表面帶有三方向光柵的試件S安放在可調節工作檯的中心，調整光柵的位置，使其三個方向分別處在水平、豎直及它們的45°夾角方向。從雷射器發出的雷射，經過擴束、準直後成為直徑為206mm的平行光分別入射到全反鏡4、5以及4′、5′、4″、5″；經過這六個分光全反鏡後的六束光再入射到可移動全反鏡6、7以及6′、7′、6″、7″進行二次全反射，調整各個反射鏡的位置與角度，使它們的中心以相同的角度(與試件表面的法線方向的夾角)入射到可調節工作檯9上的試件上的同一點，同時保證它們的+1或-1級衍射光與試件表面的法線方向一致。這樣6、7的+1或-1級衍射光在空間疊加產生幹涉條紋，這個幹涉條紋相當於一個虛光柵，它與試件上水平方向光柵方向一致，併疊加產生Moiré條紋，即零場；同理，6′、7′、6″、7″可以分別產生垂直方向、45°方向的零場。當試件發生某種形變時，會帶動其表面的試件柵一起變化，而處在空間的全反鏡6、7以及6′、7′、6″、7″並沒有發生變化，即虛光柵沒有變化，它與變化了的試件柵疊加在一起時，會分別在水平、豎直及它們的45°夾角方向都產生Moiré條紋，即產生三個位移場u場、v場和s場，這三個位移場可以記錄下試件的位移變化、變形情況。
權利要求
1.一種面內三方向雲紋幹涉儀，包括雷射器(1)、擴束鏡(2)、準直鏡(3)、全反鏡(4、5、4′、5′、6、7、6′、7′)、反射鏡(8)、可調節工作檯(9)、相移驅動裝置(10)、攝像機(11)和計算機(12)、支架(13)，其特徵在於，還包括全反鏡(4″、5″、6″、7″)，雷射器(1)、擴束鏡(2)、準直鏡(3)、全反鏡(4、5、4′、5′、4″、5″、6、7、6′、7′、6″、7″)、反射鏡(8)、相移驅動裝置(10)固定在同一支架(13)上，可調節工作檯(9)、攝像機(11)和計算機(12)則作為圖像採集與處理裝置獨立設置，由雷射器(1)發出雷射經過擴束鏡(2)擴束後，到達準直鏡(3)，準直鏡(3)把擴束後的發散光變成平行的平面波前光，照射在六塊全反鏡(4、5、4′、5′、4″、5″)上，經過這六個分光全反鏡後的六束光再入射到可移動全反鏡(6、7、6′、7′、6″、7″)進行二次全反射，六塊全反鏡(4、5、4′、5′、4″、5″)、六塊可移動全反鏡(6、7、6′、7′、6″、7″)的中心分別在同一圓周上，全反鏡(4與6)、(5)與(7)、(4′)與(6′)、(5)與(7′)、(4″)與(6″)、(5″)與(7″)面對面設置在支架(13)上，並保持等距離，攝像機(11)獲取幹涉條紋的視頻信號，傳送計算機(12)進行處理。
2.根據權利要求1所述的面內三方向雲紋幹涉儀，其特徵是，全反鏡(4、5、4′、5′、4″、5″)把原來的一束準直平行光分成六束方向不同的準直平行光，入射到可移動全反鏡(6、7、6′、7′、6″、7″)進行二次全反射，調整各個反射鏡的位置與角度，使它們的中心以相同的角度入射到可調節工作檯(9)上的試件上的同一點，同時保證它們的+1或-1級衍射光與試件表面的法線方向一致，全反鏡(4″、5″、6″、7″)組成45°方向的幹涉光路，它形成第三個位移場s場。
3.根據權利要求1或者2所述的面內三方向雲紋幹涉儀，其特徵是，所述的全反鏡(4、5、4′、5′、4″、5″)，其中心設置在直徑為140mm的圓周上，並固定在準直鏡(3)鏡架上。
4.根據權利要求1或者2所述的面內三方向雲紋幹涉儀，其特徵是，所述的全反鏡(4、5、4′、5′、4″、5″、6、7、6′、7′、6″、7″)以及反射鏡(8)的面積為50×35mm2。
5.根據權利要求1所述的面內三方向雲紋幹涉儀，其特徵是，所述的準直鏡(3)，其直徑為Φ＝206mm，焦距f＝600mm。
6.根據權利要求1所述的面內三方向雲紋幹涉儀，其特徵是，所述的擴束鏡(2)為40倍擴束的擴束鏡。
7.根據權利要求1所述的面內三方向雲紋幹涉儀，其特徵是，所述的相移驅動裝置(10)，共有三個，每一個都是由壓電陶瓷管(14)和電源(15)組成，壓電陶瓷管(14)的一個端部與全反鏡(4、4′、4″)相連，另一端與支架(13)固定，電源(15)的正、負極分別接在壓電陶瓷管(14)的內、外管壁上。
8.根據權利要求7所述的面內三方向雲紋幹涉儀，其特徵是，所述的電源(15)電壓在0--10V之間，位移解析度為0.01波長，精度為±0.5％。
9.根據權利要求7所述的面內三方向雲紋幹涉儀，其特徵是，所述的壓電陶瓷管(14)，外徑為20mm，壁厚為2mm。
全文摘要
一種測試技術領域的面內三方向雲紋幹涉儀，包括雷射器、擴束鏡、準直鏡、十二個全反鏡、反射鏡、可調節工作檯、相移驅動裝置、攝像機、計算機和支架。雷射器、擴束鏡、準直鏡、全反鏡、反射鏡、相移驅動裝置固定在支架上，可調節工作檯、攝像機和計算機獨立設置，雷射器發出雷射經過擴束鏡擴束後，到達準直鏡，準直鏡把擴束後的發散光變成平行的平面波前光，照射在六塊全反鏡上，經過這六個分光全反鏡後的六束光再入射到另六塊全反鏡進行二次全反射。用本發明結合鑽孔法測試殘餘應力時，可消除鑽孔帶來的位置改變造成的誤差，而且由於得到的是三個正應變場，不需要計算剪應變，在計算正應變時，也是沿著Moiré條紋的法線方向，減小了計算誤差。
文檔編號G01B11/00GK1740738SQ20051002794
公開日2006年3月1日 申請日期2005年7月21日 優先權日2005年7月21日
發明者陳巨兵, 餘徵躍, 張熹, 陸鵬, 辛全成 申請人:上海交通大學